自学结构电流热多场耦合仿真，从大电流线缆载流评估开始

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：大家好，我是仿真秀平台认证讲师杨晓木，资深新能源连接器设计工程师，资深仿真分析技术人员，对连接器的各种性能有深入研究分析；拥有19年CAE综合分析经验，其中9年连接器结构设计经验，2年ANSYS客户技术支持经验。笔者主要研究高压大电流连接器设计、相关行业针对高压连接器的各项标准和性能要求及对应的测试流程和方法；以及各类连接器的各项性能及工艺的仿真分析优化（防水、接触电阻、温升、保持力、插拔力、电磁屏蔽效能计算、热老化、压接），对连接器的各种性能的理论计算评估皆有深入研究和分析；欢迎工程师朋友在仿真秀专栏与我交流（点击下图进入）

随着EV行业的准入要求越来越高，相关电连接的要求也越来越高，尤其是对于电连接的热监控和管理，以及屏蔽的分析和管理等，我们有看见国外的行业巨头都有这方面非常资深的研究，反观我们国内这方面的基础还是非常的薄弱；本文来自笔者已公开发布的论文《大电流线缆载流能力评估及对比》，希望能够学习型研发技术工程师有所帮助，如有不当，欢迎批评指正。下是正文：

摘要：应用在新能源领域的高压线缆，是承载电流的主要部分。如果说搭接部分的连接器或铜、铝排，是产品载流能力的瓶颈点，那么，线缆是决定整体系统载流能力的基础部件。目前行业应用的主要是铜线缆，基于成本和轻量化目标，铝线缆也开始广泛应用在新能源领域。全面评估线缆的载流能力成了目前需要解决的技术问题。

关键词：铜线缆，铝线缆，温升，载流能力，测试

一、线缆载流能力

高压大电流系统设计到一个关键问题点：热安全。线缆作为能量载体，是高压电气连接系统的主要部分，探讨和研究线缆在各种电流及分布方式下的热性能（包括热评估和热安全），是当下急需解决的现实问题。

新能源系统的应用环境恶劣，如高温、强腐蚀、震动等环境因素导致线束与外界环境之间的的换热效果不明显。若高压线束出现破损，导致电缆内部导芯电阻增加，则充电时的线束温度进一步提高。

因能量密度大，空间窄小，极易造成过热甚至起火损毁的重大安全问题。高压大电流系统的热性能和热安全最终会转化成为新能源汽车或其他高能量体系的安全问题。

对于线缆的载流能力，线缆供应商会提供对应的载流温升数据，但基本上只有固定几个电流的温升数据。使用方如果想了解全面的载流能力数据，需要自己做大量的温升实验，才能得到齐全的数据。

我们采用CAE技术建立通电条件下的电缆传热模型。并根据对应的实验结果来验证和修正CAE仿真模型和算法，最终找到与实验结果高度相符的线缆温升载流仿真方法和流程，需要做相应的实验以佐证电缆传热模型的可靠性。

2、线缆载流能力（温升）测试方法及结果

线缆的温升测试，基本是根据以下两个标准：USCAR-2-2013 5.3.3和GB/T 11918.1-2014.22。

对于超过50 mm^2的线缆，线长至少1.4m。为保证线缆温升不受两边的直流电源线影响（基本都在185 mm^2以上），我们测试时会采用比较保守的方式，也就是拉长受测线缆的长度。如下图的接线方式就是其中一种。

载流能力（温升）测试的接线方式：与电源线缆连接处接两根1m长的测试规格线缆，中间一根2.5m长的测试规格线缆，线缆的温升数据提取点主要在中间受测线缆的中间点T5。（T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9共九个温升数据提取点）。

采用此种测试方法，可得出线缆的各种载流能力（温升）数据，如图2,3,4所示。

图2 50mm^2线缆载流（温升）测试结果

图3 95mm^2线缆载流（温升）测试结果

三、线缆载流能力（温升）仿真方法及结果

1、传热学理论

传热即热的传递（以温度差为推动力的能量传递现象）根据热力学第二定律，凡是有温度差的存在就必然有热的传递。

热的传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。热量传递有三种方式：热传导（导热），热对流和热辐射。

热传导：又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。导热是静止物体的一种传热方式，不依靠物质的宏观位移。

