전력 전자 장치를 위한 주울 열 시뮬레이션

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줄 가열이란 무엇입니까?

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주울 열은 많은 전력 전자 제품 및 구성 요소의 설계에서 포착해야 하는 중요한 현상입니다. 전류가 전기 전도체를 통과하고 열 에너지로 변환되어 열이 발생하는 물리적 효과입니다. 도체 재료의 온도 증가는 구성 요소의 전체 효율에 영향을 미치거나 활용될 수도 있습니다.

SimScale은 엔지니어가 강력하고 자동화된 후처리 기능이 있는 사용하기 쉬운 인터페이스를 사용하여 플랫폼에서 줄 열 시뮬레이션을 수행할 수 있는 새로운 기능을 출시했습니다.

주울 가열 시뮬레이션은 의도적이든 의도하지 않든 간에 저항 가열이 일반적인 아티팩트인 수많은 산업 응용 분야에 필요합니다. 전기 히터 및 납땜 인두와 같은 의도적인 용도의 경우 장치의 열 출력을 최적화하기 위해 줄 열 분석이 필요합니다.

그러나 보다 일반적으로 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 데 따른 온도 상승은 구성 요소의 전체 효율을 감소시킬 수 있는 원치 않는 효과입니다. 예를 들어 전력 전자 장치의 모선 및 배선이 포함되며 온도가 상승하면 효율이 떨어집니다.

이상적인 작동 온도 범위를 가진 배터리에서도 유사한 효과가 관찰됩니다. 이 이상으로 배터리 성능과 수명이 저하되기 시작합니다. 퓨즈 블록 ​​및 저항과 같은 다른 일반적인 구성 요소도 다음의 영향을 받습니다. 줄 가열.

그림 1: 주울 열 효과로 인한 부스바의 온도 증가를 보여주는 전기 자동차 인버터의 주울 열 시뮬레이션.

SimScale의 줄 열 분석

주울 열 분석에 대한 단순화된 접근 방식에는 소실된 전력을 전자 부품의 전원으로 추가하는 것이 포함되었습니다. 소실된 전력은 대략적인 수작업 계산을 기반으로 했으며 다음을 포함하여 전류 밀도가 균일하게 분포되지 않은 상황을 견고하게 처리할 수 없었습니다.

다양한 전기 저항률을 병렬로

직렬 정렬의 다양한 단면 크기 구성 요소

접촉 저항(예: 납땜 연결)

SimScale에 도입된 새로운 기능을 통해 사용자는 이제 주요 주울 열 매개변수, 변수 및 출력 주요 메트릭을 명시적으로 정의하여 기본 설계 결정을 내릴 수 있습니다.

분석 유형: 사용자는 SimScale에서 Conjugate 열 전달(CHTv2 또는 IBM) 분석 유형을 설정할 때 Joule Heating을 토글할 수 있습니다.

재료: 재료 속성을 정의할 때 등방성 또는 직교 도체 옵션을 선택합니다. 재료는 라이브러리에서 가져오거나 데이터베이스에 추가할 수 있으며 프로젝트 및 팀 간에 공유할 수 있습니다.

경계 조건: 경계 조건 대화 상자에서 사용자는 전류 흐름 방향과 전위를 지정할 수 있습니다(아래 이미지 참조).

출력: 전류밀도, 전위, 주울열 발생을 포함한다.

주울 열 시뮬레이션 설정

경주용 자동차에 사용되는 전기 인버터 케이스는 SimScale의 새로운 줄 가열 기능을 시연하는 데 사용됩니다. 아래 이미지는 3L/Min의 유량으로 물과 글리콜 혼합물을 사용하여 액체 냉각되는 인버터의 3D 구조를 보여줍니다.

이 모델에는 최대 70Amps RMS 연속 부하의 전기 부하 및 전류가 있는 다양한 MOSFET 및 커패시터가 포함되어 있습니다. 6상 AC 전류 공급을 위한 12개의 MOSFET은 각각 18.5W가 적용된 것으로 모델링됩니다.

SimScale의 재료 데이터베이스를 사용하여 필요한 경우 재료 특성을 평가하기 위해 매개변수화할 수 있는 전도성 재료 및 냉각제를 적용했습니다.

