CN117910236A - 一种铝电解电容器的热仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝电解电容器的热仿真方法，包括以下步骤；1)建立热源模型；发热功率计算公式：W＝IR 2R+VIL；2)基于铝电解电容器结构建立热传递模型；所述热传递模型包括热传导仿真模型、热辐射仿真模型和热对流仿真模型的一种或者多种；热传导仿真模型包括X方向上的热传导模型和Y方向上的热传导模型；X方向上的热传导模型：Y方向上的热传导模型：本发明的铝电解电容器的热仿真方法，可以通过仿真实现铝电解电容器热仿真，不需要再人为测试纹波温升，精准有效的解决了铝电解电容器的纹波温升确定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝电解电容器的热仿真方法，用以评估铝电解电容器的耐纹波温升。
背景技术
铝电解电容器被广泛应用于各种电子产品，在电子线路中具有滤波、旁路、耦合和快速充放电的功能，并具有体积小、储存电量大、性价比高的特性，被广泛应用于消费电子产品、自动化控制、汽车工业和光电产品等，因为其具有单位体积高容量比的特性，可替代性较低。
铝电解电容器的性能受温度的影响很大，寿命计算式即10℃2倍法则，(Lx为推算的寿命值；L0为额定温度下的寿命值；T0为额定工作温度；Tx为实际环境温度)。由于其本身特有的相关属性，在工作过程中内部芯包的温度会逐渐升高，长时间保持在高温状态会导致产品寿命的缩短。如何准确评价铝电解电容器工作过程的温度变化，是铝电解电容器研究的热点问题。
传统测试铝电解电容器纹波温升的方法有两种：
1、外壳底部打孔插入热电偶然后胶水封闭孔洞：但由于铝电解电容器是一个密封的系统，外壳底部打孔的方法破坏了电容的密封系统，测试过程中因为电容自身发热，电解液气化容易出现电解液从打孔的部位喷射导致测试异常，或者因为热电偶插入到电容内部的过程中刺破电解纸等造成短路等问题。
2、在电容器表面粘贴热电偶测量，该方法只能测量得到的是电容器表面的温度，难以得到电容内部的温度信息，尤其对于大体积的电容来说，该方法太局限；再者使用热电偶进行测试，在测量的过程中对测试人员的要求较高，技术娴熟程度直接影响测试结果的准确性，对测试仪器要求精度较高，且仪校手法差异等也对测试结果影响较大。
另外，由于铝电解电容器制造的主要工序包括“钉卷-含浸-组立-套管-老化-测试”等步骤，其中还有裁切、清洗等工序，产品制作周期较长；同时，电容测试过程每个规格至少要测试5小时，使得时间成本都较高。如何设计出一种能够快速并且准确评价电容器温度性能的方法，已成为目前行业内一个必须要攻克的技术难题
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种铝电解电容器的热仿真方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种铝电解电容器的热仿真方法，包括以下步骤；
3)建立热源模型；发热功率计算公式：
W＝IR 2R+VIL
W为总功，IR为产品额定纹波电流，R为等效串联电阻，V为额定工作电压，IL为漏电流；
4)基于铝电解电容器结构建立热传递模型，所述热传递模型包括热传导仿真模型、热辐射仿真模型和热对流仿真模型的一种或者多种；
热传导仿真模型包括X方向上的热传导模型和Y方向上的热传导模型；
X方向指的是铝电解电容器的横向方向，Y方向指的是铝电解电容器的纵向方向；
芯包与外壳之间存在间隙，芯包的底部电解纸与外壳接触；故X方向热传导是由芯包通过芯包与外壳之间的间隙传导到外壳；Y方向热传导是由芯包底部的电解纸传导到外壳；
X方向上的热传导模型：
Q1：芯包在X方向上传递的热量，
S1：芯包的侧面积，
λ1：芯包与外壳间隙的热传导率，
T：绝对温度，
Y方向上的热传导模型；
Q2：芯包在Y方向上传递的热量，
S2：为芯包沿Y方向剖开的横截面积，
λ2：芯包底部电解纸的热传导率，本发明中，λ2指的是芯包底部含浸有电解液的电解纸的热传导率
T：绝对温度。
上述的铝电解电容器的热仿真方法，优选的，所述热对流仿真模型包括外壳表面经由对流向外的热对流模型；
热对流模型：Q＝h·S·ΔT
△T：外壳与外部温度差，
h：外壳热传导系数，
S：外壳表面积，
Q：外壳通过对流散热的热量，
外壳是直径为D的圆柱：
Nu：努塞特数，
Re：雷诺数，
a,b：常数；
上述的铝电解电容器的热仿真方法，优选的，所述热辐射仿真模型包括外壳和橡胶塞通过辐射电磁波来向外界释放热能的模型；
热辐射模型：
外壳的辐射热量Q4和橡胶塞的辐射热量Q5；
Q4＝εaσ(Ta 4-Tf 4)Sa+εbσ(Tb 4-Tf 4)Sb
