電動汽車充電設(shè)施防凝露設(shè)計(jì)研究

高慶勇 房相成 陳偉明 劉艷敏 王曉磊

近年來，全球能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)突顯，國家大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源汽車，電動汽車技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。電動汽車行業(yè)發(fā)展需要高效便捷、安全穩(wěn)定的充電服務(wù)，充電設(shè)施正是新能源汽車發(fā)展的基石。國家發(fā)改委于2015年10月印發(fā)的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015—2020）》中提出了到2020年新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個，可滿足500萬輛電動汽車充電需求的總體目標(biāo)[1]。截至2016年國家電網(wǎng)公司建設(shè)的“六縱六橫兩環(huán)”高速公路快充網(wǎng)絡(luò)已形成，平均間距不超過50km。并于2017年1月19日宣布，本年度計(jì)劃建設(shè)充電樁2.9萬臺，將于年內(nèi)形成“九縱九橫兩環(huán)”的高速公路快充網(wǎng)絡(luò)；到2020年，高速公路快充網(wǎng)絡(luò)將覆蓋202個城市、3.6萬km，“徹底解決電動汽車充電難問題”[2]。

充電站分布區(qū)域廣泛，在中原地帶，溫差較小、濕度較低，產(chǎn)生凝露時間相對較少，但在沿海地帶及西北區(qū)域，濕度較高或晝夜溫差較大等問題，更容易形成凝露。凝露對電氣設(shè)備主要有以下危害：

1）凝露滴至內(nèi)部金屬件上，引起零件銹蝕[3]。

2）凝露滴至電氣元件上，引起元件短路、爆炸等問題。

3）電氣元件長時間運(yùn)行在高濕環(huán)境中，會縮短元件使用壽命。

在設(shè)備運(yùn)行過程中，上述任何一個問題都會引起較大的安全問題，縮短產(chǎn)品的運(yùn)行壽命，因此必須解決濕度引起的凝露問題，以確保設(shè)備運(yùn)行在一個合理的濕度環(huán)境下。

1 凝露產(chǎn)生原理

空氣主要由干空氣、水汽、塵埃組成。通常濕度是指空氣中水蒸氣的含量，可以用相對濕度、絕對濕度、飽和濕度表示。飽和濕度是單位體積的空氣在一定溫度條件下所能包含的水汽量的最大限度；絕對濕度是一定體積的空氣中水蒸氣的質(zhì)量，單位是g/m3；而相對濕度即絕對濕度與飽和濕度的比值。飽和濕度與空氣溫度有關(guān)，溫度越高，所含水分越多。30%～60%的相對濕度是對于一般電氣設(shè)備比較適宜的[4]。如果保持空氣絕對濕度不變，降低空氣溫度，溫度降低到一定值時空氣中濕度就會達(dá)到飽和，繼續(xù)降溫，空氣中水分就會析出，這種有液態(tài)水析出的現(xiàn)象稱為“凝露”。露點(diǎn)溫度是含濕量和大氣壓力保持不變的前提下能使空氣相對濕度達(dá)到100%的溫度[5]。

試驗(yàn)室條件下的凝露現(xiàn)象主要包括兩種情況：①出現(xiàn)在升溫階段，升溫過程中殼體表面溫度低于環(huán)境溫度，殼體外表面的空氣遇到低于露點(diǎn)溫度的產(chǎn)品表面時，水氣會凝結(jié)在殼體外壁，形成凝露；②出現(xiàn)在降溫階段，外部環(huán)境先降溫，所以殼體內(nèi)壁比內(nèi)部空氣溫度低，如果殼體內(nèi)壁溫度達(dá)到內(nèi)部空氣的露點(diǎn)溫度，殼體內(nèi)壁就會形成凝露。通常要解決的凝露問題主要是第②種，避免內(nèi)壁產(chǎn)生凝露影響內(nèi)部電氣元件性能。凝露是溫度與濕度共同作用的結(jié)果，一般以下兩種情況更容易產(chǎn)生凝露：

