基于Flotherm的風(fēng)冷型60kW直流充電機(jī)的風(fēng)道設(shè)計(jì)

林元華，吳 明

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211106) (2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，直流充電機(jī)的需求也越來(lái)越旺盛。如何快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，快速設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品越發(fā)顯得重要。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)風(fēng)冷型直流充電機(jī)的原理和設(shè)計(jì)思路都已定型，其設(shè)計(jì)工藝也已成熟定型。但如何合理地設(shè)計(jì)直流充電機(jī)的風(fēng)道，仍然是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心和技術(shù)難題。合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)，可以使直流充電機(jī)整機(jī)小型化，以最合理的風(fēng)量滿足充電機(jī)的整機(jī)散熱需求，從而降低充電機(jī)的整機(jī)成本，使得產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的市場(chǎng)中更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

1 直流充電機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)冷型直流充電機(jī)中，合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)對(duì)充電機(jī)的壽命以及無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間有著至關(guān)重要的影響。風(fēng)道設(shè)計(jì)主要包括風(fēng)道型式的設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)，一般流程如圖1所示，按照此流程對(duì)60kW直流充電機(jī)的風(fēng)道進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 風(fēng)道設(shè)計(jì)流程

1)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

此60kW充電機(jī)為戶外型充電機(jī)，需要達(dá)到IP54防護(hù)等級(jí)[1]。其主要的發(fā)熱元器件為直流模塊，功率損失一般按照總功率的5%計(jì)算。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中現(xiàn)有的直流模塊散熱方式基本都為風(fēng)冷散熱，充電機(jī)都按照強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)，所以在此背景下設(shè)計(jì)充電機(jī)只需要考慮導(dǎo)熱和對(duì)流。由于充電機(jī)是戶外產(chǎn)品，需要考慮太陽(yáng)輻射，綜合考慮熱傳遞方式對(duì)充電機(jī)實(shí)際工作的影響，在設(shè)計(jì)中，充電機(jī)的熱量傳遞主要考慮對(duì)流換熱和太陽(yáng)輻射。將散熱風(fēng)道布置在充電機(jī)的中部，不但可以避免太陽(yáng)輻射直接對(duì)充電模塊產(chǎn)生不利影響，而且可以避免地面灰塵等阻塞充電機(jī)的風(fēng)道。風(fēng)機(jī)和過(guò)濾器對(duì)稱放置，含有過(guò)濾棉的過(guò)濾窗在進(jìn)風(fēng)側(cè)，風(fēng)機(jī)在出風(fēng)側(cè)，如此設(shè)計(jì)的風(fēng)道長(zhǎng)度最短。此時(shí)，柳絮和灰塵等會(huì)吸附在過(guò)濾棉上，防止它們對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生不利影響，確保散熱風(fēng)道的暢通。具體的風(fēng)道設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2)風(fēng)量計(jì)算。

強(qiáng)迫冷卻所需的有效風(fēng)量Q為：

圖2 直流充電機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)示意圖

式中：Q為有效風(fēng)量，m3/h；W為功耗，W；△T為系統(tǒng)內(nèi)溫度與環(huán)境溫度之差，一般可取5～15℃；CP為空氣比熱容，J/(kg·℃)；ρ為空氣密度，kg/m3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以按照1.5～3.0倍的余量確定系統(tǒng)所需的風(fēng)量QD，直風(fēng)道一般取1.5倍即可，即QD=1.5Q=633.5m3/h。

3)風(fēng)壓計(jì)算。

對(duì)于系統(tǒng)壓力損失的計(jì)算，可根據(jù)風(fēng)道的形狀做出估算：

式中：Pi為靜壓損失，cmH2O，1cmH2O=100Pa；α為風(fēng)道損失系數(shù)，按空氣流經(jīng)的風(fēng)道類型取值，見(jiàn)表1；vi為風(fēng)速，cm/s。風(fēng)速vi的計(jì)算公式為

