CN111796532A - 一种基于散热仿真的控制机箱及风冷散热分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于散热仿真的控制机箱及风冷散热分析方法，该基于散热仿真的控制机箱，包括箱体，箱体的内部设有谐振电感和MOS管组件，箱体的两侧分别设有用以供冷风进入的进风口和用以供散热后的热风排出的出风口；箱体的内部还设有散热器、第一散热风扇和第二散热风扇，MOS管组件分布于散热器的两侧，通过第一散热风扇向MOS管组件吹风以供MOS管组件散热，通过第二散热风扇向谐振电感吹风以供谐振电感散热。上述基于散热仿真的控制机箱可以通过优化内部结构和相应部件的参数达到较佳的散热效果，以此来保证控制机箱内包括谐振电感、MOS管在内的关键热源在合理的温度状态下工作，从而可以保证系统运行的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别涉及一种基于散热仿真的控制机箱。本发明还涉及一种应用于该基于散热仿真的控制机箱的风冷散热分析方法。
背景技术
目前，随着新能源汽车产业及无人驾驶技术的快速发展，电动汽车无线充电技术成为学术界和工业界研究的热点。
机箱内部的散热问题直接影响到无线充电系统的运行可靠性。现有技术中，控制机箱内部一般具有电源模块、MOS管、谐振电感、PCB板和板上元器件等，然而，由于机箱无法达到较佳的散热效果，以致无法保证控制机箱内包括电源模块、谐振电感和MOS管在内的关键热源在合理的温度状态下工作，这样控制系统运行的安全性和可靠性将无法得到保证。
因此，如何避免由于机箱散热效果不佳而导致影响系统运行的安全性和可靠性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于散热仿真的控制机箱，该控制机箱可以通过优化内部结构和相应部件的参数达到较佳的散热效果，从而可以保证系统运行的安全性和可靠性。本发明的另一目的是提供一种应用于该基于散热仿真的控制机箱的风冷散热分析方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于散热仿真的控制机箱，包括箱体，所述箱体的内部设有谐振电感和MOS管组件，所述箱体的两侧分别设有用以供冷风进入的进风口和用以供散热后形成的热风排出的出风口；所述箱体的内部还设有散热器、第一散热风扇和第二散热风扇，所述MOS管组件分布于所述散热器的两侧，通过所述第一散热风扇向所述MOS管组件吹风以供所述MOS管组件散热，通过所述第二散热风扇向所述谐振电感吹风以供所述谐振电感散热。
可选地，所述散热器包括散热片，所述散热片为一体式的铝合金散热片。
可选地，所述MOS管组件和所述散热片之间设有用以供所述MOS管组件导热的导热层。
可选地，所述导热层具体为导热硅脂层。
可选地，所述箱体的内部还设有通风壳体，用以形成可供所述谐振电感和所述MOS管组件散热的通道。
本发明还提供一种风冷散热分析方法，包括：
获取机箱风冷散热的仿真参数；
调用预先构建的机箱仿真模型，获取各组别的所述仿真参数对应的热源的表面温度和所述机箱内的气流分布图，并根据所述表面温度和所述气流分布图得到满足预设散热条件的最优仿真参数组。
可选地，所述获取机箱风冷散热的仿真参数包括：
获取第一散热风扇和第二散热风扇两者的第一预设规格参数A1、所述第一散热风扇和所述第二散热风扇两者的第二预设规格参数A2、优化前风道结构参数B1、优化后风道结构参数B2、散热器的初始宽度C1，所述散热器的初始宽度增加5mm的宽度C2。
可选地，所述调用预先构建的机箱仿真模型，获取各组别的所述仿真参数对应的热源的表面温度和所述机箱内的气流分布图，并根据所述表面温度和所述气流分布图得到满足预设散热条件的最优仿真参数组的步骤包括：
调用预先构建的机箱仿真模型；
通过正交实验法则获取第一组仿真参数组A1 B1 C1、第二组仿真参数组A1 B2C2、第三组仿真参数组A2 B1 C2和第四组仿真参数组A2 B2 C1；