1）環(huán)境濕度高，氣候溫差大。

2）機(jī)柜底部電纜溝未封堵，電纜溝有水。

我國地域遼闊，氣候差異巨大，在沿海環(huán)境濕度大，西北地區(qū)溫差變化大，此類區(qū)域一般更易產(chǎn)生凝露[6]。

2 電氣設(shè)備防凝露設(shè)計(jì)

目前電氣行業(yè)內(nèi)處理濕氣、凝露等問題的方法有在柜體內(nèi)部加裝電加熱器、風(fēng)機(jī)、除濕器等，其有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品特性選用最佳除濕方案。

2.1 加熱除濕（濕度控制器+加熱器）

加熱器通過加熱空氣，增加空氣含濕量，降低空氣的相對濕度，利用加熱后的空氣密度較小，會上浮至上方，冷空氣下降至下方，從而達(dá)到整個空間內(nèi)部都充滿熱氣體，空氣加熱后體積加大，會從出風(fēng)口將空氣排至外部[7]。實(shí)際上加熱器沒有能夠真正意義上除濕，只是對設(shè)備內(nèi)部的空氣加熱，進(jìn)而降低產(chǎn)品內(nèi)部的相對濕度?？諝庵械臐穸戎皇潜贿^熱蒸發(fā)，變成 “過熱蒸汽”的形式，如果沒有及時采取必要的措施，過熱蒸汽被冷凝后，設(shè)備內(nèi)部的空氣濕度就還會恢復(fù)到原來的狀態(tài)，等于是一個一直在循環(huán)的除濕方案，適用于含有通風(fēng)孔的設(shè)備。

由表16可知，企業(yè)的總資產(chǎn)凈利率、凈資產(chǎn)收益率都不高，且增減幅度不大，表明企業(yè)資產(chǎn)的綜合利用效果不好、企業(yè)資產(chǎn)盈利能力弱且企業(yè)為股東創(chuàng)造的投資回報(bào)比較少。但企業(yè)的總資產(chǎn)凈利率、凈資產(chǎn)收益率在2016～2017年呈現(xiàn)上升趨勢，說明近年來企業(yè)資產(chǎn)的盈利能力在增強(qiáng)，為股東創(chuàng)造的投資回報(bào)在增加，有逐步增強(qiáng)的趨勢。

2.2 除濕器除濕

現(xiàn)階段的除濕器通常是利用風(fēng)機(jī)將產(chǎn)品殼體內(nèi)部空氣抽進(jìn)除濕器，應(yīng)用半導(dǎo)體熱電元件在一定電壓下產(chǎn)生冷熱效應(yīng)，局部制造凝露條件使殼體內(nèi)潮濕空氣凝結(jié)成水并直接排出殼體外部，從而降低殼體內(nèi)部濕度，防止凝露產(chǎn)生，除濕效果顯著。半導(dǎo)體除濕器由 PN結(jié)、風(fēng)機(jī)、排水管等組成，除濕過程基于熱電制冷的原理，主要應(yīng)用珀?duì)柼?yīng)，通過N型和P型兩種半導(dǎo)體將電能轉(zhuǎn)化為熱能，與之相反的則是塞貝殼效應(yīng)。制冷模式下，直流電由 N型半導(dǎo)體流至P型半導(dǎo)體，熱電對中冷端的溫度降低，并吸收環(huán)境中的熱量。當(dāng)電子經(jīng)導(dǎo)體由P型半導(dǎo)體的低能端流至N型半導(dǎo)體的高能端時，從環(huán)境中吸收熱量，熱量經(jīng)電子傳導(dǎo)至另一端，當(dāng)電子反向流動時釋放熱量。多個熱電對連接構(gòu)成熱電裝置[8]。熱電對的制冷模型和除濕器示意如圖1所示。

圖1 除濕原理及除濕器結(jié)構(gòu)示意圖

除濕器可將空間內(nèi)空氣中的水蒸氣，冷凝變成了“液態(tài)水”，排放到設(shè)備外部，原有的空氣濕度不會再恢復(fù)，能達(dá)到真正除濕的目的。除濕器冷凝除濕技術(shù)已日益成熟，可根據(jù)用戶需要自帶遠(yuǎn)程控制、通信、低溫加熱等功能[9]，更適合應(yīng)用到相對封閉的空間。

