SimScale anuncia nuevas funciones que permiten a los ingenieros realizar simulaciones de calentamiento Joule
¿Qué es el calentamiento Joule?
El calentamiento Joule es un fenómeno importante que hay que tener en cuenta en el diseño de productos de electrónica de potencia. Es el efecto físico de la corriente que pasa por un conductor eléctrico y se convierte en energía térmica, lo que provoca un calentamiento. El aumento de la temperatura en el material conductor impacta en la eficiencia de los componentes y los puede dañar.
SimScale anuncia nuevas funciones que permiten a los ingenieros realizar simulaciones de calentamiento Joule en su plataforma de nube utilizando una interfaz fácil de usar con funciones automáticas de post proceso.
La simulación del calentamiento Joule es necesaria para aplicaciones industriales en las que el calentamiento es algo habitual, ya sea intencionado o no. Para uso intencionados como calentadores eléctricos o soldadura, el análisis de este calentamiento Joules necesario para optimizar la salida de calor del dispositivo.
Sin embargo, lo más habitual es que el aumento de temperatura derivado de la conversión de energía eléctrica en térmica sea un efecto no deseado que pudiera disminuir la eficiencia de los componentes. Algunos ejemplos son las barras colectoras (busbars) o el cableado en la electrónica de potencia, donde la eficiencia disminuye a la inversa del aumento de la temperatura.
Un efecto similar se observa en las baterías que tienen un rango ideal de temperatura de operación. Cuando está por encima de ella, el rendimiento y la vida útil de la batería empiezan a degradarse. Otros componentes comunes, como los fusibles y resistencias, también se ven afectados por el calentamiento Joule.
Figura 1: Simulación de calentamiento Joule de un inversor de vehículo eléctrico que muestra el aumento de temperatura en las barras de corriente colectoras (busbars) causado por el efecto de calentamiento Joule.
Análisis del calentamiento Joule en el software SimScale
Los métodos del análisis del calentamiento Joule incluye agregar potencia disipada como fuente de energía en los componentes electrónicos. La potencia disipada se basaba en cálculos aproximados y no podía manejar bien situaciones en las que la densidad de corriente no estaba uniformemente distribuida, entre estas situaciones estaban:
- Diferentes resistencias eléctricas en paralelo
- Componentes de distinto tamaño de sección transversal alineados en serie
- Resistencias de contacto (conexiones soldadas)
Con las nuevas funciones del software SimScale, los ingenieros pueden definir explícitamente los parámetros de calentamiento Joule, sus variables y las métricas de salida donde basar las decisiones de diseño.
- Tipo de análisis: se puede activar el calentamiento Joule al configurar un tipo de análisis de transferencia de calor conjugada (CHTv2 o IBM) en SimScale.
- Materiales: al definir las propiedades de los materiales, elije la opción de conductor isótropo u ortótropo. Los materiales se pueden importar de la biblioteca o añadirse a la base de datos, pueden compartirse entre proyectos y equipos.
- Condiciones de frontera: los ingenieros pueden especificar la dirección del flujo de corriente y el potencial eléctrico (ver las imágenes siguientes).
- Resultados: incluyen densidad de corriente, potencia eléctrica y la generación de calor Joule.
Preparar la simulación del calentamiento Joule
Demostración de las nuevas funciones de calentamiento Joule de SimScale, el caso de un inversor eléctrico o inversor de potencia utilizado en autos de carreras. La imagen inferior muestra la geometría 3D de un inversor refrigerado por líquido mediante una mezcla de agua y glicol con un caudal de 3 L/Min.
El modelo contiene varios transistores MOSFETS y condensadores con carga eléctrica y corriente de hasta 70 Amperios RMS de carga continua. Los doce transistores para el suministro de corriente alterna de 6 fases se modelan cada uno con 18.5 W.
Se utilizó la base de datos de SimScale para aplicar materiales conductores y refrigerantes que se pueden parametrizar para evaluar las propiedades de los materiales.
