Comportamento térmico de capacitores eletrolíticos de alumínio para aplicações automotivas

Abstract

Esse trabalho apresenta o estudo do comportamento térmico de capacitores eletrolíticos de alumínio que se destinam às aplicações automotivas embarcadas com base nos requisitos da indústria automotiva. A utilização dos sistemas eletrônicos no setor automotivo é crescente e, substitui sistemas hidráulicos e mecânicos convencionais em alguns casos. Assim, as exigências para os módulos eletrônicos e, consequentemente, para seus componentes, têm aumentado, tanto nos requisitos de altas correntes de ondulação, quanto para temperaturas de operação de ou até . Alguns módulos eletrônicos podem ser operados em situações ambientais extremas e têm seu maior pico de carga justamente nesta condição. Um modelo térmico simplificado foi proposto com o objetivo de analisar o comportamento da temperatura de operação do capacitor. Foram realizadas medições de temperatura no núcleo, na caneca e no ambiente próximo ao capacitor em teste. Foi determinado o circuito térmico equivalente, com parâmetros de resistência térmica e capacitância térmica em capacitores de diferentes dimensões. A determinação dos parâmetros térmicos foi realizada a partir da analogia com parâmetros elétricos como: potência elétrica, resistência elétrica e capacitância elétrica. Utilizou-se um simulador de circuitos elétricos para determinar as temperaturas do capacitor eletrolítico analisado em função da corrente de ondulação aplicada. Nos testes realizados, os erros entre valores medidos e simulados foram de no máximo , os maiores erros ocorreram porque o modelo proposto não considera o atraso entre o aquecimento do núcleo e da caneca. Observou-se que quanto maior a massa do capacitor, maior o atraso. Os valores em regime permanente tiveram erros menores, de . Para um mesmo capacitor analisado, foram encontrados diferentes parâmetros quando a temperatura ambiente foi variada de para , o que mostra que cada modelo pode ser considerado válido quando o aquecimento é de até em relação à temperatura ambiente. A partir dos modelos obtidos é possível aplicar um perfil de corrente e determinar o comportamento do aquecimento e resfriamento do capacitor ao longo do tempo.

This paper presents the study of the thermal behavior of aluminum electrolytic capacitors that are intended for embedded automotive applications based on the requirements of the automotive industry. With the increasing use of automotive electronics systems, in some cases replacing conventional hydraulic and mechanical systems, the requirements for electronic modules and consequently to its components, have increased, the requirements have increased for high ripple current capability as well for operating temperatures of or even . Some modules can be operated in extreme environmental situations and has its greatest peak load precisely on this condition. In order to analyze the behavior of the operating temperature of the capacitor, it was proposed a simplified thermal model. Temperature measurements were performed in the core, in the can and in the environment next to the capacitor under test. It was determined the equivalent thermal circuit, with thermal resistance and thermal capacitance parameters from different capacitors sizes. The determination of thermal parameters was performed from the analogy with electrical parameters as electrical power, electrical resistance and electrical capacitance. Simulations were carried out with an electric circuit simulator to determine the capacitor temperatures as a function of applied ripple current. The errors between measured and simulated values were no more than . The largest errors occur because the model does not consider the delay between heating the core and the can, the greater the mass of the capacitor, the greater the delay. The simulated values in steady state condition have errors lower than 0.5%. For the same analyzed capacitor, different parameters were found when the temperature was changed from to , which shows that each model may be considered valid when the heating is up to compared to the ambient temperature. From the obtained models is possible to apply a ripple current profile and determine the heating and cooling behavior of the capacitor over time.