그림 2: 인버터 기하학 모델

그림 3: 인버터 형상 모델(왼쪽) 및 해당 메쉬 모델(오른쪽)

시뮬레이션 설정 대화 상자의 새 옵션을 사용하여 줄 열 시뮬레이션 세부 사항을 지정합니다.

1. Joule Heating 해석 지정

그림 4: CHT Joule heating: CHT 분석에 Joule heating을 포함하기 위한 SimScale의 새로운 Joule heating 인터페이스 및 대화 상자

2. Joule Heating 시뮬레이션을 위한 재료 특성

그림 5: 재료: SimScale에서 재료를 정의하기 위한 새로운 줄 가열 인터페이스 및 대화 상자. 고유한 저항률을 가진 유전체 또는 전도성 재료를 설정할 수 있습니다.

3. Joule Heating 시뮬레이션을 위한 경계 조건 추가

그림 6: Boundary Conditions: SimScale에서 Joule heating 경계 조건을 정의하기 위한 새로운 Joule heating 인터페이스 및 대화 상자. 사용자는 전류 유입 또는 유출 조건을 기준 전위와 결합하거나 결과 전류를 구동하는 전위차를 정의할 수 있습니다.

Joule Heating 시뮬레이션 결과 시각화

그림 7: MOSFET, 커패시터 및 버스바와 같은 전기 부품의 온도를 보여주는 SimScale의 주울 열 시뮬레이션

그림 8: 인버터 버스바의 전위(위), 생성된 열(중간) 및 전류 밀도 크기(아래)를 보여주는 SimScale의 주울 열 시뮬레이션(빨간색은 더 높은 값을 나타냄).

전기 전위(전압)는 전기 회로 내의 전기 구성요소 및 전선의 전압 강하와 전류 드레인 구동 시뮬레이션의 경우 전체적으로 예상되는 전압 강하에 대한 통찰력을 제공합니다. 전위장에서 파생된 전류 밀도(A/m2)는 전체 회로의 전류 흐름과 전류 밀도 스파이크가 예를 들어 작은 단면 또는 날카로운 모서리에서 발생하는지에 대한 필수 정보를 제공합니다.

소비 전력이 전류의 2승에 따라 달라지므로 열 손실이 높은 경우가 많습니다. 이 정보는 중요한 지점에서 단면을 두껍게 하거나 바람직하지 않은 가장자리를 반올림하여 전체 전류 경로를 변경하는 데 사용할 수 있습니다.

줄 열 생성(W/m삼) 결과 필드는 시스템의 열 관리 솔루션을 설계할 때 고려해야 하는 열유속을 판단할 때 유용합니다. 줄 열 기여도가 시스템의 주요 열 부하가 아니더라도 국부적인 열유속 스파이크가 주 냉각 솔루션(예: 액체 냉각판 또는 팬.

Post-Processor의 통계 도구를 사용하여 분산된 열 부하와 모델의 일부에 대한 통합 총 전력 손실을 모두 추출할 수 있습니다.

SimScale의 전력 전자 시뮬레이션

주울 가열은 다양한 응용 분야의 설계에 필수적이거나 관련이 있습니다. 인버터 사용 사례 옆에는 배터리 팩이나 전기 모터와 같은 전기 자동차의 전기 파워트레인의 다른 구성 요소가 포함됩니다. 또한 전기 저항 열 고려 사항의 가장 중요한 측면입니다. 다음에서는 산업 관련 사례를 제시합니다.

저항기

저항기는 콤팩트한 구조에서 저항성이 높은 재료를 사용하여 고전압 또는 전류 펄스로 전기 회로의 다른 구성 요소를 보호하는 데 사용됩니다. 따라서 전위 강하 및 그에 따른 열 변환이 의도된 것이지만 열은 여전히 ​​저항기 또는 주변 시스템에 손상을 줄 수 있습니다. 냉각 솔루션에는 대부분 장착된 방열판이 포함되지만 활성 공기 또는 액체 냉각이 포함될 수도 있습니다.

