W jaki sposób symulacje pomagają w zarządzaniu ciepłem w zagadnieniach energoelektroniki?

Nawet najlepiej zaprojektowany układ energoelektroniczny na poziomie komponentu czy obwodu drukowanego nie spełni swojego zadania, jeśli zawiedzie jego integracja z obudową. W kontrolowanych warunkach laboratoryjnych urządzenia bardzo często działają bez zarzutu. Prawdziwy test następuje jednak wtedy, gdy trafiają one do zamkniętych szaf sterowniczych, terenowych stacji transformatorowych czy ładowarek pojazdów elektrycznych.

W dzisiejszym artykule przyjrzymy się wyzwaniom, przed którymi stają inżynierowie w starciu z rzeczywistymi warunkami eksploatacji oraz sprawdzimy, jak nowoczesne narzędzia symulacyjne Ansys pozwalają uwzględnić rzeczywiste warunki na każdym etapie projektowania.

W skrócie:

Podejście „shift-to-the-left” w inżynierii polega na rozpoczęciu symulacji na wczesnym etapie projektu i prac koncepcyjnych. Wykorzystując oferowane przez Symkom narzędzie Ansys Discovery oparte na solwerze GPU, inżynier czy konstruktor może w prosty sposób zdefiniować i modyfikować model numeryczny, i uzyskać tym samym pierwsze przybliżone wyniki przy niewielkim nakładzie pracy.

Ansys Fluent i Ansys Icepak pozwalają na wykonanie dokładnych analiz cieplno-przepływowych. Ansys Icepak jest przystosowany do zagadnień z uwzględnieniem płytek PCB i sprzężeń z analizami elektromagnetycznymi. Ansys Fluent umożliwia wydaje modelowanie skomplikowanych geometrii, a także modelowanie warunków środowiskowych: nasłonecznienia, wilgotności, czy też modelowanie przemian fazowych i ogniw bateryjnych.

Spis treści

Wyzwania rzeczywistego świata

Przeniesienie układu z biurka projektowego do docelowej obudowy diametralnie zmienia warunki jego pracy. Jako inżynierowie musimy stawić czoła trzem głównym problemom w kontekście zarządzania ciepłem:

  • złożona geometria i strefy zastoju – wymuszona przez gabaryty konstrukcja obudowy drastycznie komplikuje przepływ powietrza. Tworzą się lokalne strefy zastoju, które stają się ogniskami niebezpiecznych “gorących punktów” (hotspotów);
  • silne sprzężenia elektro-termiczne – układy podczas pracy intensywnie generują ciepło. Wzrost temperatury bezpośrednio wpływa na parametry elektryczne – przykładowo, rośnie rezystancja miedzi, co powoduje generowanie jeszcze większych strat mocy. Mamy do czynienia z silnym zjawiskiem nieliniowym;
  • środowisko zewnętrzne – urządzenia pracujące w terenie są wystawione na kaprysy pogody. Nasłonecznienie w ciągu dnia generuje obciążenia cieplne, z kolei nocne spadki temperatur mogą prowadzić do skraplania się wilgoci bezpośrednio na elektronice.

Współczesne zarządzanie ciepłem nie może być jedynie “dobraniem radiatora na samym końcu procesu”. Wymaga ono całościowego, wielodomenowego podejścia.

Rewolucja „shift-to-the-left” z Ansys Discovery

Tradycyjny proces projektowy zakładał budowanie geometrii CAD, tworzenie prototypu oraz jego testowanie. Ewentualne poprawki na tym etapie były niezwykle kosztowne. Odpowiedzią na ten problem jest przesunięcie weryfikacji termiczno-przepływowej na jak najwcześniejszy etap pracy z geometrią.

Narzędziem, które realizuje tę ideę, jest Ansys Discovery. Dzięki wykorzystaniu nowoczesnych solwerów opartych na kartach graficznych (GPU), inżynier otrzymuje wyniki symulacji niemal w czasie rzeczywistym.

Co to oznacza w praktyce?

Przesuwasz ściankę obudowy, zmieniasz położenie komponentu lub modyfikujesz wielkość wlotu powietrza, a program natychmiast aktualizuje widok pól temperatur i trajektorii przepływu. Co ważne, szybkość ta nie oznacza rezygnacji z zaawansowanej fizyki. Środowisko Discovery pozwala na jednoczesną ocenę m.in.:

  • sprzężonej wymiany ciepła (ciało stałe – płyn),
  • konwekcji naturalnej, wymuszonej i promieniowania,
  • działania wentylatorów (zarówno modelowanych wprost, jak i podejściem uproszczonym gdzie wprowadzamy ich charakterystykę)
  • strat Joule’a w zagadnieniach DC.

