基于ANSYS的PTC热敏电阻特性研究

赵 强，鲁 芳

（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001）

基于ANSYS的PTC热敏电阻特性研究

赵 强，鲁 芳

（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001）

运用ANSYS有限元分析的方法，通过建模、划分网格、施加载荷、求解分析得到PTC热敏电阻的瞬时热电耦合场。经过仿真，得到PTC热敏电阻电流—温度的关系，为以后蓄电池恒流放电装置的设计打下基础。

PTC热敏电阻 温度场 蓄电池放电

0 引言

在蓄电池的使用与维护过程中，为了测试其容量及活化蓄电池，就必须定期地对其进行放电。传统的蓄电池放电都是先将其从设备上取下，然后接上普通的电阻丝放电，在放电过程中蓄电池组的电压是逐渐减小的，而电阻丝阻值不变，最终放电电流会逐渐减小，因此放电全过程不能实现恒流放电。

PTC加热器是发热元为PTC热敏电阻，用铝合金制成的波纹片为散热器，经过高温黏合而成的。本文通过ANSYS仿真，得到PTC热敏电阻的电流随温度变化关系，进而达到研究PTC通风型加热器的目的。图1为某种型号PTC加热器。

1 理论分析

PTC热敏电阻是典型具有温度敏感性的半导体电阻，当其温度超过一定值时，其阻值随温度的升高而升高。PTC热敏电阻在施加额定的电压或额定的电流后而发热。通电后，其主要热源是电阻的生热率。生热率是指在PTC上施加额定的电流或者电压时，其在单位时间内释放的热量。其遵循欧姆定律：q=I2R(1)式中：I—流过导体的电流大小；R—导体的电阻值。

图1 PTC加热器外形图

由于PTC材料的物理参数随温度变化而改变，因而引入电阻温度系数α，则生热率为I2R[1+α(Tc-20)]。热传导是物体内部或者两个接触的物体之间，由于存在温度梯度，热量从温度高的部分传递到温度低的部分。热传导遵循傅里叶定律：

式中：Φ—热流量，单位时间内热传递的值；

λ—导热系数(热导率)；

A—垂直于导热方向的截面积。

热对流是指由于温差的存在，物体表面与它周围接触的流体之间的热量交换。热对流可以分为两类：自然对流与强制对流。热对流可以用牛顿冷却方程来表示：

式中：Φ—热流量，单位时间内热传递的值；

h—为对流换热系数；

A—与流体接触的壁面面积；

ts—固体表面温度；

tB—流体的温度。

PTC的热对流方式主要是自然对流，无强制对流，因此在进行计算时，空气对流换热系数的取值可以按照空气自由对流换热系数的标准来取值。

根据具体的实际情况，在保证计算精度的前提下，提出以下3点假设：1）只考虑PTC的空气对流换热以及热传导，不考虑热辐射；2）PTC材料各物理性能参数各向同性；3）PTC周围的空气对流换热为自然对流换热，且空气参数为国际标准空气参数。

2 热电耦合场的建立

ANSYS作为一个大型通用的有限元分析软件，它是融合流场、温度场、电磁场等于一体，涵盖了多种耦合场的有限元分析，可进行线性、非线性、稳态、瞬态分析，广泛应用于航空航天、机械制造、国防军工、生物医学、日用家电等工业制造及科学研究领域。

2.1 建立模型

如图1所示的PTC加热器，白色的小长方体即为PTC热敏电阻。为了计算的方便，在满足计算精度的前提下，根据实际测量，PTC的规格为30 mm×4 mm×10 mm。简化的模型图如图2所示。

