任曉平，何 必，段續(xù)皇

（上海船舶設備研究所，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軍標的諸多嚴苛指標，這些指標使產(chǎn)品的設計難度加大；同時，部分試驗指標之間存在相互約束的關系，這進一步增加了設計難度。經(jīng)過理論分析和樣機驗證，筆者認為放電裝置的主要設計難點在于如何平衡其電磁兼容設計和熱設計。

放電裝置在將蓄電池電能轉換為放電電阻熱能時，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。有關權威機構曾對電子產(chǎn)品失效原因做過統(tǒng)計，溫度過高導致電子產(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間（MTBF）隨溫度倒數(shù)呈指數(shù)增加[2]；但電磁兼容設計原則與熱設計原則之間相互對立。電磁兼容的設計原則是盡量減少設備外殼開孔，降低電磁泄露，而提高開孔率卻十分有利于散熱。如果在不提高開孔率的情況下，為解決放電裝置的散熱要求，只能通過提高風機的風量來加快換熱效率，但風量大的風機往往意味著更大的噪聲，噪聲超標也不能符合船用放電裝置的指標要求。

本文介紹了一種放電裝置的設計方法。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行單獨的電磁兼容設計和熱設計，并總結出了放電裝置的設計要點和解決思路。

1 放電裝置設計分析

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計參數(shù)和指標。

表1 放電裝置部分的設計指標

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是熱耗相對較低（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源，也是電磁敏感元器件所在部位；同時，控制部分Buck電路上的很多電子元器件的耐熱性能相對較低。放電電阻部分的特點是熱耗高（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，但會有干擾能量沿著線纜傳導耦合到電阻上。本文放電電阻采用鎳鉻不銹鋼合金材質(zhì)的疊片電阻，電阻可以長期工作在500 ℃。

圖1 放電裝置原理圖

1.2 結構設計

放電裝置結構如圖2所示。根據(jù)上述放電裝置的特點，將整個柜體結構分為2部分艙室進行設計：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。上下艙室接觸部分、門板與中間不銹鋼板接觸部位全不噴漆并粘貼導電屏蔽材料，從而保證導電的連續(xù)性。通過這樣的設計將上下分為2個獨立的艙室，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，應盡量提高開孔率，并合理設計電阻的形狀，這樣可以避免電阻產(chǎn)生的高熱量對控制部分電子元器件的影響。電阻艙的線纜通過安裝在不銹鋼板上的屏蔽金屬填料函進出。

圖2 放電裝置結構示意圖

1.3 電磁兼容設計

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

如圖2所示，放電裝置通過頂部2個航插分別接接蓄電池和AC 220 V電源，為抑制傳導耦合，線纜進入設備后分別緊接濾波器。進入電阻艙室的有2路線纜，放電電阻從Buck電路上接線，交流風機從AC 220 V接線。從Buck電路上過來的線纜存在高頻干擾能量，線纜進入電阻艙時應接濾波器進行濾波。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備殼體內(nèi)迂回[4]，如Buck電路與放電電阻之間設置的濾波器，其未經(jīng)濾波線纜完全不進入電阻艙，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結構鋼。在柜體門板等需保證導電連續(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實現(xiàn)電連續(xù)。Q235不僅有優(yōu)良的導電和導磁性能，且有很大的經(jīng)濟性，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，因此控制艙的通風孔采用屏蔽效能較高的圓孔，并通過減小孔徑、增加孔數(shù)來達到需要的通風面積。為提高電阻散熱效率，電阻艙采用六角蜂窩孔，單個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電膜，避免屏幕處的電磁泄露。

1.4 放電電阻熱設計

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，放電電阻可采用強迫風冷散熱，風道設計為前進后出。對放電電阻的散熱影響主要因素有：風機規(guī)格、開孔率、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換公式[5]

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

將轉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迫風冷散熱為主，可忽略輻射和傳導。在40 ℃最高環(huán)境溫度下機殼表面不能超過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)的特點是阻力小且需風量大，因此選擇軸流風機散熱，根據(jù)軸流風機特點，最佳工作點應在P-Q曲線的后1/3處，故風機實際工作點風量為最大風量乘以一定的折損系數(shù)，最佳折損系數(shù)約為2/3，計算可得風機最大風量約為648 m3/h在最大風量計算過程中，默認熱源均勻分布，實際上被風機帶出的空氣很難保證熱量均勻，為保證機殼任意點位置的溫升均不超過20 ℃，理論計算得出風機風量需乘以一定的安全系數(shù)。本案例對機殼溫升要求嚴苛，因此需乘以安全系數(shù)（1.2～3.0），安全系數(shù)為2時，需要風機提供約1 296 m3/h的風量。