对流换热：指流体沿固体壁面流动时所发生的流体和固体之间的热量交换（除了导热还有热对流作用。对流换热过程中所传递的热量为：

辐射换热：两个温度不同的物体通过射线实现热量传递，称之为辐射换热。

2、线缆温升理论分析

温升是材料的主体电阻作用的结果。主体电阻由线缆的形状及其材料阻抗决定。线缆的温升取决于热产生过程中的热传递所造成的热能浪费。因此温升又可以说是依赖于线缆材料的热传递能力，电流的大小和线缆的热量对流。

通电流的产生热能方程：

3、线缆温升仿真

通电条件下电缆传热分析模型。可做如下假设：

(1) 电缆为热厚型电缆，导芯热导率较高，可认为温度均匀；
(2) 导芯和绝缘层内存在沿径向的一维导热，且导芯和绝缘层之间的接触热阻可忽略；

仅考虑绝缘层的径向导热，不考虑轴向导热

(a)方式A连线 (b)方式B连线

在CAE仿真中，我们采用ANSYS的电热耦合模块，真实模拟测试情况，将线缆当做一个圆柱形整体。对线缆施加对应的电流和散热条件（载荷：电流；边界条件：与空气的自然对流），最终计算出不同电流下的温升结果。

方式A：如测试两端两根135mm^2 cable(1.1m长），再接两根1m长的测试规格线缆，中间一根2.5m长的测试规格线缆。
方式B：两端两根135mm^2 cable(1.1m长），中间一根1.5m长的测试规格线缆。

4、线缆温升仿真结果

50mm^2铜线缆的仿真模型采用的方式A连线。其最终的载流仿真数据：200A电流温升26.2°，250A电流温升40.94°，300A电流温升58.95°，350A电流温升82.2°。跟测试对比，误差率在1%以内。

(a)仿真与测试结果对比表 (b)仿真温升结果

图6 50mm^2线缆温升仿真结果（方式A连线）

95mm^2铜线缆的仿真模型采用的方式B连线。其最终的载流仿真数据：300A电流温升22.7°，350A电流温升30.91°，400A电流温升40.38°，450A电流温升51.10°，500A电流温升63.10°。跟测试对比，只有350A和450A载流时误差较大（6%~7%），其他载流情况下误差率在2%以内。

(a)仿真与测试结果对比表 (b)仿真温升结果

图7 95mm^2线缆温升仿真结果（方式B连线）

5、线缆的温升仿真方法总结：

根据前小节的仿真结果和测试结果的对比，我们可得出如下三条结论：

(1) 方法A与方法B测试出来的温升数据基本一致；
(2) 采用方法A和方法B仿真出来的温升数据基本一致；
(3) 仿真与测试出来的数据基本一致。

另外，载流数据汇集还有两种方式，如图8所示。通过合适的仿真方法，我们可以快速得到线缆各种类型的载流曲线数据。

(a)线缆温升图1 (b)线缆De-Rating Curve

图8 线缆载流能力(温升)图

四、铜线缆与铝线缆的载流能力（温升）仿真评估

通过第三节中的线缆载流能力（温升）的仿真方法，我们用来评估不同规格的铜线缆和铝线缆。当然，采用测试或者仿真方式都可进行线缆的载流能力评估。

如图9所示，是全套的铜线缆和铝线缆载流能力（温升）仿真评估结果。

图9 线缆载流能力图（温升及De-Rating Curve）

根据仿真与测试结果的对比，我们可得出如下结论：

(1) 采用测试或者仿真方式都可进行线缆的载流能力评估；
(2) 同等截面积下，铝线的载流能力基本是铜线的80%；
(3) 同样的载流能力下，铝线的质量基本是铜线的45%；
(4) 此方法皆是单根线缆自然对流条件下，未考虑复合布线情况；
(5) 在一定载流条件下，线缆随时间而发生的温度变化，可以通过仿真方式模拟评估；
(6) 此载流能力（温升）仿真方法简单可靠，可作为线缆载流能力的评估方式。

(a)95mm^2铜/铝线缆载流能力对比 (b)58mm^2铜/铝线缆载流能力对比

图10 铝线铜线载流能力（De-rating Curve）

五、工业品结构/电流/热多场耦合仿真

以上就是笔者关于大电流线缆载流能力评估及对比介绍，希望能够研发工程师有些许帮助。为了帮助工程师朋友掌握工业品结构/电流/热多场耦合仿真解决思路和方法，我在仿真秀官网和APP制作了原创精品课《精品课机械电子产品综合性能评估综合仿真12讲》，欢迎订阅一起交流。以下是课程安排（点击下图可以试看）：

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作者简介：杨晓木 仿真秀专栏作者

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首次发布时间：2022-03-08

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