公交充電站熱管理優(yōu)化方案及效果

康萬(wàn)成，歐方浩，王占全

（華商三優(yōu)新能源科技有限公司，北京 通州100100）

1 研究背景

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，關(guān)系到能源安全、環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展、以及汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵部件及核心技術(shù)自主化等重大問題。預(yù)裝式充電站是將電網(wǎng)內(nèi)的電能輸出到電動(dòng)汽車內(nèi)的重要設(shè)施，其功能是：將電網(wǎng)內(nèi)的高壓電轉(zhuǎn)換為380 V 的低壓電，經(jīng)由充電機(jī)柜的模塊功率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車的電能，預(yù)裝式充電站內(nèi)的散熱設(shè)計(jì)對(duì)保護(hù)充電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。截止到2020 年12 月，公交充電站4 個(gè)階段共建站170 多處，其中2 處僅建設(shè)小車樁，2處為立體停車樓，其余場(chǎng)站為預(yù)裝式充電站。充電站內(nèi)充電機(jī)組全部投產(chǎn)啟用后，發(fā)熱設(shè)備多且比較集中，而通風(fēng)散熱設(shè)備卻不能發(fā)揮到應(yīng)有的設(shè)計(jì)水平，導(dǎo)致預(yù)裝式充電設(shè)備內(nèi)溫度升高。夏季充電機(jī)柜散熱隔室內(nèi)溫度達(dá)50 ℃，機(jī)柜內(nèi)模塊溫度最高達(dá)75 ℃，監(jiān)控系統(tǒng)常有溫度過高報(bào)警，已經(jīng)嚴(yán)重影響充電設(shè)備的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的正常發(fā)揮。

2 現(xiàn)有公交充電設(shè)備通風(fēng)散熱系統(tǒng)建設(shè)模式

2.1 現(xiàn)狀設(shè)備內(nèi)散熱系統(tǒng)概況

充電站所帶負(fù)載為450或360 kW大功率直流充電樁，交流電通過充電機(jī)柜轉(zhuǎn)換成直流電后輸送到前端充電樁處，同時(shí)充電模塊工作時(shí)將產(chǎn)生大量的熱。充電機(jī)柜通風(fēng)方向?yàn)榍斑M(jìn)后出，冷氣由柜前進(jìn)入為充電模塊降溫，充電模塊工作時(shí)散發(fā)的熱量由柜后排出，防止模塊溫度過高而出現(xiàn)降功率運(yùn)行或停機(jī)。

充電站內(nèi)的散熱系統(tǒng)主要通過強(qiáng)制風(fēng)冷循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由通風(fēng)紗網(wǎng)、充電機(jī)組、散熱風(fēng)機(jī)等組成。冷空氣被通風(fēng)紗網(wǎng)過濾后經(jīng)過工作時(shí)的充電模塊變?yōu)闊峥諝膺M(jìn)入設(shè)備內(nèi)的密封隔室，再由密封隔室頂部的風(fēng)機(jī)排出。在預(yù)裝式充電設(shè)備內(nèi)設(shè)有充電機(jī)柜室，針對(duì)充電機(jī)柜的工作狀況，將充電機(jī)柜室設(shè)計(jì)為“人”字型通風(fēng)方式。機(jī)柜在室內(nèi)采用背對(duì)背樣式布置，柜體四周與箱體之間用巖棉板封堵，箱體頂部設(shè)置出風(fēng)口，使空氣形成側(cè)進(jìn)頂出自下而上的“人”字型對(duì)流通風(fēng)方式。

2.2 現(xiàn)狀充電設(shè)備調(diào)查

2.2.1 充電模塊

經(jīng)調(diào)研，充電機(jī)柜內(nèi)模塊滿功率運(yùn)行環(huán)境溫度需求為50～55 ℃，高于此溫度時(shí)模塊降功率運(yùn)行，環(huán)境溫度高于70 ℃時(shí)模塊停止工作。針對(duì)現(xiàn)狀模塊運(yùn)行環(huán)境狀況，需求提高模塊通風(fēng)散熱效率。