Badania „co-jeśli” i analizy parametryczne

Proces inżynierski to nieustanne poszukiwanie kompromisów poprzez analizę trendów i sprawdzanie scenariuszy typu “co-jeśli”. Środowisko Discovery pozwala na łatwą parametryzację geometrii oraz warunków brzegowych. Możemy zdefiniować zmienne (np. grubość żeber radiatora, odległości między komponentami) i zmusić program do automatycznego przeliczenia całej macierzy wariantów.

Dzięki temu że w Ansys Discovery obliczenia prowadzone są bardzo szybko, możemy w łatwy sposób przetestować dziesiątki wariantów oraz skupić się na najlepiej rokujących. Przeprowadzenie dużej liczby symulacji jest też pomocne w określeniu czułości naszego modelu na poszczególne parametry wejściowe, tj. możemy uzyskać informację które parametry są najistotniejsze.

Od koncepcji do najwyższej precyzji – ekosystem Ansys

Gdy wstępna koncepcja zostanie zatwierdzona w Discovery, dzięki funkcji 1-Click Transfer, cały model może trafić do flagowych solwerów: Ansys Icepak oraz Ansys Fluent.

Solwery te posiadają zaawansowane modele fizyczne i funkcjonalności wymagane do szczegółowego i dokładnego przeanalizowania problemu chłodzenia.

1. Kompaktowe modele termiczne (JEDEC) w Ansys Icepak

Ansys Icepak umożliwia zastosowanie sieciowych modeli kompaktowych do modelowania układów scalonych zgodnych ze standardami JEDEC. Wykorzystując modele dwurezystorowe (Junction-to-Case, Junction-to-Board) lub zaawansowane, wielowęzłowe sieci DELPHI, uzyskujemy wysoką wierność wyników przy minimalnym koszcie obliczeniowym.

2. Dwukierunkowe sprzężenie elektro-termiczne

Klasyczne podejście (sprzężenie jednokierunkowe) polega na eksporcie strat mocy z programu elektromagnetycznego jako stałego źródła ciepła do programu termicznego. Jednak z uwagi na nieliniowość zjawisk, środowisko Ansys umożliwia pełne sprzężenie dwukierunkowe. Solwery elektromagnetyczne (takie jak Ansys Maxwell czy SIwave) współpracują z Icepakiem w pętli zwrotnej – Icepak przekazuje zaktualizowaną mapę temperatur, a Maxwell/SIwave na jej podstawie koryguje właściwości materiałowe i ponownie przelicza straty energii.

3. Wirtualna komora klimatyczna

W przypadku najbardziej wymagających projektów, Ansys Fluent pozwala na symulację zjawisk ekstremalnych.

  • Chłodzenie zanurzeniowe – dokładne modelowanie procesu wrzenia elektroniki pracującej bezpośrednio w płynie dielektrycznym.
  • Elektrochemia i ucieczka termiczna (Thermal Runaway) – fundamentalne przy projektowaniu bezpiecznych systemów bateryjnych (BESS) oraz predykcji zachowania ogniw po ich przegrzaniu.
  • Kalkulator Solar Load – program pozwala na precyzyjne odwzorowanie nasłonecznienia obudowy stojącej w terenie. Wystarczy podać współrzędne geograficzne, datę oraz godzinę, a solwer sam wyliczy wektor padania promieni słonecznych, z możliwością uwzględnienia wzajemnego zacieniania komponentów, efektu albedo czy właściwości powłok lakierniczych.
  • Modelowanie kondensacji – pozwala na ocenę ryzyka wystąpienia kondensacji, a także prognozowanie grubości warstwy kondensatu i spływu wody po ściankach na skutek nocnych wahań temperatur.
Wyzwanie Narzędzie Główna korzyść dla projektu
Wstępna, szybka weryfikacja geometrii CADAnsys DiscoveryWyniki w czasie rzeczywistym dzięki solwerom GPU.
Modelowanie termiczne płytek PCBAnsys IcepakKompaktowe modele termiczne zgodne ze standardami JEDEC, narzędzia do importu plików ECAD.
Zaawansowane modele fizyczne i dokładne analizy cieplno-przepływoweAnsys FluentNajwyższa precyzja, modelowanie warunków środowiskowych, zaawansowane modele elektrochemiczne

Podsumowanie

Współczesna energoelektronika wymaga wyjścia poza schemat projektowania wyłącznie “samej płytki”. Kompleksowe podejście do zarządzania ciepłem na poziomie całego systemu minimalizuje ryzyko kosztownych awarii w warunkach rzeczywistych. Dzięki ekosystemowi Ansys – od błyskawicznych analiz Discovery GPU po zaawansowane wielodomenowe symulacje w Ansys Icepak czy Ansys Fluent – inżynierowie otrzymują bogatą informację o działaniu ich produktu w różnych scenariuszach.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak wdrożyć podejście symulacyjne w Twojej firmie? Skontaktuj się z zespołem Symkom!

Autor: dr inż. Maciej Szudarek