式中：Qi為風(fēng)道截面積風(fēng)量，cm3/s；Ai為風(fēng)道的截面積，cm2。風(fēng)道截面積Ai的計(jì)算公式為

式中：Qa為模塊出風(fēng)口風(fēng)量，m3/h；v為模塊出風(fēng)口風(fēng)速，一般取3～4 m/s，極限為5m/s。由于60kW直流充電機(jī)中有4個(gè)模塊，每個(gè)模塊的有效風(fēng)量為200m3/h，可以算得：Ai=0.05mm2，vi=3.52m/s。

表1 風(fēng)道損失系數(shù)

系統(tǒng)總的壓力損失P=Pi+P0=67.5～90.0Pa，其中P0為防護(hù)等級(jí)為IP54的防塵棉的靜壓(60Pa)。目前國(guó)內(nèi)網(wǎng)板的開(kāi)孔率可達(dá)到0.8，鑒于通風(fēng)量越大越好的原則，表1風(fēng)道損失系數(shù)α可選1.0～4.0。

由此算得系統(tǒng)壓力損失，在風(fēng)機(jī)的特性曲線上可以得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)量為700～1 300m3/h，該值大于算得的系統(tǒng)所需冷卻風(fēng)量，即此款風(fēng)扇滿足設(shè)計(jì)需求。

4)熱仿真。

此充電機(jī)的主要發(fā)熱元器件為直流模塊，單個(gè)模塊15kW，模塊功率損失按照5%計(jì)算。左右進(jìn)出風(fēng)過(guò)濾網(wǎng)按照說(shuō)明書(shū)中60Pa的風(fēng)阻進(jìn)行仿真。每個(gè)模塊中自帶2個(gè)DC12V風(fēng)機(jī)，充電機(jī)中選用2個(gè)交流風(fēng)機(jī)，具體的風(fēng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)

根據(jù)以上邊界條件和GB2423中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的規(guī)定，按照輻照度1 120W/m2考慮太陽(yáng)輻射對(duì)充電機(jī)的影響，利用Flotherm對(duì)充電機(jī)整機(jī)進(jìn)行熱仿真[2-3]，可以得出充電機(jī)風(fēng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的壓力和風(fēng)量。由圖3可知,風(fēng)機(jī)實(shí)際工作壓力為79.795Pa，實(shí)際工作風(fēng)量為571.032m3/h。風(fēng)量低于整機(jī)計(jì)算最小風(fēng)量633.5m3/h(整體柜內(nèi)溫差按照15℃計(jì)算)，符合設(shè)計(jì)需求。

由圖4可知，充電機(jī)整機(jī)出風(fēng)口平均風(fēng)速約為3.55m/s，進(jìn)風(fēng)口平均風(fēng)速約為1.65m/s。充電機(jī)機(jī)柜內(nèi)平均溫度為60.5℃，平均溫度差為10.5℃，低于15℃的邊界條件。進(jìn)風(fēng)口平均溫度為54℃，低于模塊高溫限功率設(shè)置的溫度55℃；出風(fēng)口平均溫度為60℃，低于風(fēng)機(jī)正常工作溫度65℃，均符合設(shè)計(jì)邊界條件。

經(jīng)Flotherm熱仿真分析可知，充電機(jī)的風(fēng)道設(shè)計(jì)能夠滿足熱設(shè)計(jì)要求。

5)高溫?zé)釡y(cè)試。

在50℃高溫箱中，用溫度記錄儀、K型熱電偶做充電機(jī)整機(jī)的熱試驗(yàn)[4-5]。充電機(jī)中的測(cè)溫點(diǎn)主要有8個(gè)，充電機(jī)靠近模塊處的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口各布置2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，柜內(nèi)從上到下再布置4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。高溫?zé)嵩囼?yàn)通過(guò)的條件為：充電機(jī)在高溫?zé)嵩囼?yàn)中，在熱平衡后能夠繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行。轉(zhuǎn)化為以溫差表示的邊界條件：1)柜內(nèi)模塊進(jìn)風(fēng)口溫度低于模塊限功率工作溫度55℃；2)柜內(nèi)平均溫度與環(huán)境溫度差低于15℃；3)柜內(nèi)模塊出風(fēng)口溫度低于風(fēng)機(jī)工作極限溫度65℃。