2.2.2 設(shè)備內(nèi)空間調(diào)研

由于充電機(jī)柜后要預(yù)留檢修維護(hù)通道，且通道寬度≥800 mm，依據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)尺寸柜后密封隔室空間＞10.4 m3，散熱風(fēng)機(jī)采用溫度控制啟停方式，室溫檢測(cè)器安裝于充電機(jī)柜室內(nèi)頂部。

2.3 優(yōu)化內(nèi)容

充電模塊工作時(shí)散發(fā)熱量排放到柜后密閉空間內(nèi)，由于柜后空間容積大，熱氣與原空間內(nèi)空氣混合后溫度先降低再升高，風(fēng)機(jī)溫控器安裝于室內(nèi)頂部，與充電模塊間距離遠(yuǎn)，造成風(fēng)機(jī)溫控器反應(yīng)“遲滯”，設(shè)備整體熱管理效率低。某場(chǎng)站電流、溫度變化曲線圖如圖1所示。

圖1 某場(chǎng)站電流、溫度變化曲線圖

3 充電站熱管理優(yōu)化方案

首先對(duì)充電設(shè)備內(nèi)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)查，繪制熱管理系統(tǒng)圖和溫度感應(yīng)監(jiān)測(cè)圖，然后進(jìn)行現(xiàn)狀充電模塊工作散熱量計(jì)算，熱管理系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上提出了熱管理系統(tǒng)技術(shù)改造的幾個(gè)方案。對(duì)各方案從技術(shù)可行性、安全可靠性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性等方面綜合比較選優(yōu)，最后確定了最優(yōu)方案。

整個(gè)方案包括設(shè)備內(nèi)充電機(jī)柜改造和溫控探頭布置位置改造2個(gè)部分。

3.1 設(shè)備內(nèi)充電機(jī)柜改造

根據(jù)預(yù)裝式充電站調(diào)研可知已投產(chǎn)4 個(gè)階段充電機(jī)柜排布方式有2 種，單排布置和背靠背布置形式，單排布置柜后空間1100 mm，背靠背布置柜后空間1300 mm。

預(yù)裝式充電站可采用充電機(jī)柜后加裝散熱風(fēng)道的方案。機(jī)柜內(nèi)充電模塊工作時(shí)散發(fā)熱量由柜后散熱風(fēng)道集中后通過箱體頂部風(fēng)機(jī)排出，散熱風(fēng)道可抑制熱量在機(jī)柜后密封空間內(nèi)擴(kuò)散，減少風(fēng)機(jī)排放熱空氣體積，縮短充電模塊工作時(shí)散熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間差，提高充電模塊和設(shè)備頂部風(fēng)機(jī)工作效率。

經(jīng)過篩選后確定試點(diǎn)樣站：牛堡屯802 充電站（360 kW）1#箱變（4 樁），東高路專39 充電站（360 kW）1#箱變（4 樁）。改造前需拆除原有充電機(jī)柜排風(fēng)側(cè)柜門，為配合安裝散熱風(fēng)道更換新柜門。

3.2 溫控探頭布置方案

根據(jù)監(jiān)測(cè)需求對(duì)原機(jī)柜室內(nèi)溫控探頭位置重新分配，如圖2所示。

4 充電設(shè)備熱管理優(yōu)化后效果

散熱風(fēng)道安裝后充電模塊散發(fā)熱量沿風(fēng)道上升到箱體頂部，再由頂部風(fēng)機(jī)排出。實(shí)現(xiàn)了熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，很大程度上緩解了風(fēng)機(jī)溫控器啟動(dòng)延時(shí)問題。

圖2 機(jī)柜室溫控探頭布置

通過對(duì)設(shè)備后臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控充電設(shè)備的散熱狀況是否處于良好狀態(tài)，這些參數(shù)包括充電電流變化，設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度變化，模塊運(yùn)行溫度變化，設(shè)備出風(fēng)口溫度變化，室外溫度變化等。根據(jù)這些參數(shù)能大體了解該充電設(shè)備的散熱狀況，對(duì)即將出現(xiàn)由不良散熱狀況引起的故障提前預(yù)警，降低設(shè)備內(nèi)元器件的故障率。