2.2 划分网格

一般来说，网格划分的数量越多，计算的精度就会越高，同时计算的规模也会越大。网格划分主要包括以下三个步骤：

1） 定义单元属性，包括单元类型、材料性质、单元坐标系等；

2） 定义网格生成控制；

3） 生成网格；

图2 PTC模型图

根据热电耦合的实际需要，本文选用SOLID69号单元。材料的属性包括电阻率、热传导系数等，由于PTC的材料物理参数是随温度变化的，因此建立对应的温度与物理参数的表格，在表中两温度之前的物理参数，ANSYS会自动对照表格，按照插值计算的方法，计算出各节点温度对应的物理参数。完成相关设置后，网格划分如图3所示。

图3 划分网格后的模型

2.3 施加载荷

1）热物理环境的创建

在完成对热分析所需要的有限元模型建立后，需要对热分析施加载荷。最后将热分析所有的设置操作内容全部写入热物理环境中。对热分析施加的载荷包括：初始温度载荷为20℃。在本文中PTC表面空气对流换热系数按空气自由对流换热系数8 W/M2·℃来取值。PTC的生热率载荷由电场所得到的焦耳热施加。

2）电磁物理环境的创建

热物理环境创建完成后，需清除热物理环境，进行电磁物理环境的创建，在完成定义电磁分析所需要的单元类型及材料属性后，需对电分析施加载荷。对电分析施加的载荷包括：在PTC施加24 V的电压。电分析需要的温度载荷由热分析经计算后得到的温度施加。最后将电分析所有的设置操作内容全部写入电物理环境中。

3) DO循环的准备

在准备DO循环之前，需要先读入热物理环境，然后对热分析进行一次仿真计算，得到电分析所需要的温度载荷。DO循环的步骤可以分为以下几步：

(1) 读入电磁物理环境；

(2) 从温度场的结果文件中读取TEMP的值；(3) 求解电分析；

(4) 读入热物理环境；

(5) 从电分析的结果文件中读入HGEN的值；

(6) 求解瞬态热分析；

(7) 按预设的时间增量增加时间；

(8) 判断时间是否到达仿真结束时间。

3 仿真结果分析

在施加好载荷条件后，进入求解模块进行模型的求解。经计算，在温度场内得到PTC温度随时间变化关系如图4所示。

图4 温度—时间变化曲线

同样，经计算，在电场中得到PTC的电流随时间变化关系，如图5所示。

同时，通过仿真结果，通过中间变量TIME，我们可得到了瞬时的电流随温度变化的关系，从而达到仿真的目的。

4 结束语

为解决蓄电池恒流放电装置的设计问题，利用有限元数值计算的方法，建立了PTC的三维有限元热电分析模型，同时利用ANSYS热电耦合仿真平台，对PTC进行了热电耦合场的分析，得到了PTC的电流随温度的变化关系。可根据该种关系，研究PTC通风发热器的工作特性，设计控制算法，可以很好的完成蓄电池的恒流放电的任务，达到预期的效果。

[1] 陶文锉. 数值传热学(第二版)[M]. 西安∶ 西安交通大学出版社, 2001.

[2] 党沙沙, 许洋, 张红松. ANSYS12.0多物理场耦合有限元分析从入门到精通[M]. 北京∶ 机械工业出版社,2010.2.

[3] 方丰勤, 王晓远. 基于PTC通风型加热器的蓄电池恒流放电仪的设计[M]. 天津∶ 天津大学.

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[5] 王泽鹏, 张秀辉, 胡仁喜. ANSYS12.0热力学有限元分析从入门到精通[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 2010. 6.

Analysis on the Characteristics of PTC Thermistor by ANSYS

Zhao Qiang, Lu Fang
(Department of Control Engineer, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, China)

By adopting ANSYS finite element method, the transient thermoelectric coupling field of the PTCthermistor is gotten through modeling, meshing, loading and analyzing. The relationship between the PTCthermistor current and temperature lays is gained by simulation, which lay the foundation for the design ofthe constant discharge of battery.

PTC thermistor; temperature field; discharge of battery

TP212

A

1003-4862（2015）08-0040-03

2015-04-10

赵强（1992-），男，硕士生。研究方向：电力电子与电力传动。