Q5＝ha(Ta-Tf)Sa+hb(Tb-Tf)Sb；
ha＝εaσ(Ta+Tf)·(Ta 2+Tf 2)
hb＝εbσ(Tb+Tf)·(Tb 2+Tf 2)；
ha:外壳热传导系数，
hb:橡胶塞热传导系数，
Sa:铝壳表面积，
Sb:封口胶塞表面积，
Ta：铝壳温度，
Tb：封口胶塞表面温度，
εa：铝壳辐射率，
εb：封口胶塞辐射率，
Tf：周边温度，
σ：史蒂芬·玻尔兹曼系数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的铝电解电容器的热仿真方法，可以通过仿真实现铝电解电容器热仿真，不需要再人为测试纹波温升，精准有效的解决了铝电解电容器的纹波温升确定的问题。
附图说明
图1为电容铝壳顶部仿真温度是实际测试温度拟合图。
图2为电容器中心、侧壳、顶壳温度随时间的变化曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
一种铝电解电容器的热仿真方法，包括以下步骤；
1)建立热源模型；发热功率计算公式：
W＝IR 2R+VIL；
W为总功，IR为产品额定纹波电流，R为等效串联电阻，V为额定工作电压，IL为漏电流；在本发明中，芯包是铝电解电容器内部唯一的发热元器件。故在本发明的模型中，“芯包”加载的是均匀分布的热功率。
5)基于铝电解电容器结构建立热传递模型，所述热传递模型包括热传导仿真模型、热辐射仿真模型和热对流仿真模型的一种或者多种；
热传导仿真模型包括X方向上的热传导模型和Y方向上的热传导模型；
X方向指的是铝电解电容器的横向方向，Y方向指的是铝电解电容器的纵向方向；
芯包与外壳之间存在间隙，芯包的底部电解纸与外壳接触；故X方向热传导是由芯包通过芯包与外壳之间的间隙传导到外壳；Y方向热传导是由芯包底部的电解纸传导到外壳；
X方向上的热传导模型：
Q1：芯包在X方向上传递的热量，
S1：芯包的侧面积，
λ1：芯包与外壳间隙的热传导率，
T：绝对温度，
Y方向上的热传导模型；
Q2：芯包在Y方向上传递的热量，
S2：为芯包沿Y方向剖开的横截面积，
λ2：芯包底部电解纸的热传导率，本发明中，λ2指的是芯包底部含浸有电解液的电解纸的热传导率，
T：绝对温度。
在发明中，芯包发热对应热源模型，芯包到外壳之间的热传递主要是通过热传导，而外壳的散热有对流和辐射，橡胶塞的散热主要是通过辐射，因为橡胶塞的一端安装在线路板上，故橡胶塞位置的对流不考虑。芯包的发热减掉芯包向外壳散热的热量就能够得到芯包本身上的热量，从而可以分析铝电解电容器的寿命和耐纹波电流等性能。
在本发明中，热对流仿真模型包括外壳表面经由对流向外的热对流模型；
热对流模型：Q＝h·S·ΔT；
△T：外壳与外部温度差，
h：外壳热传导系数，
S：外壳表面积，
Q：外壳通过对流散热的热量，
外壳是直径为D的圆柱：
Nu：努塞特数，
Re：雷诺数，
a,b：常数；
3、根据权利要求1所述的铝电解电容器的热仿真方法，其特征在于：所述热辐射仿真模型包括外壳和橡胶塞通过辐射电磁波来向外界释放热能的模型；
热辐射模型：
外壳的辐射热量Q4和橡胶塞的辐射热量Q5；
Q4＝εaσ(Ta 4-Tf 4)Sa+εbσ(Tb 4-Tf 4)Sb
Q5＝ha(Ta-Tf)Sa+hb(Tb-Tf)Sb；
ha＝εaσ(Ta+Tf)·(Ta 2+Tf 2)
hb＝εbσ(Tb+Tf)·(Tb 2+Tf 2)；
Q4：外壳辐射的热量；
Q5：橡胶塞辐射的热量；
ha:外壳热传导系数，
hb:橡胶塞热传导系数，
Sa:铝壳表面积，
Sb:封口胶塞表面积，
Ta：铝壳温度，
Tb：封口胶塞表面温度，
εa：铝壳辐射率，
εb：封口胶塞辐射率，
Tf：外壳周边温度，
σ：史蒂芬·玻尔兹曼系数。
实施例1
在本实施例中，仿真将铝电解电容器放置于105℃环境下，电容与环境之间通过热对流进行能量交换。对流换热系数通过多次实验测试获得，本实施例对对流换热系数进行了区分定义：无风工况对应的是自然对流，对应的对流换热系数为12～18W/(m2K)；有风工况对应的是强制对流换热，对应的对流换热系数为26～34W/(m2K)。
铝电解电容器“芯包”边缘(含“芯包”中心)存在空气域，该位置采用实体建模。对内部空气域建模有两种思路：一种是启用流体流动计算，然后通过共轭传热实现流体流动与传热模型的多物理场耦合，另一种是直接采用等效热传导系数的方式，通过修正热传导系数的方式来表征流体对流传热对结果的影响。前者需要考察流体流动，计算量会更大，因此本实施例中采用了后者来近似处理空气域的热对流。
铝电解电容器芯包的底部与外壳之间宏观上是紧密接触，但理论上二者只是贴合在一起；在本实施例中看做是紧密接触。
