趙 強(qiáng)，魯 芳

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái) 264001）

基于ANSYS的PTC熱敏電阻特性研究

趙 強(qiáng)，魯 芳

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái) 264001）

運(yùn)用ANSYS有限元分析的方法，通過建模、劃分網(wǎng)格、施加載荷、求解分析得到PTC熱敏電阻的瞬時(shí)熱電耦合場(chǎng)。經(jīng)過仿真，得到PTC熱敏電阻電流—溫度的關(guān)系，為以后蓄電池恒流放電裝置的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

PTC熱敏電阻 溫度場(chǎng) 蓄電池放電

0 引言

在蓄電池的使用與維護(hù)過程中，為了測(cè)試其容量及活化蓄電池，就必須定期地對(duì)其進(jìn)行放電。傳統(tǒng)的蓄電池放電都是先將其從設(shè)備上取下，然后接上普通的電阻絲放電，在放電過程中蓄電池組的電壓是逐漸減小的，而電阻絲阻值不變，最終放電電流會(huì)逐漸減小，因此放電全過程不能實(shí)現(xiàn)恒流放電。

PTC加熱器是發(fā)熱元為PTC熱敏電阻，用鋁合金制成的波紋片為散熱器，經(jīng)過高溫黏合而成的。本文通過ANSYS仿真，得到PTC熱敏電阻的電流隨溫度變化關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到研究PTC通風(fēng)型加熱器的目的。圖1為某種型號(hào)PTC加熱器。

1 理論分析

PTC熱敏電阻是典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，當(dāng)其溫度超過一定值時(shí)，其阻值隨溫度的升高而升高。PTC熱敏電阻在施加額定的電壓或額定的電流后而發(fā)熱。通電后，其主要熱源是電阻的生熱率。生熱率是指在PTC上施加額定的電流或者電壓時(shí)，其在單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量。其遵循歐姆定律：q=I2R(1)式中：I—流過導(dǎo)體的電流大??；R—導(dǎo)體的電阻值。

圖1 PTC加熱器外形圖

由于PTC材料的物理參數(shù)隨溫度變化而改變，因而引入電阻溫度系數(shù)α，則生熱率為I2R[1+α(Tc-20)]。熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部或者兩個(gè)接觸的物體之間，由于存在溫度梯度，熱量從溫度高的部分傳遞到溫度低的部分。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

式中：Φ—熱流量，單位時(shí)間內(nèi)熱傳遞的值；

λ—導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)；

A—垂直于導(dǎo)熱方向的截面積。

熱對(duì)流是指由于溫差的存在，物體表面與它周圍接觸的流體之間的熱量交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流可以用牛頓冷卻方程來表示：

式中：Φ—熱流量，單位時(shí)間內(nèi)熱傳遞的值；

h—為對(duì)流換熱系數(shù)；

A—與流體接觸的壁面面積；

ts—固體表面溫度；

tB—流體的溫度。

PTC的熱對(duì)流方式主要是自然對(duì)流，無強(qiáng)制對(duì)流，因此在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，空氣對(duì)流換熱系數(shù)的取值可以按照空氣自由對(duì)流換熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)來取值。

根據(jù)具體的實(shí)際情況，在保證計(jì)算精度的前提下，提出以下3點(diǎn)假設(shè)：1）只考慮PTC的空氣對(duì)流換熱以及熱傳導(dǎo)，不考慮熱輻射；2）PTC材料各物理性能參數(shù)各向同性；3）PTC周圍的空氣對(duì)流換熱為自然對(duì)流換熱，且空氣參數(shù)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)空氣參數(shù)。

2 熱電耦合場(chǎng)的建立

ANSYS作為一個(gè)大型通用的有限元分析軟件，它是融合流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)等于一體，涵蓋了多種耦合場(chǎng)的有限元分析，可進(jìn)行線性、非線性、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、國(guó)防軍工、生物醫(yī)學(xué)、日用家電等工業(yè)制造及科學(xué)研究領(lǐng)域。

2.1 建立模型

如圖1所示的PTC加熱器，白色的小長(zhǎng)方體即為PTC熱敏電阻。為了計(jì)算的方便，在滿足計(jì)算精度的前提下，根據(jù)實(shí)際測(cè)量，PTC的規(guī)格為30 mm×4 mm×10 mm。簡(jiǎn)化的模型圖如圖2所示。

2.2 劃分網(wǎng)格

一般來說，網(wǎng)格劃分的數(shù)量越多，計(jì)算的精度就會(huì)越高，同時(shí)計(jì)算的規(guī)模也會(huì)越大。網(wǎng)格劃分主要包括以下三個(gè)步驟：