通过所述机箱仿真模型计算所述第一组仿真参数组A1 B1 C1对应的谐振电感和MOS管组件两者的第一表面温度与所述机箱内的第一气流分布图，根据所述第一表面温度判断所述谐振电感和所述MOS管组件两者是否满足工作温度要求，根据所述第一气流分布图判断所述机箱内气流是否无回流，若是，则采用所述第一组仿真参数组A1 B1 C1，若否，则进行下一步；
通过所述机箱仿真模型计算所述第二组仿真参数组A1 B2 C2对应的所述谐振电感和所述MOS管组件两者的第二表面温度与所述机箱内的第二气流分布图，根据所述第二表面温度判断所述谐振电感和所述MOS管组件两者是否满足工作温度要求，根据所述第二气流分布图判断所述机箱内气流是否无回流，若是，则采用所述第二组仿真参数组A1 B2C2，若否，则进行下一步；
通过所述机箱仿真模型计算所述第三组仿真参数组A2 B1 C2对应的所述谐振电感和所述MOS管组件两者的第三表面温度与所述机箱内的第三气流分布图，根据所述第三表面温度判断所述谐振电感和所述MOS管组件两者是否满足工作温度要求，根据所述第三气流分布图判断所述机箱内气流是否无回流，若是，则采用所述第三组仿真参数组A2 B1C2，若否，则采用所述第四组仿真参数组A2 B2 C1。
相对于上述背景技术，本发明针对无线充电的不同要求，设计了一种基于散热仿真的控制机箱，具体来说，上述基于散热仿真的控制机箱，包括箱体，箱体的内部设有谐振电感和MOS管组件，箱体的两侧分别设有进风口和出风口，其中，位于箱体一侧的进风口用于供冷风进入箱体内，位于箱体另一侧的出风口用于供散热后的热风排出箱体；箱体的内部还设有散热器、第一散热风扇和第二散热风扇，MOS管组件分布于散热器的两侧，通过第一散热风扇向MOS管组件吹风以供MOS管组件散热，通过第二散热风扇向谐振电感吹风以供谐振电感散热。同时，本发明还提供一种风冷散热分析方法，包括：
S1：获取机箱风冷散热的仿真参数；
S2：调用预先构建的机箱仿真模型，获取各组别的仿真参数对应的热源的表面温度与机箱内的气流分布图，并根据表面温度和气流分布图得到满足预设散热条件的最优仿真参数组。
也就是说，上述风冷散热分析方法通过建立正确合理的机箱仿真模型，并运用合理的仿真分析方法获取各组别的仿真参数对应的热源的表面温度和机箱内部的气流分布图，可以模拟出机箱内部散热的实际效果，进而得到最优化散热时的仿真参数，并进一步根据该仿真参数优化控制机箱内的热源分布、风道结构以及散热部件的参数，从而保证控制箱内的电子元器件工作在结温以下。这样一来，控制机箱可以通过优化内部结构和相应部件的参数达到较佳的散热效果，以此来保证控制机箱内包括谐振电感、MOS管在内的关键热源在合理的温度状态下工作，从而可以保证系统运行的安全性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种基于散热仿真的控制机箱内部结构爆炸图；
图2为采用通风壳体的箱体内部结构示意图；
图3为未采用通风壳体的箱体内部结构示意图；
图4为图1中谐振电感、MOS管组件和第二散热风扇的装配结构示意图；
图5为图1中电源模块的结构示意图；
图6为本发明实施例所提供一种风冷散热分析方法的流程图。
其中：
1-箱盖、2-箱体、21-进风口、22-出风口、3-电源模块、31-PCB控制板、32-电源风扇、4-PCB板、5-散热器、6-第一散热风扇、7-第二散热风扇、8-谐振电感、9-MOS管组件、10-通风壳体、11-板上元器件、12-导热层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种基于散热仿真的控制机箱，该控制机箱可以通过优化内部结构和相应部件的参数达到较佳的散热效果，从而可以保证系统运行的安全性和可靠性。本发明的另一核心是提供一种应用于该基于散热仿真的控制机箱的风冷散热分析方法。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图6，图1为本发明实施例所提供的一种基于散热仿真的控制机箱内部结构爆炸图；图2为采用通风壳体的箱体内部结构示意图；图3为未采用通风壳体的箱体内部结构示意图；图4为图1中谐振电感、MOS管组件和第二散热风扇的装配结构示意图；图5为图1中电源模块的结构示意图；图6为本发明实施例所提供一种风冷散热分析方法的流程图。
