船用放電裝置設(shè)計(jì)方法

任曉平，何 必，段續(xù)皇

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船用放電裝置不同于一般的民用放電裝置，船用放電裝置需滿足國(guó)軍標(biāo)的諸多嚴(yán)苛指標(biāo)，這些指標(biāo)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度加大；同時(shí)，部分試驗(yàn)指標(biāo)之間存在相互約束的關(guān)系，這進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)難度。經(jīng)過(guò)理論分析和樣機(jī)驗(yàn)證，筆者認(rèn)為放電裝置的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何平衡其電磁兼容設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。

放電裝置在將蓄電池電能轉(zhuǎn)換為放電電阻熱能時(shí)，將產(chǎn)生高能量密度的熱能；能否將這些熱量帶出系統(tǒng)，直接影響著放電裝置內(nèi)部元器件的壽命。有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)曾對(duì)電子產(chǎn)品失效原因做過(guò)統(tǒng)計(jì)，溫度過(guò)高導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效這一因素占所有故障原因的55%[1]，電子元器件的故障平均時(shí)間（MTBF）隨溫度倒數(shù)呈指數(shù)增加[2]；但電磁兼容設(shè)計(jì)原則與熱設(shè)計(jì)原則之間相互對(duì)立。電磁兼容的設(shè)計(jì)原則是盡量減少設(shè)備外殼開(kāi)孔，降低電磁泄露，而提高開(kāi)孔率卻十分有利于散熱。如果在不提高開(kāi)孔率的情況下，為解決放電裝置的散熱要求，只能通過(guò)提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來(lái)加快換熱效率，但風(fēng)量大的風(fēng)機(jī)往往意味著更大的噪聲，噪聲超標(biāo)也不能符合船用放電裝置的指標(biāo)要求。

本文介紹了一種放電裝置的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)放電裝置的特性，將放電裝置的Buck電路和放電電阻部分進(jìn)行單獨(dú)的電磁兼容設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，并總結(jié)出了放電裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和解決思路。

1 放電裝置設(shè)計(jì)分析

1.1 放電裝置特性分析

如表1所示，為某型船用放電裝置部分的設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)。

表1 放電裝置部分的設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖1為該放電裝置的原理圖，裝置分為2部分：一部分是控制部分（Buck電路）；另一部分是放電電阻部分?？刂撇糠痔攸c(diǎn)是熱耗相對(duì)較低（約300 W），但有高頻元器件、磁性元件等，因此控制部分是電磁泄露的主要來(lái)源，也是電磁敏感元器件所在部位；同時(shí)，控制部分Buck電路上的很多電子元器件的耐熱性能相對(duì)較低。放電電阻部分的特點(diǎn)是熱耗高（2 880 W），約為控制部分熱耗的10倍。放電電阻本身不產(chǎn)生電磁干擾且非敏感元器件，但會(huì)有干擾能量沿著線纜傳導(dǎo)耦合到電阻上。本文放電電阻采用鎳鉻不銹鋼合金材質(zhì)的疊片電阻，電阻可以長(zhǎng)期工作在500 ℃。

圖1 放電裝置原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

放電裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)上述放電裝置的特點(diǎn)，將整個(gè)柜體結(jié)構(gòu)分為2部分艙室進(jìn)行設(shè)計(jì)：上部分為控制艙；下部分為電阻艙；中間采用1整塊SUS304不銹鋼板將上下2部分隔開(kāi)。上下艙室接觸部分、門(mén)板與中間不銹鋼板接觸部位全不噴漆并粘貼導(dǎo)電屏蔽材料，從而保證導(dǎo)電的連續(xù)性。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)將上下分為2個(gè)獨(dú)立的艙室，上部分熱耗低電磁兼容難度高，因此可盡量減少開(kāi)孔面積。下部分熱耗高，電阻本身不是干擾源；為提高電阻的散熱性能，應(yīng)盡量提高開(kāi)孔率，并合理設(shè)計(jì)電阻的形狀，這樣可以避免電阻產(chǎn)生的高熱量對(duì)控制部分電子元器件的影響。電阻艙的線纜通過(guò)安裝在不銹鋼板上的屏蔽金屬填料函進(jìn)出。

