基于有限元的高压线束温升特性仿真研究.pdf
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1、设计研究/Designresearch36-AutoelectricpartsNo.09,2023基于有限元的高压线束温升特性仿真研究韩见强,范利海,陈伟,谷庆(中航光电科技股份有限公司,河南洛阳47 10 0 3)【摘要】为实现对高压线束温升特性的有限元分析,建立高压线束温升仿真等效模型并对相关仿真参数进行计算。分别在2 5和45工况下对高压线束进行温升特性仿真,并选取不同的测试点位与试验结果进行对比验证,误差约为1.2,证明基于有限元方法分析高压线束温升特性的准确性和可行性。使用有限元分析法代替试验法研究高压线束的温升特性,对加快高压线束的开发和提升其安全性具有重要意义。【关键词】FloE
2、FD;高压线束;温升;有限元;仿真中图分类号:U463.62文献标志码:A文章编号:10 0 3-8 6 39(2 0 2 3)0 9-0 0 36-0 4Simulation Research on Temperature Rise Characteristics of High Voltage Harness Based on Finite ElementHAN Jianqiang,FAN Lihai,CHENWei,GU Qing(AVIC Jonhon Optronic Technology Co.,Ltd.,Luoyang 471003,China)【A b s t r a c t)
3、In o r d e r t o a n a l y z e t h e t e mp e r a t u r e r i s e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h v o l t a g e h a r n e s s b y f i n i t e e l e me n tmethod,the equivalent model of high voltage harness for temperature rise simulation was established and the relevantsimulation parameter
4、s were calculated.By comparing the simulation results with the actual test results of differentpoints of harness,the accuracy and feasibility of the temperature rise simulation of high voltage harness based onfinite elementmethod are approved.The finite element method was used instead of the test me
5、thod to study thetemperature rise characteristics of high voltage harness,which has great significance for speeding up the developmentof high voltage harness and improving its safety.Key words FloEFD;high voltage harness;temperature rise;finite element;simulation作者简介高压线束是新能源汽车的重要组成部分,主要承担功率传输和信号传输的任
6、务,对新能源汽车电路系统的平稳运行至关重要。当高压线束通流时,会因连接器端子接触电阻、端子导线压接电阻以及导线金属导体电阻等多种电阻的存在而产生热量,从而使高压线束快速升温。高温可能会导致连接器端子的烧蚀或绝缘材料的软化,进而降低高压线束的绝缘性能,导致电击穿或引发短路等严重后果2-3。根据GB/T37133规定,高压连接系统工作时各点最大温升不允许超过55K4。因此,在高压线束方案设计阶段,通过对高压线束进行温升特性仿真分析,并采取相应的优化措施来降低高压线束的最大温升,对于防止高压线束因温升过高而造成的损害有着重要的意义5。1高压线束温升特性研究现状目前线束行业对高压线束温升特性的主要研究
7、方法为试验法,即通过温升试验来验证高压线束在温升特性方面的设计是否合理有效6。通常,可靠的温升试验需要耗费时间和财力进行验证,如试验中发现问题,则需通过反复的温升试验来验证优化方案,耗费时间较长,极易导致项目收稿日期:2 0 2 3-0 2-14进度延缓。如果能有效运用有限元方法对高压线束温升特韩见强(198 3一),男,高级工程师,主要从事新能性进行仿真分析,并根据仿真结果优化设计方案,将有助源汽车连接器及高压线束的设计研究。于高压线束温升安全性能的提升,有利于加快项目的推进。因有限元分析法在高压线束温升特性仿真分析方面存在一定的困难性和复杂性,目前行业内使用有限元方法对高压线束进行温升特性
8、仿真分析的研究较少。而其困难性和复杂性主要体现在等效仿真模型的建立和合理的仿真参数设置等方面。本文结合高压线束实例,研究建立高压线束等效仿真模型的要点及关键仿真参数的计算,并使用有限元方法对高压线束进行温升特性仿真分析,与试验测试结果进行对比验证。2仿真模型建立与参数计算本文以某车型压缩机高压线束为例进行温升特性仿真分析,该线束两端使用2 个相同的高压连接器(键位不同),两端连接器之间使用2.5mm屏蔽导线连接,如图1所示。2.1仿真等效模型的优化设计为了能有效地对高压线束进行温升特性仿真分析,对仿真模型进行合理优化或者重新装配是十分必要的。以导线线芯为例,通常使用一个直径均匀的圆柱体数模进行
9、表图1压缩机高压线束37Designresearch/设计研究汽车电器2 0 2 3年第9期达。因此需要根据导线截面积,计算金属线芯的等效圆柱直径,并计算导线外护套的厚度,然后分别对金属线芯和外护套进行建模装配,导线外护套中间的屏蔽层可忽略不计。因高压线束温升仿真需要进行通电流分析,因此仿真模型中连接器插头和插座的数模需要参照实际状态进行装配模拟,特别需确保数模中连接器插头和插座的接触件可以实现对配接触,如图2 所示。注意护套的装配位置端子模拟实际装配图2 端子与导线装配模型示例高压线束在参照实际接触情况进行装配时需注意以下几点:金属线芯按实际接触情况与端子压接区进行装配,确保端子压接区与导线
10、金属线芯圆柱面的贴合;将导线外护套装配在导线金属线芯之上;导线外护套可模拟实际剥皮处理工艺,注意导线外护套圆柱面不要与端子压接区贴合,否则会造成电流无法流通。应当说明的是,对于波纹管、扎带以及热缩管等辅材,属于非热源零件,对于温升仿真结果影响较小,且上述零件结构较为特殊,可能会对网格划分品质产生不良影响8。因此,对高压线束数模装配时无需装配上述辅材。装配完成后的压缩机高压线束等效仿真模型如图3所示。2.2仿真分析设置本文研究使用FloEFD有限元分析软件对高压线束进行仿真分析,FloEFD软件是专门用于计算流体力学的仿真软件。按其分析逻辑,仿真过程需进行向导、计算域、流体子域、材料、热源、辐射
11、表面、电气条件、仿真目标及网格等设置。2.2.1计算域设置计算域是进行流体流动和换热计算的区域,是一个可用于3D或者2 D分析的长方形区域。根据经验,一般在重力方向与重力反向的计算域尺寸共同设置为约4X,X为仿真模型在重力方向的尺寸;在左右方向的计算域尺寸设置为约1Y,Y为仿真模型在左右方向的尺寸;在前后方向的计算域尺寸设置为约1Z,Z为仿真模型在前后方向的尺寸9。2.2.2热源功耗计算热源功耗的准确计算对仿真分析非常重要,压缩机高压线束主要热源功率P如式(1)所示。ni=1式中:P高压线束主要产热功率;R接触一端子接触电阻;R压接某端子导线的压接电阻;R金属参与通流的某金属体电阻;n、n 2
12、、n 3分别代表高压线束中存在的R接触、R压接、R金属的数量。软件会自动加载计算全部通流的金属体电阻的产热量,因此,欲计算主要热源功率P,需先计算出R接触和R压接。使用试验测试法,测试计算连接器端子对配后的端子电阻R端子,试验计算方法如图4所示,计算公式如式(2)所示。(2)式中:R端子连接器插头和插座端子接触后的电阻,其中包括对配端子的接触电阻及对配端子的金属体电阻;R总连接器插头、插座及导线组成的串联电路总电阻;R一一连接器插头端子及导线组成的电阻,其包含端子导线压接电阻金属线芯与端子压接处贴合及插头端导线金属体电阻。R2连接器插座端子及导线组成的电阻,其包含端子导线压接电阻及插座端导线金
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