本发明实施例所提供的基于散热仿真的控制机箱，包括箱盖1和带有通风孔的箱体2，箱盖1与箱体2盖合连接，箱体2的内部设有电源模块3、PCB板4、板上元器件11、谐振电感8和MOS管组件9。在本发明实施例中，MOS管组件9包括十六个MOS管，谐振电感8的个数为两个，箱体2的两侧分别设有进风口21和出风口22，进风口21和出风口22两者均包括若干个通风孔，其中，位于箱体2一侧的进风口21用于供冷风进入箱体2内，位于箱体2另一侧的出风口22用于供散热后形成的热风排出箱体2；电源模块3设有PCB控制板31和电源风扇32。
当然，根据实际需要，上述MOS管组件9和散热片之间设有导热层12，该导热层12可以设置为导热硅脂层，导热硅脂层的作用是便于MOS管组件9实现导热，以提升机箱内部的散热效果。
箱体2的内部还设有散热器5、第一散热风扇6和第二散热风扇7，十六个MOS管均匀分布于散热器5的两侧，散热器5设有散热片，散热片可以设置为一体式的6061铝合金散热片；通过第一散热风扇6向MOS管组件9吹风以供MOS管组件9散热，通过第二散热风扇7向谐振电感8吹风以供谐振电感8散热。
具体地，第一散热风扇6设于散热器5靠近进风口21的一侧，第二散热风扇7设于谐振电感8靠近进风口21的一侧，借助第一散热风扇6和第二散热风扇7的吸力，冷风能从机箱一侧的进风口21进入箱体2内部，气流流经散热片和谐振电感8，并将谐振电感8和MOS管组件9产生的热量带走，最终形成的热气流从机箱另一侧的出风口22排出；同时，电源模块3由于自身功耗产生部分热量，该热量经电源模块3内部电源风扇32强制对流散热从机箱的出风口22排出。
为了优化上述实施例，上述箱体2内还设有通风壳体10，该通风壳体10用于将谐振电感8和MOS管组件9两者与电源模块3隔离开，通风壳体10可以形成独立的散热风道以供谐振电感8和MOS管组件9散热，通过设置通风壳体10可以提升箱体2内部的散热效果。当然，该通风壳体10上也对应设置了可供气流进入通风壳体10内的第一通风口和供气流排出通风壳体10的第二通风口。
同时，本发明还提供一种风冷散热分析方法，该风冷散热分析方法能够建立准确的控制机箱温度场仿真模型，根据热源分布，优化机箱内风道的结构、风扇参数和散热片结构，以达到最佳散热效果，以此来保证控制机箱内包括谐振电感8、MOS管在内的关键热源在合理的温度状态下工作，进而达到控制系统安全、持久、高效的运行。该方法包括：
S1：获取机箱风冷散热的仿真参数；
S2：调用预先构建的机箱仿真模型，获取各组别的仿真参数对应的热源的表面温度与机箱内的气流分布图，并根据表面温度和气流分布图得到满足预设散热条件的最优仿真参数组。
为解决机箱散热不佳的问题，正确有效的构建机箱仿真模型及模拟环境参数显得尤为重要。利用流体动力学仿真软件Icepak对控制机箱的散热问题做仿真分析。机箱仿真模型构建方法具体为：通过ANSYS Workbench平台，使用Geomety将CAD模型导入Icepak；在不影响散热路径的原则下，在Geomerty中对CAD模型进行修复和转化。需要注意的是：基于ANSYS Icepak自建模方式，设置MOS管组件9和散热器5的接触热阻(对应导热层12)；基于ANSYS Icepak自建模方式，采用plate对象构建PCB板4模型，指定为有厚度的导热板；基于ANSYS Icepak自建模方式，建立第一散热风扇6和第二散热风扇7的模型；基于ANSYSIcepak自建模方式，为电源模块3构建散热风扇的模型；同时，为模拟机箱与外界环境自然散热过程，定义计算域四个面为wall，两个面为opening。
需要说明的是，本申请涉及的机箱模型优化过程包括三个因素：不同的散热风扇参数A1和A2；优化前风道结构参数B1和优化后风道结构参数B2；散热器5的初始宽度C1和散热器5的初始宽度增加5mm的宽度C2。三个因素具体的描述为：
一、A1指的是第一散热风扇6和第二散热风扇7两者的第一预设规格参数，A2指的是第一散热风扇6和第二散热风扇7两者的第二预设规格参数，预设规格参数包括风扇的几何尺寸、风量和风压；
