利用熱模擬可以設計更好的戶外電子產品

        圖1：這些圖像顯示了用于熱模擬（左）和傳熱路徑（右）的基本模型。

        電池的額定電壓為14.8伏，zui小容量為7.4。電池尺寸為110×73×40毫米。

 

        如果內部發熱相對較高，并且受到外來條件的影響，熱挑戰就會擴大。在產品的整個生命周期內，產品內部的熱生成和外部環境變化。在博世，我們用計算流體動力學（CFD）進行了各種設計的熱模擬，以幫助確定這種類型的電池的溫度上限。

 

正在測試的產品

        我們的模擬和分析的基礎上，該產品將垂直安裝在巴西的戶外極點的場景。該設備的塑料外殼包圍電池和PCB的積極和被動的組成部分。外殼具有防止空氣泄漏密封墊提供IP65。外殼是防塵防水的，可以防止水從任何方向噴射出來。這個約束是指空氣不是內部與外部環境之間的交換，它創建了一個25%高的溫度（該產品）內的住房比non-ip65–保護住房在額定風速。

 

        圖2：自然對流產生的粒子流在電池周圍積聚熱空氣（左）。沖擊產品外殼時的氣流（右）。

 

        在外殼內部，電池安裝在金屬板上，PCB安裝在螺釘上，避免與塑料外殼直接接觸（圖1）。我們忽略了電池的內部散熱，因為電池的電流低于臨界電流值。

 

仿真模型

 

        我們進行了穩態熱模擬使用CFD軟件，FloTHERM，所有的三種方式：導熱、對流換熱的模擬，和輻射。仿真模型包括設備以及周圍環境的空氣。我們用正交各向異性熱導率模擬PCB為“集中”。有源元件（如半導體封裝）被顯式地建模，而無源元件（如電容器和電阻器）被建模為集總元件。

        圖3：電池的表面溫度，PCB和PCB上的組件（左）。橫截面的溫度場，通過電池的上腹部；注釋顯示在特定點的溫度（右）。

        zui高溫度在巴西正式注冊了Bom Jesus 44.7?C，皮奧í州2005年11月21日。在模擬zui壞情況下的條件，我們用了45?C.以前的仿真結果表明，風撞擊對住房和陽光照射前對房屋的頂部為成份導致zui高溫度環境溫度。

        在穩定狀態下，熱量將在內部產生熱量、由太陽通量引起的傳熱以及從外殼到周圍的熱量之間進行平衡。在直接接觸的物體之間會發生傳導，這在傳熱路徑中沒有顯示（圖1）。電池不耗散功率，通過與安裝板接觸的表面區域傳導熱量，通過內部空氣的對流和來自相鄰表面的輻射來加熱。

 

試驗和分析結果

        為了分析產品的臨界狀態，將各個部件的溫度與其溫度極限進行了比較。由于電池含有化學物質，其周圍空氣溫度必須低于規定的溫度限制。電池周圍和周圍的溫度將在其整個壽命期間變化。我們對各種風速和內部恒定熱量產生和太陽通量的設計進行了模擬。

        圖4：ISO空氣液位為6米/秒的表面。