在本实施例中，以引线式铝电解电容400V150uF，φ18×40为例；
产品规格400V150uF，18mm*40mm；
橡胶塞厚度5.0mm；
铝壳厚度0.4mm，套管厚度0.3mm；
正极箔/负极箔宽度30mm；
电解纸宽度35mm；
测试环境温度105℃；
设定纹波电流值0.8A/120Hz/105℃；
实际测得漏电流IL为0.1mA,等效串联电阻R为0.25Ω；
热损耗功率(W＝IR 2R+VIL)：
0.8A*0.8A*0.25Ω+400V*0.1mA＝0.2W；
本实施例中，材料参数特性如下：
仿真结果如图1和图2；图1为电容铝壳顶部仿真温度是实际测试温度拟合图，图2为电容器中心、侧壳、顶壳温度随时间的变化曲线图。
本实施例的铝电解电容器的热仿真方法，可以通过仿真实现铝电解电容器热仿真，不需要再人为测试纹波温升，精准有效的解决了铝电解电容器的纹波温升确定的问题。
Claims (3)
1.一种铝电解电容器的热仿真方法，其特征在于：包括以下步骤；
1)建立热源模型；发热功率计算公式：
W＝IR 2R+VIL
W为总功，IR为产品额定纹波电流，R为等效串联电阻，V为额定工作电压，IL为漏电流；
2)基于铝电解电容器结构建立热传递模型，所述热传递模型包括热传导仿真模型、热辐射仿真模型和热对流仿真模型的一种或者多种；
热传导仿真模型包括X方向上的热传导模型和Y方向上的热传导模型；
X方向指的是铝电解电容器的横向方向，Y方向指的是铝电解电容器的纵向方向；
芯包与外壳之间存在间隙，芯包的底部电解纸与外壳接触；故X方向热传导是由芯包通过芯包与外壳之间的间隙传导到外壳；Y方向热传导是由芯包底部的电解纸传导到外壳；
X方向上的热传导模型：
Q1：芯包在X方向上传递的热量，
S1：芯包的侧面积，
λ1：芯包与外壳间隙的热传导率，
T：绝对温度；
Y方向上的热传导模型；
Q2：芯包在Y方向上传递的热量，
S2：为芯包沿Y方向剖开的横截面积，
λ2：芯包底部电解纸的热传导率，
T：绝对温度。
2.根据权利要求1所述的铝电解电容器的热仿真方法，其特征在于：所述热对流仿真模型包括外壳表面经由对流向外的热对流模型；
热对流模型：Q＝h·S·ΔT
△T：外壳与外部温度差，
h：外壳热传导系数，
S：外壳表面积，
Q：外壳通过对流散热的热量；
外壳是直径为D的圆柱：
Nu：努塞特数，
Re：雷诺数，
a,b：常数。
3.根据权利要求1所述的铝电解电容器的热仿真方法，其特征在于：所述热辐射仿真模型包括外壳和橡胶塞通过辐射电磁波来向外界释放热能的模型；
热辐射模型：
外壳的辐射热量Q4和橡胶塞的辐射热量Q5；
Q4＝εaσ(Ta 4-Tf 4)Sa+εbσ(Tb 4-Tf 4)Sb
Q5＝ha(Ta-Tf)Sa+hb(Tb-Tf)Sb
ha＝εaσ(Ta+Tf)·(Ta 2+Tf 2)
hb＝εbσ(Tb+Tf)·(Tb 2+Tf 2)
ha:外壳热传导系数，
hb:橡胶塞热传导系数，
Sa:铝壳表面积，
Sb:封口胶塞表面积，
Ta：铝壳温度，
Tb：封口胶塞表面温度，
εa：铝壳辐射率，
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Tf：周边温度，
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| CN202311865915.4A CN117910236A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种铝电解电容器的热仿真方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118362818A (zh) * | 2024-06-20 | 2024-07-19 | 山东德佑电气股份有限公司 | 一种基于热能传递的电容器容值衰减评估方法 |
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- 2023-12-29 CN CN202311865915.4A patent/CN117910236A/zh active Pending
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| CN118362818A (zh) * | 2024-06-20 | 2024-07-19 | 山东德佑电气股份有限公司 | 一种基于热能传递的电容器容值衰减评估方法 |
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