圖2 放電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

接地、濾波、屏蔽為抑制電磁干擾的3大技術(shù)[3]。電磁干擾的傳播途徑為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。首先放電裝置應(yīng)保證可靠接地，因此在設(shè)備上設(shè)有多處接地銅螺柱。

如圖2所示，放電裝置通過(guò)頂部2個(gè)航插分別接接蓄電池和AC 220 V電源，為抑制傳導(dǎo)耦合，線纜進(jìn)入設(shè)備后分別緊接濾波器。進(jìn)入電阻艙室的有2路線纜，放電電阻從Buck電路上接線，交流風(fēng)機(jī)從AC 220 V接線。從Buck電路上過(guò)來(lái)的線纜存在高頻干擾能量，線纜進(jìn)入電阻艙時(shí)應(yīng)接濾波器進(jìn)行濾波。根據(jù)濾波器的安裝原則，本文中的濾波器都做了如下處理：

1）濾波器殼體接地。

2）最大程度的減少未濾波的電源線在設(shè)備殼體內(nèi)迂回[4]，如Buck電路與放電電阻之間設(shè)置的濾波器，其未經(jīng)濾波線纜完全不進(jìn)入電阻艙，濾完的線纜全部都在電阻艙內(nèi)。

3）濾波器輸入輸出不交叉。

4）濾波器輸入、輸出端都采用屏蔽線纜，屏蔽層接地。

為抑制輻射耦合，放電裝置外殼材質(zhì)為Q235結(jié)構(gòu)鋼。在柜體門(mén)板等需保證導(dǎo)電連續(xù)部位采用SUS304不銹鋼焊接在Q235鋼上，并不做噴涂處理，確保裝配連接處能夠?qū)崿F(xiàn)電連續(xù)。Q235不僅有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能，且有很大的經(jīng)濟(jì)性，十分適合作為電子產(chǎn)品的屏蔽外殼?？刂撇糠执嬖谳^多高屏干擾源，因此控制艙的通風(fēng)孔采用屏蔽效能較高的圓孔，并通過(guò)減小孔徑、增加孔數(shù)來(lái)達(dá)到需要的通風(fēng)面積。為提高電阻散熱效率，電阻艙采用六角蜂窩孔，單個(gè)蜂窩孔面積是控制艙圓孔面積的1.44倍。在控制艙的屏幕處加裝導(dǎo)電膜，避免屏幕處的電磁泄露。

1.4 放電電阻熱設(shè)計(jì)

放電裝置的控制部分熱耗低，散熱難度低，因此放電電阻的散熱才是關(guān)鍵所在。放電裝置控電阻艙的體積功率密度約為43 636.4 W/m3，電阻本身可承受500 ℃的高溫，電阻允許溫升較高，放電電阻可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，風(fēng)道設(shè)計(jì)為前進(jìn)后出。對(duì)放電電阻的散熱影響主要因素有：風(fēng)機(jī)規(guī)格、開(kāi)孔率、電阻自身特性和形狀等。

根據(jù)能量的交換可得以下基本的熱轉(zhuǎn)換公式[5]

式中：P為熱耗；C為空氣比熱；m為流動(dòng)空氣質(zhì)量；ΔT為允許溫升；Q為流動(dòng)空氣體積；ρ為空氣密度。

將轉(zhuǎn)換因子代入因子后可得：

本文電阻的熱耗為2 880 W，電阻本身的散熱方式以強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱為主，可忽略輻射和傳導(dǎo)。在40 ℃最高環(huán)境溫度下機(jī)殼表面不能超過(guò)60 ℃，因此ΔT為20 ℃。由此可得：Q＝432 m3/h。

電阻艙室內(nèi)只有電阻本身，系統(tǒng)的特點(diǎn)是阻力小且需風(fēng)量大，因此選擇軸流風(fēng)機(jī)散熱，根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)特點(diǎn)，最佳工作點(diǎn)應(yīng)在P-Q曲線的后1/3處，故風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)風(fēng)量為最大風(fēng)量乘以一定的折損系數(shù)，最佳折損系數(shù)約為2/3，計(jì)算可得風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量約為648 m3/h在最大風(fēng)量計(jì)算過(guò)程中，默認(rèn)熱源均勻分布，實(shí)際上被風(fēng)機(jī)帶出的空氣很難保證熱量均勻，為保證機(jī)殼任意點(diǎn)位置的溫升均不超過(guò)20 ℃，理論計(jì)算得出風(fēng)機(jī)風(fēng)量需乘以一定的安全系數(shù)。本案例對(duì)機(jī)殼溫升要求嚴(yán)苛，因此需乘以安全系數(shù)（1.2～3.0），安全系數(shù)為2時(shí)，需要風(fēng)機(jī)提供約1 296 m3/h的風(fēng)量。

