一種新型儲(chǔ)能電源通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)及方法的研究

付 鵬，文 午，李玉梅

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

儲(chǔ)能電源通常由數(shù)量龐大的超級(jí)電容、蓄電池模塊等儲(chǔ)能器件串并聯(lián)構(gòu)成，每一模塊內(nèi)部又由多節(jié)儲(chǔ)能單體串并聯(lián)構(gòu)成。儲(chǔ)能器件由于自身內(nèi)阻，在儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱，同時(shí)現(xiàn)有儲(chǔ)能器件大多對(duì)工作溫度較為敏感，溫度過(guò)高會(huì)降低儲(chǔ)能器件的使用壽命，影響其使用性能，嚴(yán)重情況下會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)溫度保護(hù)功能，影響車輛正常使用。

當(dāng)前，儲(chǔ)能系統(tǒng)通風(fēng)散熱技術(shù)方案大多簡(jiǎn)單利用車輛空調(diào)廢排從柜體底部?jī)蓚?cè)進(jìn)入，配合安裝于柜體內(nèi)部的散熱風(fēng)機(jī)，對(duì)儲(chǔ)能器件進(jìn)行通風(fēng)冷卻，此方案存在以下不足。

1)大部分冷卻風(fēng)直接經(jīng)進(jìn)風(fēng)口正上方儲(chǔ)能器件流向風(fēng)機(jī)，冷卻風(fēng)無(wú)法較為均勻地流經(jīng)各位置儲(chǔ)能器件。

2)風(fēng)機(jī)直接安裝于柜體內(nèi)部，柜體不同位置流向風(fēng)機(jī)的風(fēng)量?jī)H取決于與風(fēng)機(jī)相對(duì)的位置，風(fēng)量不可調(diào)節(jié)。

3)進(jìn)風(fēng)口處無(wú)防漏液結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能器件出現(xiàn)漏液時(shí)，有直接流入空調(diào)風(fēng)道的風(fēng)險(xiǎn)。

4)不能根據(jù)外界環(huán)境溫度，切換自然風(fēng)或者空調(diào)廢排風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱模式。

基于間歇式供電車輛車載儲(chǔ)能系統(tǒng)工程化樣機(jī)項(xiàng)目，我司研究了一種新型的儲(chǔ)能電源散熱結(jié)構(gòu)及方法，可實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)均勻地流經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部各儲(chǔ)能器件，同時(shí)可根據(jù)運(yùn)行環(huán)境溫度切換自然風(fēng)或空調(diào)廢排風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱模式，提高散熱效率、降低散熱能耗和減小各儲(chǔ)能器件間溫差。

1 新型儲(chǔ)能電源散熱方法

新型儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱方法工作原理示意圖如圖1所示。通風(fēng)散熱系統(tǒng)，主要由進(jìn)風(fēng)區(qū)、器件區(qū)和出風(fēng)區(qū)三部分組成，其具體工作原理如下。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)新型通風(fēng)散熱方法示意圖

1)空調(diào)冷卻風(fēng)通過(guò)防漏液+導(dǎo)風(fēng)裝置均勻地流向不同位置儲(chǔ)能器件。

2)通過(guò)調(diào)節(jié)柜體兩側(cè)自然風(fēng)口的開(kāi)閉，切換散熱系統(tǒng)自然冷卻風(fēng)散熱模式。

3)所有冷卻風(fēng)流經(jīng)儲(chǔ)能器件后，通過(guò)獨(dú)立風(fēng)道上的排風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道，最終經(jīng)過(guò)風(fēng)道兩端的離心風(fēng)機(jī)排出。

2 新型儲(chǔ)能電源散熱結(jié)構(gòu)

新型儲(chǔ)能系統(tǒng)通風(fēng)散熱系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)及工作原理如下。

1)新型儲(chǔ)能系統(tǒng)從柜體底部進(jìn)風(fēng)，如圖2所示：空調(diào)冷卻風(fēng)通過(guò)導(dǎo)風(fēng)裝置流向柜體各位置儲(chǔ)能器件，通過(guò)儲(chǔ)能模組之間和內(nèi)部通風(fēng)間隙散熱，盡可能使冷卻風(fēng)均勻流向不同位置的儲(chǔ)能器件(圖中實(shí)線箭頭方向?yàn)槔鋮s風(fēng)流向)。同時(shí)在進(jìn)風(fēng)口處增加了防漏液裝置，當(dāng)儲(chǔ)能器件出現(xiàn)少量漏液時(shí)，電解液可以通過(guò)相應(yīng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，流入防漏液槽內(nèi)(圖中虛線箭頭方向?yàn)殡娊庖盒孤稌r(shí)流向)，避免直接漏入車輛空調(diào)風(fēng)道內(nèi)。

圖2 防漏液+導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

2)如圖3所示，冷卻風(fēng)流經(jīng)各儲(chǔ)能器件后，通過(guò)一貫穿柜體兩側(cè)風(fēng)道上開(kāi)的風(fēng)口，最后通過(guò)風(fēng)道兩側(cè)風(fēng)機(jī)排出柜體，圖中黑色箭頭為冷卻風(fēng)流向示意。不同風(fēng)道位置冷卻風(fēng)量很可能存在差異，可通過(guò)改變風(fēng)道上不同位置風(fēng)口大小，調(diào)節(jié)進(jìn)入風(fēng)口風(fēng)量，從而保障冷卻風(fēng)均勻地流經(jīng)風(fēng)道上每個(gè)風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置儲(chǔ)能器件均勻散熱。本散熱方案中，風(fēng)機(jī)選用新型離心風(fēng)機(jī)，可通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱需求，選用不同的電機(jī)與其匹配，通過(guò)該風(fēng)機(jī)可通過(guò)柜體實(shí)時(shí)的溫度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)散熱和能源利用的最大化。

圖3 可調(diào)節(jié)風(fēng)道示意圖

3)可根據(jù)不同季節(jié)人工調(diào)節(jié)自然風(fēng)口關(guān)閉，從而改變儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)方式，其可調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖4所示：儲(chǔ)能柜體兩側(cè)側(cè)梁為方形管狀型材結(jié)構(gòu)，其底部開(kāi)有長(zhǎng)方形通孔，靠柜體內(nèi)側(cè)面開(kāi)有方形進(jìn)風(fēng)孔。夏秋季節(jié)(外界環(huán)境平均溫度大于20℃)通過(guò)密封板關(guān)閉自然進(jìn)風(fēng)口，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)空調(diào)廢排散熱；冬春季節(jié)(外部環(huán)境平均溫度低于20℃)可將密封板替換成濾網(wǎng)，外界自然風(fēng)可通過(guò)側(cè)梁進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入柜體內(nèi)，為儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱提供冷卻風(fēng)。

1.儲(chǔ)能柜體 2.側(cè)梁 3.長(zhǎng)方形通孔 4.方形進(jìn)風(fēng)口 5.密封板

3 結(jié)語(yǔ)

散熱仿真計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行效果表明，新型儲(chǔ)能電源散熱方法對(duì)于改善儲(chǔ)能電源內(nèi)部器件間的散熱均勻性、提高散熱效率和降低能耗等方面均有較好的效果，對(duì)于今后儲(chǔ)能電源散熱方法的研究和應(yīng)用具有一定的參考意義。