風機是放電裝置的主要噪聲來源，其他元器件產(chǎn)生的噪聲幾乎可忽略不計。在選擇風機時，需兼顧風機的噪聲值。本文所述放電裝置最終設計選擇了1臺舍利弗CF.20572HB-A2風機，該風機的P-Q曲線如圖3所示，其噪聲為63 dB(A)。同上述設計思路，控制艙的風機選擇了2 臺CR.9225H24風機，單個風機最大風量為163.2 m3/h，噪聲值為52.8 dB(A)。

圖3 CF.20572HB-A2 風機P-Q 曲線

系統(tǒng)的總噪聲計算

式中：Ls為總的噪聲指標，將3個風機的數(shù)據(jù)代入式（4）后得Ls＝63.39 dB(A)。在無需任何降噪措施的情況下，設備已經(jīng)滿足噪聲指標要求。

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面積。因此，在進出風的孔為：柜體上前后沖壓對邊為4 mm、開孔率為0.64的六角蜂窩孔，前后出風有效面積各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，開孔率為0.44，前后出風有效面積各12 228 mm2。

電阻本身的特點對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)點在于耐熱高，散熱面積大，設計阻值簡易。

2 仿真及試驗

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)用對象并設置對應參數(shù)[6]。圖4為放電電阻簡化后熱仿真模型。用Cabinet模擬電阻艙的尺寸，Block模擬疊片電阻的電阻片，Grill模擬進出風孔和百葉窗，開孔率設置為0.64，并用Plate模擬安裝風扇的導風罩。調(diào)用3D的Fan模擬軸流風機，并輸入風扇尺寸和P-Q參數(shù)。環(huán)境溫度設置為40 ℃，并設置Fan和其中1片電阻片為監(jiān)控點，觀察計算的收斂性。

圖4 放電裝置熱仿真模型

圖5為放電電阻實物圖。圖5(a)為放電電阻優(yōu)化前實物，圖5(b)為放電電阻優(yōu)化后實物。放電裝置優(yōu)化前，在樣機試驗中發(fā)現(xiàn)：電阻溫升滿足使用要求，但機箱表面最高點溫升在40 ℃工況下，機箱表面溫度為82.5 ℃（超過60.0 ℃），不符合指標要求。故對優(yōu)化前放電電阻的散熱失敗原因進行分析，并指導了放電電阻的優(yōu)化。

圖5 放電電阻實物圖

如圖6和圖7所示，分別為機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，機箱表面最高點溫度為76.85 ℃，放電電阻的最高溫度為340.30 ℃；機箱表面仿真溫度76.85 ℃與實際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)仿真結果對放電裝置實施優(yōu)化措施如下：

1）增加電阻片數(shù)量，加大散熱面積。

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

3）選用更大風量風機，將風機型號由舍利弗CF.20060HB-A2改為CF.20572HB-A2。

如圖6(b)仿真結果所示：優(yōu)化后的機箱表面最高點溫度下降到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)化后進風口空氣充分參與了放電電阻的換熱。

圖6 機箱表面溫度云圖

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)化前后電阻的相關參數(shù)和仿真結果。

表2 放電電阻參數(shù)和仿真結果

2.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

圖9為放電裝置的試驗樣機溫升測試。機箱表面的最高溫度點出現(xiàn)在機殼百葉窗位置，采用FLUKE熱成像儀檢測試驗溫度。為提高檢測的精確度，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)境溫度設置為40 ℃以下，檢測百葉窗最高點溫度為58.7 ℃。優(yōu)化后的仿真誤差值η＝5.6%。

圖9 放電裝置樣機溫升測試

放電裝置優(yōu)化前后，機殼的實際最高點溫度下降23.8 ℃，實際降幅達28.8%，優(yōu)化后設計方案大大改善了放電電阻散熱性能。仿真結果降幅與實際降幅吻合度高。

如圖10所示為設備RE101、RE102的測試結果，設備相應電磁兼容指標均滿足要求。

圖10 RE101、RE102 測試結果

表3為放電裝置空氣噪聲測試結果，測點1～測點5分別布置在距離設備前、后、左、右、上表面各1 m處，試驗結果證明：設備噪聲指標滿足要求。

表3 放電裝置空氣噪聲測試結果

3 結論

本文提出船用放電裝置設計難點在于平衡其電磁兼容設計和熱設計，將放電裝置控制部分和放電電阻在結構上進行隔離，從而單獨對2部分分別進行電磁兼容設計和熱設計。通過仿真計算和試驗驗證，本文關于放電裝置的設計方法是正確的，并得出如下設計經(jīng)驗：

1）控制部分與放電電阻一體式的放電裝置。因將放電電阻單獨放在一個隔艙內(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2部分進行單獨的電磁設計和熱設計；對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個柜體中。

2）最大限度地減少從控制部分進入電阻艙室的線纜，從控制艙進入電阻艙線纜都應確保已經(jīng)過濾波處理，避免從控制艙帶來傳導耦合。

3）合理設計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。