1汇流排结构设计及生热分析

1.1汇流排三维几何结构

根据实际应用建立汇流排的三维几何模型如图1所示，汇流排长度为L=100mm，截面积S=100mm2，基于焊接位置设计三种结构：对称式、对角式及单侧式。在截面积一定的情况下，汇流排厚度H分别设置为1mm，2mm，4mm，5mm，8mm，10mm进行仿真分析。

1.2汇流排生热分析

本文研究对象为铝质汇流排，其材料特性如表1所示。从能量守恒的角度分析，汇流排自身吸收的热量可通过以下公式表示：

式中，c为铝的比热容，m为汇流排质量，△T为温升，I为通过汇流排的电流，R为汇流排电阻，t为时间，h为汇流排表面对流换热系数，A为换热面积。

由公式（1）可知，当电流不同时，在相同时间内汇流排的温升是不一样的，经推导发现汇流排的温升与电流的平方呈比例关系，

，从而在理论上解释了汇流排温升与电流之间的关系。

2仿真模型的建立

2.1模型控制方程及边界条件

本文采用Fluent软件对汇流排进行电-热耦合分析。首先通过式（2）求解汇流排中的电势分布：

电流通过汇流排时产生的焦耳热可由式（3）得到：

汇流排内部能量偏微分守恒方程则如式(4)所示：

式中，等式（2）左边的φ为电势，σ为电导率，S为源项，等式（3）左边的q为汇流排的生热速率，等式（4）左边的ρ和cp分别为汇流排的密度和比热容，右边的T为温度，λm（m=x，y，z）为汇流排的各向导热系数。

模型边界条可用式（5）及式（6）描述：

式中，j为电流密度，AS为汇流排截面积，h为汇流排表面与周围环境的对流换热系数，Tamb为环境温度，Tb为汇流排表面温度，n为垂直于汇流排表面的方向。

2.2模型的验证

本文选取H=1.5mm和H=2mm两种厚度的汇流排进行实验对模型进行验证，宽度均为W=57.5mm，采用的实验装置主要包括电池测试系统900V300A-2CH），温度测量仪KEYSIGHT34972A等。

仿真和实验结果对比曲线如图2所示。从图中可以看出，仿真和实验结果基本相符，但由于实验装置本身存在系统误差，且仿真和实验条件也存在一定的差异性，以上因素均导致仿真分析和实验结果之间存在一定的误差，但最终的稳态趋于一致。

综上所述，模型能够比较准确地预测汇流排最终的温升。