2.3 風(fēng)機(jī)除濕

風(fēng)機(jī)不能直接除濕，如設(shè)備開有通風(fēng)孔，反而更容易把外界潮濕空氣帶至充電機(jī)內(nèi)部，潮濕空氣遇到充電機(jī)低溫度壁面，加速凝露形成。風(fēng)機(jī)需與溫度控制器及加熱器配合，風(fēng)機(jī)能讓空氣流動，讓熱量更快速、更均勻的散發(fā)至空氣中[10]。濕度控制器檢測到環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定值時，加熱器與風(fēng)機(jī)啟動，把熱量快速擴(kuò)散至柜體內(nèi)部，提高柜內(nèi)整體溫度，風(fēng)機(jī)一般與加熱器做成一體，放至加熱器下部，但該方案一般在風(fēng)機(jī)下部一般不宜留通風(fēng)孔。

2.4 金屬涂層防凝露

在金屬表面涂覆硅膠干燥劑涂層后，當(dāng)金屬表面溫度低于露點(diǎn)溫度有水分析出時，首先被吸附到金屬表面涂層中，吸附飽和后才會出現(xiàn)凝露。所以在金屬表面涂覆硅膠涂層，在一定時間內(nèi)可有效延緩凝露的產(chǎn)生[11]，但并不能達(dá)到除濕的目的，且增加了加工和維護(hù)成本。

3 充電設(shè)施防凝露試驗(yàn)結(jié)果分析

充電設(shè)施一般分為交流充電樁和直流充電機(jī)，直流充電機(jī)因內(nèi)部有功率轉(zhuǎn)換單元，故一般設(shè)計(jì)有通風(fēng)孔；交流充電樁內(nèi)無功率元件，一般可作為全封閉或有少量通風(fēng)孔的半封閉空間。本次共采用 4臺充電機(jī)分2次進(jìn)行測試，第1次測試條件見表1。

表1 充電機(jī)狀態(tài)表

本次測試環(huán)境為30m3高低溫環(huán)境箱，采用試驗(yàn)設(shè)備為溫濕度表[12]。測試方法如下：試驗(yàn)時打開充電機(jī)前門，高低溫箱設(shè)置溫度45℃，濕度95%，運(yùn)行30min后關(guān)閉充電機(jī)前門再次運(yùn)行10min，關(guān)閉高低溫環(huán)境箱，讓其自然降溫，5h后打開高低溫環(huán)境箱充電機(jī)內(nèi)部狀況見表2。

表2 充電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第2次測試為充電機(jī)左右有通風(fēng)孔，其他條件與第1次測試相同。測試結(jié)果見表3。

表3 充電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過兩次測試對比，得出如下結(jié)論：

1）在相對封閉空間，“除濕器”與“濕度控制器+加熱器+風(fēng)機(jī)”效果類似，效果略好于“濕度控制器+加熱器”；在相對封閉空間，加熱器加熱空氣降低相對溫度可能會存在重復(fù)循環(huán)工作現(xiàn)象，因此相對封閉空間更推薦使用除濕器方案。

2）在開放空間，3種效果對比為：“濕度控制器+加熱器+風(fēng)機(jī)”＞“濕度控制器+加熱器”＞“除濕器”。

4 結(jié)論

本文研究了產(chǎn)品凝露產(chǎn)生的原理及產(chǎn)品除濕的方法，利用實(shí)際產(chǎn)品在高低濕環(huán)境箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出充電設(shè)施有必要增加除濕元件來預(yù)防凝露的產(chǎn)生。在除濕元件選配上得出以下結(jié)論：

1）無發(fā)熱元件充電樁可不開通風(fēng)孔或僅在上部開少量通風(fēng)孔，不建議下部開通風(fēng)孔。

2）除濕器應(yīng)用于相對封閉空間的充電樁內(nèi)，其功率根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際空間確定。

3）有通風(fēng)孔充電樁（機(jī)）宜選用“溫度控制器+加熱器+風(fēng)機(jī)”加熱方案，加熱器功率可根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際空間確定。

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