二、从防止热源之一的电源模块3与包括谐振电感8和MOS管组件9的热源相互影响，以减少系统压力损失和避免空气回流，从而保证流过MOS管组件9的风速等几个方面考虑，做风道优化设计。通过设置通风壳体10以将谐振电感8和MOS管组件9与电源模块3隔离开，即谐振电感8和MOS管组件9采用直通独立风道。B1为优化前风道结构参数，B2为优化后风道结构参数；
三、散热器5的散热片采用铝型材散热片，材料为6061铝合金，由于散热器5性能与垂直气流方向的宽度成正比，因此，增加散热器5宽度可提高对流换热效果。C1为散热器5初始宽度，C2为散热器5初始宽度增加5mm后的宽度。
在构建的控制机箱仿真模型基础上，在元器件功耗不变及相同的环境下，对控制机箱进行散热仿真分析，由于存在多种可优化的因素对仿真结果产生影响，设计了结合正交实验法的优化仿真过程。
在本发明实施例中，机箱仿真模型优化过程为3因素2水平问题，根据正交实验法则，选用正交表格L4(23)做设计优化分析步骤，如表1所示。此优化过程将优化步骤从23＝8次简化成4次。(注：正交表的选定是根据因素和水平数量多少选择的固定模板，正交表是一种产品质量管理通用技术)
表1
因此，仿真优化过程如下，如表2所示：
表2
具体地说，按照表2，仿真优化的过程可以设置为：
第一步，调用预先构建的机箱仿真模型；
第二步，通过正交实验法则获取第一组仿真参数组A1 B1 C1、第二组仿真参数组A1 B2 C2、第三组仿真参数组A2 B1 C2和第四组仿真参数组A2 B2 C1；
第三步，通过机箱仿真模型计算第一组仿真参数组A1 B1 C1对应的谐振电感8和MOS管组件9两者的第一表面温度与机箱内的第一气流分布图，根据第一表面温度判断谐振电感8和MOS管组件9两者是否满足工作温度要求，根据第一气流分布图判断机箱内气流是否无回流，若是，则采用第一组仿真参数组A1 B1 C1，若否，则进行下一步；
第四步，通过机箱仿真模型计算第二组仿真参数组A1 B2 C2对应的谐振电感8和MOS管组件9两者的第二表面温度与机箱内的第二气流分布图，根据第二表面温度判断谐振电感8和MOS管组件9两者是否满足工作温度要求，根据第二气流分布图判断机箱内气流是否无回流，若是，则采用第二组仿真参数组A1 B2 C2，若否，则进行下一步；
第五步，通过机箱仿真模型计算第三组仿真参数组A2 B1 C2对应的谐振电感8和MOS管组件9两者的第三表面温度与机箱内的第三气流分布图，根据第三表面温度判断谐振电感8和MOS管组件9两者是否满足工作温度要求，根据第三气流分布图判断机箱内气流是否无回流，若是，则采用第三组仿真参数组A2 B1 C2，若否，则采用第四组仿真参数组A2 B2C1。
当然，表面温度也可以通过机箱内其他热源部件进行获取；此外，也可以通过观察机箱内部气流速度的大小来判断机箱内部气流的变化。
这样一来，上述风冷散热分析方法通过建立正确合理的机箱仿真模型，并运用合理的仿真分析方法获取各组别的仿真参数对应的热源的表面温度和机箱内部的气流分布图，可以模拟出机箱内部散热的实际效果，进而得到最优化散热时的仿真参数，并进一步根据该仿真参数优化控制机箱内的热源分布、风道结构以及散热部件的参数，从而保证控制箱内的电子元器件工作在结温以下。
具体地说，控制机箱可以通过优化内部结构和相应部件的参数达到较佳的散热效果，通过强制对流散热，机箱内热源的热量能够及时的排出；结合机箱尺寸及十六个MOS管的排布等因素，设计散热器5的最优整体宽度，使得MOS管的热量能及时传导到散热器5上，经空气强制对流扩散出去；通过通风壳体10可以使机箱内的热源实现有效的隔离以保证散热互不干扰，同时避免空气回流，增加风冷散热效果，以此来保证控制机箱内包括谐振电感8、MOS管在内的关键热源在合理的温度状态下工作，从而可以保证系统运行的安全性和可靠性。