Figura 2: Modelo geométrico del inversor de potencia
Figura 3: Modelo geométrico del inversor de potencia (izquierda) y modelo mallado correspondiente (derecha)
Las nuevas opciones en la configuración de la simulación se utilizan para definir los detalles de la simulación del calentamiento Joule:
1.-Especificación del análisis del calentamiento Joule
Figura 4.- Calentamiento Joule CHT: La nueva interfaz y cuadro de diálogo de calentamiento Joule en SimScale para incluir el calentamiento Joule en un análisis CHT
2.-Propiedades de los materiales para la simulación
Figura 5: Materiales: La nueva interfaz de calentamiento Joule y el cuadro de diálogo para definir materiales en SimScale. Pueden configurarse materiales dieléctricos o conductores con una resistividad característica
3.-Agregar condiciones de frontera para la simulación del calentamiento Joule
Figura 6: Condiciones límite: La nueva interfaz de calentamiento Joule y el cuadro de diálogo para definir las condiciones límite de calentamiento Joule en SimScale. Los usuarios pueden combinar condiciones de entrada o salida de corriente con un potencial de referencia o definir una diferencia de potencial que impulse la corriente resultante
Visualización de resultados de la simulación del calentamiento Joule
Figura 7: Simulación de calentamiento Joule en SimScale que muestra la temperatura de los componentes eléctricos, como los MOSFET, condensadores y las barras colectoras (escala de temperatura de imágenes térmicas)
Figura 8: Simulación de calentamiento Joule en SimScale que muestra el potencial eléctrico (arriba), el calor generado (centro) y la magnitud de la densidad de corriente (abajo) en las barras colectoras del inversor.
El potencial eléctrico (voltaje) permite conocer la caída de tensión en los componentes eléctricos y los cables del circuito eléctrico, así como la caída de voltaje prevista en caso de simulación con drenaje de corriente. Derivada del campo de potencial eléctrico, la densidad de corriente eléctrica (A/m2) da información esencial sobre el flujo de corriente eléctrica en todo el circuito y si se producen picos de densidad de corriente, por ejemplo, en secciones transversales pequeñas o en esquinas afiladas.
Éstos suelen provocar pérdidas térmicas, ya que la potencia disipada depende de la corriente eléctrica por la potencia de dos. Esta información se utiliza para engrosar las secciones transversales en los puntos críticos o modificar la trayectoria general de la corriente redondeando los bordes desfavorables.
Los resultados de generación de calor Joule (W/m3) resulta útil a la hora de evaluar el flujo de calor que debe tenerse en cuenta al diseñar la solución de manejo térmico del sistema. Incluso si la contribución del calentamiento Joule no es la carga térmica principal del sistema, puede perjudicar el desempeño general o la confiabilidad del producto si se producen picos de flujo de calor locales alejados o protegidos de la solución de refrigeración principal, por ejemplo, una placa de refrigeración líquida o un ventilador.
Utilizando las herramientas estadísticas del Post-Procesador, se puede extraer tanto la carga térmica distribuida como la pérdida de potencia total integrada en una parte del modelo.
Simulación de electrónica de potencia en el software SimScale
El calentamiento Joule es esencial para el diseño de diversas aplicaciones EDA. Además del caso de uso del inversor, se incluyen otros componentes de la cadena cinemática de los vehículos eléctricos, como el paquete de baterías o los motores eléctricos. También es el aspecto más importante de las consideraciones térmicas de las resistencias eléctricas. A continuación, presentamos ejemplos relevantes para la industria.
Resistencias
Las resistencias se utilizan para proteger componentes de un circuito eléctrico con alto voltaje o impulsos de corriente utilizando materiales resistentes, idealmente en una estructura compacta. Aunque la caída de potencial y la conversión térmica resultante están previstas, el calor es perjudicial para la resistencia o el sistema. Las soluciones de refrigeración incluyen sobre todo disipadores de calor montados, pero también pueden implicar refrigeración activa por aire o líquido.