充電模塊散發(fā)的熱量及時(shí)排入散熱風(fēng)道，避免了模塊溫度持續(xù)升高后降功率運(yùn)行，甚至出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，排除了部分不安全隱患。

樣站安裝散熱風(fēng)道后，柜后通道寬度為900 mm，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)道護(hù)板采用卡扣固定方式，拆裝方便，對(duì)充電機(jī)柜的檢修、維護(hù)無(wú)影響。

從主要電氣性能特性曲線看出，熱管理優(yōu)化改造后，檢修通道內(nèi)溫度變化浮動(dòng)減小，不再受到模塊散發(fā)熱量影響。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與充電樁充電時(shí)間間隔縮短。

通過本次熱管理系統(tǒng)優(yōu)化、改造工作，建立了充電系統(tǒng)溫控?cái)?shù)據(jù)檔案，實(shí)現(xiàn)了充電站熱管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

5 應(yīng)用總結(jié)和展望

改造后設(shè)備內(nèi)空氣流通更加順暢，機(jī)柜工作時(shí)排風(fēng)側(cè)風(fēng)道內(nèi)溫度升高迅速，風(fēng)道外部溫度變化小，提升了散熱風(fēng)機(jī)的工作效率，滿足設(shè)備安全運(yùn)行的環(huán)境溫度；由于高溫造成的模塊工作停機(jī)次數(shù)明顯減少，運(yùn)行維護(hù)人員工作環(huán)境舒適度得到明顯的改善。

結(jié)合本次充電設(shè)備改造經(jīng)驗(yàn)，在下一步充電設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索和嘗試。

對(duì)充電機(jī)柜的改造：將機(jī)柜內(nèi)散熱模塊安裝方式改為豎直固定，利用熱空氣的對(duì)流，使模塊自帶風(fēng)扇將熱量向上排出。同時(shí)對(duì)機(jī)柜外殼四周的縫隙做好密封措施，減少柜內(nèi)熱空氣的溢出，順利地將模塊產(chǎn)生的熱量集中排放到柜體頂部，有效地降低了機(jī)柜室的溫度。

對(duì)充電設(shè)備殼體的改造：設(shè)備內(nèi)充電機(jī)柜采用單排布置方式，機(jī)柜四周用巖棉板封擋，形成單側(cè)進(jìn)風(fēng)和單側(cè)出風(fēng)。加大出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口之間的距離，防止排出的熱空氣經(jīng)由進(jìn)風(fēng)口再次進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，形成環(huán)流，不利于機(jī)柜內(nèi)模塊的降溫工作。更換進(jìn)風(fēng)口處的通風(fēng)網(wǎng)材質(zhì)為金屬紗網(wǎng)，因?yàn)闄C(jī)柜內(nèi)元器件帶電，為安全起見，既要保證紗網(wǎng)的剛度，又要防止動(dòng)物飛蟲進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，網(wǎng)目大小的選擇出現(xiàn)矛盾。經(jīng)研究，可以采用雙層紗網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)強(qiáng)度高，網(wǎng)目大；外網(wǎng)強(qiáng)度低網(wǎng)目小，散熱和安全均得到了保證。

對(duì)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的改進(jìn)：在柳絮、揚(yáng)塵頻發(fā)的地區(qū)同時(shí)注意增加清洗或更換紗網(wǎng)的次數(shù)，防止污穢對(duì)通風(fēng)口的封堵，影響設(shè)備的通風(fēng)效果。

充電站是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要配套設(shè)施，關(guān)系到國(guó)家的能源安全、環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)承擔(dān)著電網(wǎng)對(duì)分散充電負(fù)荷的集中管理，只有保障了充電設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)，才可能早日實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的有序充（放）電。