准确的控制机箱散热仿真模型构建和风冷散热仿真分析，可以准确确定控制机箱内部温度，在产品设计阶段避免问题发生，降低研发成本，缩短研发周期。此外，借助正交实验法的优化仿真过程，当存在多个影响因素时可大大降低仿真次数，以选择优化因素的最佳搭配、分清优化因素的主次，并发现优化因素对分析目标的影响趋势。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的基于散热仿真的控制机箱及风冷散热分析方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于散热仿真的控制机箱，包括箱体(2)，所述箱体(2)的内部设有谐振电感(8)和MOS管组件(9)，其特征在于，所述箱体(2)的两侧分别设有用以供冷风进入的进风口(21)和用以供散热后形成的热风排出的出风口(22)；所述箱体(2)的内部还设有散热器(5)、第一散热风扇(6)和第二散热风扇(7)，所述MOS管组件(9)分布于所述散热器(5)的两侧，通过所述第一散热风扇(6)向所述MOS管组件(9)吹风以供所述MOS管组件(9)散热，通过所述第二散热风扇(7)向所述谐振电感(8)吹风以供所述谐振电感(8)散热。
2.根据权利要求1所述的基于散热仿真的控制机箱，其特征在于，所述散热器(5)包括散热片，所述散热片为一体式的铝合金散热片。
3.根据权利要求2所述的基于散热仿真的控制机箱，其特征在于，所述MOS管组件(9)和所述散热片之间设有用以供所述MOS管组件(9)导热的导热层(12)。
4.根据权利要求3所述的基于散热仿真的控制机箱，其特征在于，所述导热层(12)具体为导热硅脂层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于散热仿真的控制机箱，其特征在于，所述箱体(2)的内部还设有通风壳体(10)，用以形成可供所述谐振电感(8)和所述MOS管组件(9)散热的通道。
6.一种风冷散热分析方法，其特征在于，包括：
获取机箱风冷散热的仿真参数；
调用预先构建的机箱仿真模型，获取各组别的所述仿真参数对应的热源的表面温度和所述机箱内的气流分布图，并根据所述表面温度和所述气流分布图得到满足预设散热条件的最优仿真参数组。
7.根据权利要求6所述的风冷散热分析方法，其特征在于，所述获取机箱风冷散热的仿真参数包括：
获取第一散热风扇(6)和第二散热风扇(7)两者的第一预设规格参数A1、所述第一散热风扇(6)和所述第二散热风扇(7)两者的第二预设规格参数A2、优化前风道结构参数B1、优化后风道结构参数B2、散热器(5)的初始宽度C1，所述散热器(5)的初始宽度增加5mm的宽度C2。
8.根据权利要求7所述的风冷散热分析方法，其特征在于，所述调用预先构建的机箱仿真模型，获取各组别的所述仿真参数对应的热源的表面温度和所述机箱内的气流分布图，并根据所述表面温度和所述气流分布图得到满足预设散热条件的最优仿真参数组的步骤包括：
调用预先构建的机箱仿真模型；
通过正交实验法则获取第一组仿真参数组A1 B1 C1、第二组仿真参数组A1 B2 C2、第三组仿真参数组A2 B1 C2和第四组仿真参数组A2 B2 C1；
通过所述机箱仿真模型计算所述第一组仿真参数组A1 B1 C1对应的谐振电感(8)和MOS管组件(9)两者的第一表面温度与所述机箱内的第一气流分布图，根据所述第一表面温度判断所述谐振电感(8)和所述MOS管组件(9)两者是否满足工作温度要求，根据所述第一气流分布图判断所述机箱内气流是否无回流，若是，则采用所述第一组仿真参数组A1 B1C1，若否，则进行下一步；
通过所述机箱仿真模型计算所述第二组仿真参数组A1 B2 C2对应的所述谐振电感(8)和所述MOS管组件(9)两者的第二表面温度与所述机箱内的第二气流分布图，根据所述第二表面温度判断所述谐振电感(8)和所述MOS管组件(9)两者是否满足工作温度要求，根据所述第二气流分布图判断所述机箱内气流是否无回流，若是，则采用所述第二组仿真参数组A1 B2 C2，若否，则进行下一步；
通过所述机箱仿真模型计算所述第三组仿真参数组A2 B1 C2对应的所述谐振电感(8)和所述MOS管组件(9)两者的第三表面温度与所述机箱内的第三气流分布图，根据所述第三表面温度判断所述谐振电感(8)和所述MOS管组件(9)两者是否满足工作温度要求，根据所述第三气流分布图判断所述机箱内气流是否无回流，若是，则采用所述第三组仿真参数组A2 B1 C2，若否，则采用所述第四组仿真参数组A2 B2 C1。
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