風(fēng)機(jī)是放電裝置的主要噪聲來(lái)源，其他元器件產(chǎn)生的噪聲幾乎可忽略不計(jì)。在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，需兼顧風(fēng)機(jī)的噪聲值。本文所述放電裝置最終設(shè)計(jì)選擇了1臺(tái)舍利弗CF.20572HB-A2風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的P-Q曲線如圖3所示，其噪聲為63 dB(A)。同上述設(shè)計(jì)思路，控制艙的風(fēng)機(jī)選擇了2 臺(tái)CR.9225H24風(fēng)機(jī)，單個(gè)風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為163.2 m3/h，噪聲值為52.8 dB(A)。

圖3 CF.20572HB-A2 風(fēng)機(jī)P-Q 曲線

系統(tǒng)的總噪聲計(jì)算

式中：Ls為總的噪聲指標(biāo)，將3個(gè)風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)代入式（4）后得Ls＝63.39 dB(A)。在無(wú)需任何降噪措施的情況下，設(shè)備已經(jīng)滿足噪聲指標(biāo)要求。

為最大程度地提高電阻的散熱性能，相比于控制艙室，電阻艙室需要更大的通風(fēng)面積。因此，在進(jìn)出風(fēng)的孔為：柜體上前后沖壓對(duì)邊為4 mm、開(kāi)孔率為0.64的六角蜂窩孔，前后出風(fēng)有效面積各40 045 mm2。而控制艙室的散熱難度較低，沖壓孔徑為3.5 mm的圓孔，開(kāi)孔率為0.44，前后出風(fēng)有效面積各12 228 mm2。

電阻本身的特點(diǎn)對(duì)散熱影響也是十分顯著的。本文選擇的疊片電阻，疊片電阻優(yōu)點(diǎn)在于耐熱高，散熱面積大，設(shè)計(jì)阻值簡(jiǎn)易。

2 仿真及試驗(yàn)

2.1 放電電阻熱仿真及分析

電阻散熱仿真基于ANSYS ICEPAK，該軟件可直接調(diào)用對(duì)象并設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)[6]。圖4為放電電阻簡(jiǎn)化后熱仿真模型。用Cabinet模擬電阻艙的尺寸，Block模擬疊片電阻的電阻片，Grill模擬進(jìn)出風(fēng)孔和百葉窗，開(kāi)孔率設(shè)置為0.64，并用Plate模擬安裝風(fēng)扇的導(dǎo)風(fēng)罩。調(diào)用3D的Fan模擬軸流風(fēng)機(jī)，并輸入風(fēng)扇尺寸和P-Q參數(shù)。環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃，并設(shè)置Fan和其中1片電阻片為監(jiān)控點(diǎn)，觀察計(jì)算的收斂性。

圖4 放電裝置熱仿真模型

圖5為放電電阻實(shí)物圖。圖5(a)為放電電阻優(yōu)化前實(shí)物，圖5(b)為放電電阻優(yōu)化后實(shí)物。放電裝置優(yōu)化前，在樣機(jī)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：電阻溫升滿足使用要求，但機(jī)箱表面最高點(diǎn)溫升在40 ℃工況下，機(jī)箱表面溫度為82.5 ℃（超過(guò)60.0 ℃），不符合指標(biāo)要求。故對(duì)優(yōu)化前放電電阻的散熱失敗原因進(jìn)行分析，并指導(dǎo)了放電電阻的優(yōu)化。

