Simulação térmica e otimização estrutural de capacitores de filme metalizado - Pesquisa de aplicação em sistemas de energia de veículos de nova energia

 

Com o rápido desenvolvimento de novos veículos e sistemas de armazenamento de energia, os capacitores de filme Link DC-de alto desempenho se tornaram um componente essencial indispensável em sistemas de acionamento elétrico. Eles são amplamente utilizados em filtragem CC, acionamentos de motores e inversores, substituindo os capacitores eletrolíticos tradicionais e demonstrando desempenho superior em ambientes de alta-tensão e alta{4}}frequência.

 

Em veículos elétricos e sistemas híbridos, os capacitores, juntamente com componentes como barramento de bateria, barramento de bateria EV, barramento de energia e conector de barramento, formam um sistema completo de transmissão e armazenamento de energia. Em sistemas de barramento, a estrutura e o desempenho de dissipação de calor do barramento do capacitor e do barramento para capacitores de potência impactam diretamente a estabilidade térmica e a segurança de todo o módulo do inversor.

 

Este artigo examina capacitores de filme metalizado para veículos de novas energias. Com base na modelagem de simulação térmica e medições de campo, este artigo explora as características de aumento de temperatura e métodos de projeto otimizados de capacitores sob alta ondulação de corrente e ambientes de alta temperatura.

 

Esta pesquisa fornece uma base teórica para o projeto coordenado de dissipação de calor de capacitores, barramentos de capacitores CC e barramentos de capacitores laminados.

 

 

 

Em sistemas de acionamento elétrico, o barramento automotivo transporta altas correntes e suas perdas condutivas e condutividade térmica impactam diretamente a eficiência geral do capacitor e do inversor. Correntes onduladas de alta-frequência aquecem tanto o núcleo quanto o barramento. Quando as temperaturas excedem o limite de projeto, existe o risco de abaulamento, quebra ou mesmo ruptura.

 

Portanto, dentro de um pacote compacto, o projeto racional do caminho interno de condução de calor do capacitor e da estrutura do barramento (como o barramento para capacitores de filme de barramento) é crucial para melhorar a confiabilidade do sistema. A tecnologia de simulação térmica é uma ferramenta fundamental para alcançar essa otimização.

 

 

Construção e premissas do modelo

Ao construir o modelo de simulação térmica do capacitor, o capacitor é considerado como um sistema completo que consiste em núcleo, barramento, camada de isolamento, composto de encapsulamento epóxi e revestimento. Considerando o acoplamento térmico entre o barramento do capacitor e o núcleo do capacitor, o modelo assume o seguinte:

 

O núcleo e o barramento são as principais fontes de calor, com distribuição uniforme de calor.

O epóxi preenche a cavidade, ignorando a convecção interna e a transferência de calor por radiação.

O invólucro e o ar circundante dissipam o calor por convecção natural, com uma temperatura limite do ar de 85 graus.

Durante o processo de modelagem, a estrutura 3D foi criada no SolidWorks e importada para o software de simulação térmica utilizando o formato Parasolid para geração de malhas. O número total de malhas foi de aproximadamente 2,1 milhões para garantir a precisão da análise.

 

Fontes de calor e condições limite

Duas fontes de calor foram consideradas na simulação:

Aquecimento do núcleo devido à corrente de ondulação.

Aquecimento resistivo devido à corrente que passa pelo barramento de laminação do capacitor.

Sob-condições nominais, com uma corrente de ondulação de 160 A, a geração de calor central é calculada em 1,10 W e a geração de calor no barramento é de aproximadamente 2,1 W.

 

Definição de propriedade de material

Com base na estrutura enrolada do filme metalizado do núcleo do capacitor, diferentes valores de condutividade térmica são definidos ao longo das direções radial e axial para refletir as verdadeiras propriedades anisotrópicas. O barramento é feito de cobre ou alumínio altamente condutor, cuja condutividade térmica corresponde ao design do barramento de potência, garantindo rápida transferência de calor para o canal de dissipação de calor ou para fora da camada de isolamento do barramento.

 

Resultados do cálculo

Os resultados da simulação mostram que sob uma temperatura ambiente de 85 graus e uma corrente de ondulação de 160A, a temperatura do ponto mais quente do capacitor atinge 109,2 graus. O aumento de temperatura está concentrado na área de contato entre o núcleo e o conector do barramento, indicando que o acoplamento térmico na conexão do capacitor-do barramento é um fator chave que afeta a distribuição geral da temperatura.

 

 

 

Para verificar a confiabilidade dos resultados da simulação, foram realizados testes térmicos em amostras reais. Sensores de temperatura foram incorporados em locais-chave dentro do corpo do capacitor para registrar a distribuição-de temperatura em estado estacionário do capacitor sob uma temperatura ambiente de 85 graus e uma corrente de ondulação de 160A. Os resultados experimentais concordaram bem com os dados de simulação, com desvio máximo não superior a 3 graus, demonstrando a alta precisão do modelo.

 

As medições também mostraram que o aumento geral da temperatura do capacitor diminuiu em aproximadamente 5% ao usar um barramento de laminação de capacitor e um barramento para capacitores de potência, ambos oferecendo melhor condutividade térmica, melhorando efetivamente o equilíbrio térmico.

 

 

Otimização do Caminho Térmico

A adição de uma camada dielétrica de alta condutividade-térmica-na interface entre o capacitor e o barramento do capacitor CC reduz a resistência térmica do contato e reduz significativamente os pontos quentes.

 

Integração Estrutural

A integração do capacitor com o barramento da bateria e o conector do barramento ajuda a reduzir a indutância do circuito de corrente e a melhorar a eficiência da dissipação de calor.

 

Solução de resfriamento externo

A simulação de fluxo de todo o sistema de barramento determina ainda mais o layout ideal do resfriamento externo por ar ou líquido, garantindo-operação estável do sistema a longo prazo.
 

 

O estudo comparativo de simulação térmica e medições de campo mostra que:

 

A geração de calor em capacitores de filme de link-CC concentra-se principalmente na interface entre o núcleo e o barramento.

O modelo prevê com precisão a distribuição do aumento de temperatura, orientando a otimização coordenada da estrutura do capacitor e do barramento do capacitor.

O uso de uma estrutura de barramento de alta condutividade-térmica- (como o barramento para capacitores de filme de barramento) pode reduzir efetivamente as temperaturas de ponto de acesso do capacitor e prolongar a vida útil.

 

No projeto de alta-densidade-de energia dos futuros novos veículos de energia e dispositivos de armazenamento de energia, o projeto térmico coordenado do barramento da bateria EV, do barramento de energia e do barramento do capacitor será uma abordagem fundamental para melhorar a eficiência e a segurança do sistema. A combinação de simulação-primeiro, otimização estrutural e verificação de sistema pode promover o desenvolvimento da fabricação inteligente integrada de barramentos automotivos e componentes de capacitores, trazendo maior competitividade tecnológica para a indústria de eletrônica de potência.