전력 저항기 모델은 4개의 개별 저항 전도체 회로를 가지며 과거 자동차 산업에서 광범위하게 사용된 장치입니다. 이 특정 모델은 Jaguar oldtimers에 사용되었으며 연료 분사용 전자 제어 장치(ECU)가 고전류 스파이크로 인해 과부하되지 않도록 합니다.

인젝터를 열기 위해 전체 12V 전위가 연결되고 22.6A의 필요한 높은 개방 전류를 제공합니다. 그 후 필요한 전류는 훨씬 낮아지고 구성 요소는 높은 전류 부하를 오랫동안 견딜 수 없습니다. 따라서 ~6옴 저항 회로가 스위치가 있는 회로에 추가되고 전류를 2A 미만으로 줄입니다. 구성 요소는 엔진 옆의 판금 구성 요소에 장착되므로 자연 대류 냉각에만 의존해야 합니다.

그림 9: 자동차 응용 분야의 연료 분사 회로에 사용되는 전력 저항 장치

그림 10: 저항의 전위(위), 생성된 열(중간) 및 전류 밀도 크기(아래)를 보여주는 SimScale의 주울 열 시뮬레이션(빨간색은 더 높은 값을 나타냄)

전기차 배터리

배터리 모듈 케이스는 Formula SAE(Society of Automotive Engineers) 경주용 자동차의 전기 자동차에서 가져온 것입니다. Formula SAE는 대학 팀이 최고 성능의 경주용 자동차를 설계 및 제조하기 위해 경쟁하는 일련의 국제 대회이며, 시뮬레이션은 학술 팀에서 경주용 자동차 설계 및 구성 요소를 최적화하기 위해 광범위하게 사용됩니다.

배터리 모듈은 열 관리를 위해 팬의 강제 대류 공기 냉각을 사용하고 알루미늄 버스바를 사용합니다. 10S10P 배열의 100개 리튬 이온 셀(직렬로 10개 셀, 병렬로 10개 셀)이 있습니다.

줄 열 분석은 배터리 구성 요소를 통해 흐르는 전류로 인한 열 이득을 예측하고 최적의 냉각 전략을 테스트하는 데 필요합니다. 전위 강하 및 전류 밀도를 분석하는 것은 날카로운 모서리 또는 얇은 부분에서 전류 스파이크를 피하고 팩 전체에 균일한 부하를 목표로 하기 위해 추가로 도움이 됩니다. 이 경우 1C 시나리오는 모듈에서 배출된 40A로 시뮬레이션됩니다.

그림 11: 전기차 배터리 시뮬레이션

퓨즈 블록

다음 퓨즈 블록 ​​케이스는 자동차 OEM(주문자 상표 부착 방식)에서 널리 사용됩니다. 퓨즈는 작은 전위차에서 작동하여 전류가 퓨즈 내에서 흐르도록 합니다. 전류가 안전 한도 내에서 유지되는 한 퓨즈는 정상적으로 작동합니다.

그러나 퓨즈는 전기 회로에서 고가 또는 민감한 장비를 높은 전류 값으로부터 보호하기 위해 가장 약한 지점에서 실패함으로써 스스로를 희생하도록 전기 회로에서 의도적인 약한 링크 역할을 하도록 설계되었습니다. 퓨즈의 고장은 가장 약한 지점에서 전류 흐름에 의해 발생하는 열로 인해 발생하며, 이로 인해 해당 영역 주변에서 국부적인 용융이 발생할 수 있습니다.

퓨즈의 작동을 시뮬레이션하고 취약한 영역 주변의 온도 상승을 관찰할 수 있도록 설정되는 퓨즈의 두 끝 사이의 전위차와 함께 과도 공액 열 전달 분석이 사용됩니다. 이 시나리오에서 0.2V의 전위 강하가 불과 몇 밀리옴의 저항을 가진 퓨즈에 적용되어 약점 주변에서 가장 높은 전류 밀도를 가진 엄청난 과부하 전류가 발생했습니다.

그림 12: 퓨즈 블록 ​​모델

그림 13: SimScale의 주울 열 시뮬레이션, 고전류(상단)로 인한 일시적인 온도 변화와 약점 주변에 의도된 스파이크(하단)가 있는 전류 밀도 크기를 보여줍니다.

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