1） 定義單元屬性，包括單元類型、材料性質(zhì)、單元坐標(biāo)系等；

2） 定義網(wǎng)格生成控制；

3） 生成網(wǎng)格；

圖2 PTC模型圖

根據(jù)熱電耦合的實(shí)際需要，本文選用SOLID69號(hào)單元。材料的屬性包括電阻率、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，由于PTC的材料物理參數(shù)是隨溫度變化的，因此建立對(duì)應(yīng)的溫度與物理參數(shù)的表格，在表中兩溫度之前的物理參數(shù)，ANSYS會(huì)自動(dòng)對(duì)照表格，按照插值計(jì)算的方法，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)。完成相關(guān)設(shè)置后，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后的模型

2.3 施加載荷

1）熱物理環(huán)境的創(chuàng)建

在完成對(duì)熱分析所需要的有限元模型建立后，需要對(duì)熱分析施加載荷。最后將熱分析所有的設(shè)置操作內(nèi)容全部寫入熱物理環(huán)境中。對(duì)熱分析施加的載荷包括：初始溫度載荷為20℃。在本文中PTC表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)按空氣自由對(duì)流換熱系數(shù)8 W/M2·℃來取值。PTC的生熱率載荷由電場(chǎng)所得到的焦耳熱施加。

2）電磁物理環(huán)境的創(chuàng)建

熱物理環(huán)境創(chuàng)建完成后，需清除熱物理環(huán)境，進(jìn)行電磁物理環(huán)境的創(chuàng)建，在完成定義電磁分析所需要的單元類型及材料屬性后，需對(duì)電分析施加載荷。對(duì)電分析施加的載荷包括：在PTC施加24 V的電壓。電分析需要的溫度載荷由熱分析經(jīng)計(jì)算后得到的溫度施加。最后將電分析所有的設(shè)置操作內(nèi)容全部寫入電物理環(huán)境中。

3) DO循環(huán)的準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備DO循環(huán)之前，需要先讀入熱物理環(huán)境，然后對(duì)熱分析進(jìn)行一次仿真計(jì)算，得到電分析所需要的溫度載荷。DO循環(huán)的步驟可以分為以下幾步：

(1) 讀入電磁物理環(huán)境；

(2) 從溫度場(chǎng)的結(jié)果文件中讀取TEMP的值；(3) 求解電分析；

(4) 讀入熱物理環(huán)境；

(5) 從電分析的結(jié)果文件中讀入HGEN的值；

(6) 求解瞬態(tài)熱分析；

(7) 按預(yù)設(shè)的時(shí)間增量增加時(shí)間；

(8) 判斷時(shí)間是否到達(dá)仿真結(jié)束時(shí)間。

3 仿真結(jié)果分析

在施加好載荷條件后，進(jìn)入求解模塊進(jìn)行模型的求解。經(jīng)計(jì)算，在溫度場(chǎng)內(nèi)得到PTC溫度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 溫度—時(shí)間變化曲線

同樣，經(jīng)計(jì)算，在電場(chǎng)中得到PTC的電流隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖5所示。

同時(shí)，通過仿真結(jié)果，通過中間變量TIME，我們可得到了瞬時(shí)的電流隨溫度變化的關(guān)系，從而達(dá)到仿真的目的。

4 結(jié)束語

為解決蓄電池恒流放電裝置的設(shè)計(jì)問題，利用有限元數(shù)值計(jì)算的方法，建立了PTC的三維有限元熱電分析模型，同時(shí)利用ANSYS熱電耦合仿真平臺(tái)，對(duì)PTC進(jìn)行了熱電耦合場(chǎng)的分析，得到了PTC的電流隨溫度的變化關(guān)系?？筛鶕?jù)該種關(guān)系，研究PTC通風(fēng)發(fā)熱器的工作特性，設(shè)計(jì)控制算法，可以很好的完成蓄電池的恒流放電的任務(wù)，達(dá)到預(yù)期的效果。

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Analysis on the Characteristics of PTC Thermistor by ANSYS

Zhao Qiang, Lu Fang
(Department of Control Engineer, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, China)

By adopting ANSYS finite element method, the transient thermoelectric coupling field of the PTCthermistor is gotten through modeling, meshing, loading and analyzing. The relationship between the PTCthermistor current and temperature lays is gained by simulation, which lay the foundation for the design ofthe constant discharge of battery.

PTC thermistor; temperature field; discharge of battery

TP212

A

1003-4862（2015）08-0040-03

2015-04-10

趙強(qiáng)（1992-），男，碩士生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。