圖3 風(fēng)機(jī)實(shí)際工作壓力和風(fēng)量

圖4 充電機(jī)整機(jī)風(fēng)速和溫度分布圖

由圖5可知，充電機(jī)在滿載荷運(yùn)行的狀態(tài)下，溫度差是趨于平穩(wěn)的。進(jìn)風(fēng)口的一個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的溫差約為4℃，另一個(gè)約為5℃，可見(jiàn)進(jìn)風(fēng)口的平均溫差約為4.5℃。高溫?zé)釡y(cè)試的環(huán)境溫度為50±2℃，即意味著模塊進(jìn)風(fēng)口的溫度為54.5±2℃，低于模塊限功率溫度55℃，能夠滿足充電機(jī)的熱設(shè)計(jì)邊界條件一；由圖5可知，柜內(nèi)平均溫差約為11℃，能夠滿足充電機(jī)的熱設(shè)計(jì)邊界條件二；柜內(nèi)溫差最高點(diǎn)在模塊的出風(fēng)口處，出風(fēng)口的一個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的溫差約為16℃，另一個(gè)約為14℃，可見(jiàn)出風(fēng)口的溫差平均約為15℃。柜內(nèi)模塊出風(fēng)口溫度低于風(fēng)機(jī)工作極限溫度65℃，能夠滿足充電機(jī)的熱設(shè)計(jì)邊界條件三。

圖5 柜內(nèi)8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)與環(huán)境溫差及溫差趨勢(shì)圖

綜上所述，可知在高溫?zé)嵩囼?yàn)中，充電機(jī)能夠滿足試驗(yàn)要求，即通過(guò)了高溫?zé)嵩囼?yàn)。但是對(duì)比高溫?zé)嵩囼?yàn)和熱仿真的數(shù)據(jù)可知：高溫?zé)嵩囼?yàn)的數(shù)據(jù)比熱仿真的數(shù)據(jù)普遍偏高。其中，柜內(nèi)平均溫度高0.5℃，柜內(nèi)模塊進(jìn)風(fēng)口處溫差高0.5℃，模塊出風(fēng)口處溫差高5℃。造成偏差較大可能有以下幾個(gè)原因：1)熱電偶的測(cè)量誤差過(guò)大，此熱電偶的誤差為±5℃；2)高溫箱溫度控制不夠精確，超過(guò)±2℃的誤差范圍；3)出風(fēng)口的風(fēng)阻過(guò)大，影響了充電機(jī)整機(jī)的有效散熱；4)模塊的實(shí)際功耗損失超過(guò)5%，造成理論計(jì)算風(fēng)量偏低；5)充電機(jī)出風(fēng)口離高溫箱墻壁過(guò)近，熱風(fēng)直接反彈到充電機(jī)出風(fēng)口，造成充電機(jī)出風(fēng)口出現(xiàn)溫度很高的現(xiàn)象。對(duì)此有以下幾點(diǎn)建議：1)將每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度測(cè)試點(diǎn)數(shù)目加倍，剔除非常規(guī)數(shù)據(jù)，其他按平均值計(jì)算；2)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將出風(fēng)口風(fēng)阻降低；3)模塊在做實(shí)際高溫?zé)釡y(cè)試時(shí)，對(duì)模塊的電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；4)在高溫箱中，充電機(jī)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口都需要注意與高溫箱墻壁之間的距離。

2 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)道的設(shè)計(jì)在充電機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)中最為重要，這不僅關(guān)系到整機(jī)散熱方案的確定，而且關(guān)系到整機(jī)內(nèi)部電器件的布局。根據(jù)風(fēng)道設(shè)計(jì)流程進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)，能夠快速地設(shè)計(jì)出符合要求的風(fēng)道，提升充電機(jī)整機(jī)的開(kāi)發(fā)效率，對(duì)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求和增強(qiáng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力都有著至關(guān)重要的作用。