船用放电装置设计方法

2021-07-09任晓平段续皇

机电设备 2021年3期

任晓平，何必，段续皇

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

船用放电装置不同于一般的民用放电装置，船用放电装置需满足国军标的诸多严苛指标，这些指标使产品的设计难度加大；同时，部分试验指标之间存在相互约束的关系，这进一步增加了设计难度。经过理论分析和样机验证，笔者认为放电装置的主要设计难点在于如何平衡其电磁兼容设计和热设计。

放电装置在将蓄电池电能转换为放电电阻热能时，将产生高能量密度的热能；能否将这些热量带出系统，直接影响着放电装置内部元器件的寿命。有关权威机构曾对电子产品失效原因做过统计，温度过高导致电子产品失效这一因素占所有故障原因的55%[1]，电子元器件的故障平均时间（MTBF）随温度倒数呈指数增加[2]；但电磁兼容设计原则与热设计原则之间相互对立。电磁兼容的设计原则是尽量减少设备外壳开孔，降低电磁泄露，而提高开孔率却十分有利于散热。如果在不提高开孔率的情况下，为解决放电装置的散热要求，只能通过提高风机的风量来加快换热效率，但风量大的风机往往意味着更大的噪声，噪声超标也不能符合船用放电装置的指标要求。

本文介绍了一种放电装置的设计方法。根据放电装置的特性，将放电装置的Buck电路和放电电阻部分进行单独的电磁兼容设计和热设计，并总结出了放电装置的设计要点和解决思路。

1 放电装置设计分析

1.1 放电装置特性分析

如表1所示，为某型船用放电装置部分的设计参数和指标。

表1 放电装置部分的设计指标

图1为该放电装置的原理图，装置分为2部分：一部分是控制部分（Buck电路）；另一部分是放电电阻部分。控制部分特点是热耗相对较低（约300 W），但有高频元器件、磁性元件等，因此控制部分是电磁泄露的主要来源，也是电磁敏感元器件所在部位；同时，控制部分Buck电路上的很多电子元器件的耐热性能相对较低。放电电阻部分的特点是热耗高（2 880 W），约为控制部分热耗的10倍。放电电阻本身不产生电磁干扰且非敏感元器件，但会有干扰能量沿着线缆传导耦合到电阻上。本文放电电阻采用镍铬不锈钢合金材质的叠片电阻，电阻可以长期工作在500 ℃。

图1 放电装置原理图

1.2 结构设计

放电装置结构如图2所示。根据上述放电装置的特点，将整个柜体结构分为2部分舱室进行设计：上部分为控制舱；下部分为电阻舱；中间采用1整块SUS304不锈钢板将上下2部分隔开。上下舱室接触部分、门板与中间不锈钢板接触部位全不喷漆并粘贴导电屏蔽材料，从而保证导电的连续性。通过这样的设计将上下分为2个独立的舱室，上部分热耗低电磁兼容难度高，因此可尽量减少开孔面积。下部分热耗高，电阻本身不是干扰源；为提高电阻的散热性能，应尽量提高开孔率，并合理设计电阻的形状，这样可以避免电阻产生的高热量对控制部分电子元器件的影响。电阻舱的线缆通过安装在不锈钢板上的屏蔽金属填料函进出。

图2 放电装置结构示意图

1.3 电磁兼容设计

接地、滤波、屏蔽为抑制电磁干扰的3大技术[3]。电磁干扰的传播途径为传导耦合和辐射耦合。首先放电装置应保证可靠接地，因此在设备上设有多处接地铜螺柱。

如图2所示，放电装置通过顶部2个航插分别接接蓄电池和AC 220 V电源，为抑制传导耦合，线缆进入设备后分别紧接滤波器。进入电阻舱室的有2路线缆，放电电阻从Buck电路上接线，交流风机从AC 220 V接线。从Buck电路上过来的线缆存在高频干扰能量，线缆进入电阻舱时应接滤波器进行滤波。根据滤波器的安装原则，本文中的滤波器都做了如下处理：

1）滤波器壳体接地。

2）最大程度的减少未滤波的电源线在设备壳体内迂回[4]，如Buck电路与放电电阻之间设置的滤波器，其未经滤波线缆完全不进入电阻舱，滤完的线缆全部都在电阻舱内。

3）滤波器输入输出不交叉。

4）滤波器输入、输出端都采用屏蔽线缆，屏蔽层接地。

为抑制辐射耦合，放电装置外壳材质为Q235结构钢。在柜体门板等需保证导电连续部位采用SUS304不锈钢焊接在Q235钢上，并不做喷涂处理，确保装配连接处能够实现电连续。Q235不仅有优良的导电和导磁性能，且有很大的经济性，十分适合作为电子产品的屏蔽外壳。控制部分存在较多高屏干扰源，因此控制舱的通风孔采用屏蔽效能较高的圆孔，并通过减小孔径、增加孔数来达到需要的通风面积。为提高电阻散热效率，电阻舱采用六角蜂窝孔，单个蜂窝孔面积是控制舱圆孔面积的1.44倍。在控制舱的屏幕处加装导电膜，避免屏幕处的电磁泄露。