El modelo de resistencia de potencia tiene cuatro circuitos conductores separados y es un dispositivo que se usó mucho en la industria del automóvil. Este modelo concreto se utilizaba en los modelos anteriores de Jaguar y garantizaba que la unidad de control electrónico (ECU) para la inyección de combustible no se sobrecargue por picos de corriente elevados.
Para abrir los inyectores, se conectan los 12V y se proporciona la corriente de apertura requerida de 22.6 A. Después de eso, la corriente requerida es mucho menor y los componentes no pueden soportar la carga de alta corriente durante mucho tiempo. De ahí que las resistencias de ~6 Ohm se añadan al circuito con un interruptor y reduzcan la corriente por debajo de 2 A. El componente está montado en una chapa metálica junto al motor y, por lo tanto, sólo debe depender de la refrigeración por convección natural.
Figura 9: Dispositivo de resistencia de potencia utilizado en el circuito de inyección de combustible en aplicaciones automotrices
Figura 10: Simulación de calentamiento Joule en SimScale, que muestra el potencial eléctrico (arriba), el calor generado (centro) y la magnitud de la densidad de corriente (abajo) en la resistencia (el rojo indica un valor más alto)
Batería de vehículo eléctrico
Este compartimiento de baterías es de un vehículo eléctrico de carreras de la Fórmula SAE (Sociedad de Ingenieros de Automotrices). La Fórmula SAE es una serie de competencias internacionales en las que equipos universitarios compiten para diseñar y fabricar los coches de carreras, los equipos académicos utilizan la simulación para optimizar los diseños y componentes de sus coches de carreras.
El módulo de la batería utiliza refrigeración por convección forzada de aire mediante ventiladores para la gestión térmica y tiene busbars de aluminio. Con 100 celdas de iones de litio en una disposición 10S10P (10 celdas en serie, 10 celdas en paralelo).
El análisis del calentamiento Joule es necesario para predecir la ganancia de calor de la corriente que circula por los componentes de la batería y probar las estrategias de refrigeración óptimas. El análisis de la caída de potencial eléctrico y de la densidad de corriente también es útil para evitar picos de corriente en esquinas afiladas o secciones delgadas y conseguir una carga uniforme en todo el paquete. En este caso, se simula un escenario de 1C con 40 Amperios drenados del módulo.
Figura 11: Simulación de batería de vehículo eléctrico
Fusibles
La siguiente caja de fusibles es utilizada por los fabricantes de equipos originales (OEM) automotrices. Los fusibles funcionan bajo una pequeña diferencia de potencial, permitiendo que la corriente fluya dentro de él. Mientras la corriente se mantenga dentro de los límites de seguridad, el fusible funciona con normalidad.
Sin embargo, los fusibles están diseñados para servir como enlaces débiles intencionados en los circuitos eléctricos, de forma que se sacrifican fallando en sus puntos más débiles para proteger equipos costosos o sensibles de valores de corriente elevados. El fallo de un fusible se produce debido al calor generado por el flujo de corriente en sus puntos más débiles, lo que puede provocar una fusión local alrededor de esas regiones.
Para realizar la simulación del funcionamiento de un fusible y poder observar el aumento de temperatura alrededor de las regiones débiles, se usa un análisis transitorio de transferencia de calor conjugado con la diferencia de potencial entre los dos extremos del fusible. En este escenario, se aplicó una caída de potencial de 0.2 V al fusible con una resistencia de sólo unos pocos miliOhmios, lo que dio lugar a una enorme corriente de sobrecarga con la mayor densidad de corriente alrededor del punto débil.
Figura 12: Modelo de bloque del fusible
Figura 13: Simulación de calentamiento Joule en SimScale, mostrando el cambio transitorio de temperatura debido a la alta corriente (arriba) y la magnitud de la densidad de corriente con picos previstos alrededor del punto débil (abajo).
Por: Alexander Fische desde el blog de SimScale