圖5 放電電阻實(shí)物圖

如圖6和圖7所示，分別為機(jī)箱表面溫度云圖和放電電阻溫度云圖。由圖6(a)、圖7(a)可知：優(yōu)化前，機(jī)箱表面最高點(diǎn)溫度為76.85 ℃，放電電阻的最高溫度為340.30 ℃；機(jī)箱表面仿真溫度76.85 ℃與實(shí)際82.50 ℃間的誤差值為6.8%，從而可知仿真模型建立比較正確，仿真結(jié)果具有很高的可信度。圖8為放電裝置粒子跡線圖。由圖8(a)可知，優(yōu)化前電阻艙的部分氣流短路并未參與放電電阻的換熱。

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)放電裝置實(shí)施優(yōu)化措施如下：

1）增加電阻片數(shù)量，加大散熱面積。

2）合理設(shè)計(jì)放電電阻尺寸，使其盡量占滿通風(fēng)路徑，減少氣流短路，避免放電電阻部分處于無(wú)氣流流通區(qū)域。

3）選用更大風(fēng)量風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)型號(hào)由舍利弗CF.20060HB-A2改為CF.20572HB-A2。

如圖6(b)仿真結(jié)果所示：優(yōu)化后的機(jī)箱表面最高點(diǎn)溫度下降到55.4 ℃，降幅27.9%。如圖7(b)所示，電阻仿真溫度下降到208.69 ℃，降幅38.7%。圖8(b)顯示優(yōu)化后進(jìn)風(fēng)口空氣充分參與了放電電阻的換熱。

圖6 機(jī)箱表面溫度云圖

圖7 放電電阻溫度云圖

圖8 放電裝置粒子跡線圖

表2為放電電阻優(yōu)化前后電阻的相關(guān)參數(shù)和仿真結(jié)果。

表2 放電電阻參數(shù)和仿真結(jié)果

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖9為放電裝置的試驗(yàn)樣機(jī)溫升測(cè)試。機(jī)箱表面的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在機(jī)殼百葉窗位置，采用FLUKE熱成像儀檢測(cè)試驗(yàn)溫度。為提高檢測(cè)的精確度，在百葉窗處粘貼黑色的耐高溫膠帶，提高百葉窗處的反射率。圖9中，恒溫箱環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃以下，檢測(cè)百葉窗最高點(diǎn)溫度為58.7 ℃。優(yōu)化后的仿真誤差值η＝5.6%。

圖9 放電裝置樣機(jī)溫升測(cè)試

放電裝置優(yōu)化前后，機(jī)殼的實(shí)際最高點(diǎn)溫度下降23.8 ℃，實(shí)際降幅達(dá)28.8%，優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案大大改善了放電電阻散熱性能。仿真結(jié)果降幅與實(shí)際降幅吻合度高。

如圖10所示為設(shè)備RE101、RE102的測(cè)試結(jié)果，設(shè)備相應(yīng)電磁兼容指標(biāo)均滿足要求。

圖10 RE101、RE102 測(cè)試結(jié)果

表3為放電裝置空氣噪聲測(cè)試結(jié)果，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)5分別布置在距離設(shè)備前、后、左、右、上表面各1 m處，試驗(yàn)結(jié)果證明：設(shè)備噪聲指標(biāo)滿足要求。

表3 放電裝置空氣噪聲測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出船用放電裝置設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于平衡其電磁兼容設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，將放電裝置控制部分和放電電阻在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行隔離，從而單獨(dú)對(duì)2部分分別進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文關(guān)于放電裝置的設(shè)計(jì)方法是正確的，并得出如下設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：

1）控制部分與放電電阻一體式的放電裝置。因?qū)⒎烹婋娮鑶为?dú)放在一個(gè)隔艙內(nèi)，這樣既避免了放電電阻和控制部分之間的熱影響，又阻止了兩者之間的電磁互相干擾。從而可以對(duì)2部分進(jìn)行單獨(dú)的電磁設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)；對(duì)于放電功率更大的放電裝置，可將控制部分和放電電阻分別放在2個(gè)柜體中。

2）最大限度地減少?gòu)目刂撇糠诌M(jìn)入電阻艙室的線纜，從控制艙進(jìn)入電阻艙線纜都應(yīng)確保已經(jīng)過(guò)濾波處理，避免從控制艙帶來(lái)傳導(dǎo)耦合。

3）合理設(shè)計(jì)疊片電阻形狀和尺寸、電阻片數(shù)量以及電阻安裝位置，有效改善電阻和系統(tǒng)散熱。