1.4 放电电阻热设计

放电装置的控制部分热耗低，散热难度低，因此放电电阻的散热才是关键所在。放电装置控电阻舱的体积功率密度约为43 636.4 W/m3，电阻本身可承受500 ℃的高温，电阻允许温升较高，放电电阻可采用强迫风冷散热，风道设计为前进后出。对放电电阻的散热影响主要因素有：风机规格、开孔率、电阻自身特性和形状等。

根据能量的交换可得以下基本的热转换公式[5]

式中：P为热耗；C为空气比热；m为流动空气质量；ΔT为允许温升；Q为流动空气体积；ρ为空气密度。

将转换因子代入因子后可得：

本文电阻的热耗为2 880 W，电阻本身的散热方式以强迫风冷散热为主，可忽略辐射和传导。在40 ℃最高环境温度下机壳表面不能超过60 ℃，因此ΔT为20 ℃。由此可得：Q＝432 m3/h。

电阻舱室内只有电阻本身，系统的特点是阻力小且需风量大，因此选择轴流风机散热，根据轴流风机特点，最佳工作点应在P-Q曲线的后1/3处，故风机实际工作点风量为最大风量乘以一定的折损系数，最佳折损系数约为2/3，计算可得风机最大风量约为648 m3/h在最大风量计算过程中，默认热源均匀分布，实际上被风机带出的空气很难保证热量均匀，为保证机壳任意点位置的温升均不超过20 ℃，理论计算得出风机风量需乘以一定的安全系数。本案例对机壳温升要求严苛，因此需乘以安全系数（1.2～3.0），安全系数为2时，需要风机提供约1 296 m3/h的风量。

风机是放电装置的主要噪声来源，其他元器件产生的噪声几乎可忽略不计。在选择风机时，需兼顾风机的噪声值。本文所述放电装置最终设计选择了1台舍利弗CF.20572HB-A2风机，该风机的P-Q曲线如图3所示，其噪声为63 dB(A)。同上述设计思路，控制舱的风机选择了2 台CR.9225H24风机，单个风机最大风量为163.2 m3/h，噪声值为52.8 dB(A)。

图3 CF.20572HB-A2 风机P-Q 曲线

系统的总噪声计算

式中：Ls为总的噪声指标，将3个风机的数据代入式（4）后得Ls＝63.39 dB(A)。在无需任何降噪措施的情况下，设备已经满足噪声指标要求。

为最大程度地提高电阻的散热性能，相比于控制舱室，电阻舱室需要更大的通风面积。因此，在进出风的孔为：柜体上前后冲压对边为4 mm、开孔率为0.64的六角蜂窝孔，前后出风有效面积各40 045 mm2。而控制舱室的散热难度较低，冲压孔径为3.5 mm的圆孔，开孔率为0.44，前后出风有效面积各12 228 mm2。

电阻本身的特点对散热影响也是十分显著的。本文选择的叠片电阻，叠片电阻优点在于耐热高，散热面积大，设计阻值简易。

2 仿真及试验

2.1 放电电阻热仿真及分析

电阻散热仿真基于ANSYS ICEPAK，该软件可直接调用对象并设置对应参数[6]。图4为放电电阻简化后热仿真模型。用Cabinet模拟电阻舱的尺寸，Block模拟叠片电阻的电阻片，Grill模拟进出风孔和百叶窗，开孔率设置为0.64，并用Plate模拟安装风扇的导风罩。调用3D的Fan模拟轴流风机，并输入风扇尺寸和P-Q参数。环境温度设置为40 ℃，并设置Fan和其中1片电阻片为监控点，观察计算的收敛性。

图4 放电装置热仿真模型

图5为放电电阻实物图。图5(a)为放电电阻优化前实物，图5(b)为放电电阻优化后实物。放电装置优化前，在样机试验中发现：电阻温升满足使用要求，但机箱表面最高点温升在40 ℃工况下，机箱表面温度为82.5 ℃（超过60.0 ℃），不符合指标要求。故对优化前放电电阻的散热失败原因进行分析，并指导了放电电阻的优化。

图5 放电电阻实物图

如图6和图7所示，分别为机箱表面温度云图和放电电阻温度云图。由图6(a)、图7(a)可知：优化前，机箱表面最高点温度为76.85 ℃，放电电阻的最高温度为340.30 ℃；机箱表面仿真温度76.85 ℃与实际82.50 ℃间的误差值为6.8%，从而可知仿真模型建立比较正确，仿真结果具有很高的可信度。图8为放电装置粒子迹线图。由图8(a)可知，优化前电阻舱的部分气流短路并未参与放电电阻的换热。

根据仿真结果对放电装置实施优化措施如下：

1）增加电阻片数量，加大散热面积。

2）合理设计放电电阻尺寸，使其尽量占满通风路径，减少气流短路，避免放电电阻部分处于无气流流通区域。

3）选用更大风量风机，将风机型号由舍利弗CF.20060HB-A2改为CF.20572HB-A2。

如图6(b)仿真结果所示：优化后的机箱表面最高点温度下降到55.4 ℃，降幅27.9%。如图7(b)所示，电阻仿真温度下降到208.69 ℃，降幅38.7%。图8(b)显示优化后进风口空气充分参与了放电电阻的换热。