超級(jí)電容儲(chǔ)能電源柜瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析

張婷婷，唐艷麗，趙胤淇，劉 皋，楊明鄂

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412000；2.湖南銀杏可靠性技術(shù)研究所有限公司，湖南長(zhǎng)沙 400100；3.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 412001)

超級(jí)電容儲(chǔ)能電源作為現(xiàn)代有軌電車的牽引動(dòng)力源，具有快速充放電、大電流、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在城市有軌電車中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。但由于自身存在內(nèi)阻及連接片接觸電阻等發(fā)熱源，在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致單體溫度升高。超級(jí)電容的壽命主要受溫度和電壓的影響[2-10]，溫度越高，超級(jí)電容的壽命越短。

李等[11]運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS/FLUENT 對(duì)現(xiàn)代有軌電車超級(jí)電容儲(chǔ)能電源柜內(nèi)部的空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的仿真模擬，獲得了電容柜的溫升分布，并提出了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，但未考慮接觸電阻的影響。紐等[12]通過(guò)對(duì)交流接觸器的熱學(xué)分析，建立了接觸器的穩(wěn)態(tài)熱分析模型，對(duì)接觸電阻發(fā)熱進(jìn)行了仿真模擬，獲得了接觸溫度場(chǎng)的分布。以上文獻(xiàn)僅對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，缺少對(duì)瞬態(tài)熱現(xiàn)象的研究。

本文通過(guò)有限元分析軟件ANSYS/ICEPAK 對(duì)某型超級(jí)電容儲(chǔ)能電源柜內(nèi)部的空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)仿真模擬，獲得了儲(chǔ)能電源柜在使用過(guò)程中的溫度隨時(shí)間分布曲線及各區(qū)域的溫度到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，并根據(jù)仿真結(jié)果，提出了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)建模及計(jì)算，儲(chǔ)能電源柜的內(nèi)部冷卻空氣流動(dòng)屬于湍流，相對(duì)于實(shí)際模型，仿真計(jì)算中有如下假設(shè)：(1)空氣為常溫下不可壓流體；(2)空氣流動(dòng)符合布辛涅斯克假設(shè)，只考慮溫度變化引起的密度變化；(3)儲(chǔ)能電源柜僅受強(qiáng)迫風(fēng)冷的影響，忽略儲(chǔ)能電源柜外殼與外界的熱交換。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[13-14]為：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；為流體速度矢量，m/s；t為時(shí)間，s；μ為流體粘性系數(shù)，Pa·s；μt為流體動(dòng)力粘度，Pa·s；p為流體壓強(qiáng)，Pa；x為幾何坐標(biāo)，m；S為廣義源項(xiàng)。

介質(zhì)間的熱傳導(dǎo)服從如下能量方程：

式中：c為材質(zhì)比熱容，J/(kg·K)；T為介質(zhì)溫度，K；λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；Q為熱源熱量，J。

2 仿真模型

儲(chǔ)能電源柜產(chǎn)品主要零部件材質(zhì)組成及其熱性能參數(shù)[15-19]如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

儲(chǔ)能電源柜約束及載荷分析如下：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，環(huán)境溫度為27 ℃，因此本仿真試驗(yàn)外部流體溫度設(shè)為27 ℃；

(2)12 個(gè)風(fēng)扇(具體位置見(jiàn)圖1)同時(shí)開(kāi)啟，形式為向外吸風(fēng)，單個(gè)風(fēng)量為259 m3/h；

(3)電壓均衡單元PCB(印制電路板)及連接銅排均有熱功耗，分別為6 和2.12 W，其中，連接銅排的熱功耗是由連接面的接觸電阻發(fā)熱引起的；

(4)電容單體充電階段熱功耗為16.2 W，放電階段熱功耗為3.375 W，保持階段熱功耗為0 W，電容單體平均熱功耗為5.4 W；

(5)在箱體的吸風(fēng)口處設(shè)置開(kāi)放邊界，箱體其余邊界設(shè)置為默認(rèn)的絕熱邊界；

(6)流體類型設(shè)置為湍流，并添加流體重力加速度。

使用ANSYS 軟件中的ICEPAK 模塊對(duì)儲(chǔ)能電源柜進(jìn)行散熱仿真，建立有限元模型如圖1 所示，其中1 個(gè)電容模組有限元模型包含16 個(gè)電容單體、連接銅排層、PCB 板層及散熱殼層。

圖1 儲(chǔ)能電源柜有限元仿真模型

3 仿真結(jié)果

由圖2 的溫度云圖可知，電容模組的溫度隨著時(shí)間的增加而逐漸增大，但增幅不斷減??；在儲(chǔ)能電源柜工作前期(約1 h)，電容模組側(cè)面溫度高于其他部位；當(dāng)工作時(shí)間達(dá)到34 800 s時(shí)，電容模組表面溫度呈現(xiàn)出前后側(cè)低、中部高的特點(diǎn)。

由圖3 溫度隨時(shí)間變化曲線可知，儲(chǔ)能電源柜電容單體溫度隨著時(shí)間的增加而逐漸增大，當(dāng)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后溫度保持不變；散熱良好的前后側(cè)位置的電容單體的溫度先穩(wěn)定，而散熱環(huán)境惡劣的中間位置的電容單體的溫度后穩(wěn)定，上前位置、上中位置、上后位置處的電容單體到達(dá)溫度穩(wěn)定的時(shí)間分別為3.75、7.6、3.45 h；將溫差值除以溫度穩(wěn)定時(shí)間，獲得上前位置、上中位置、上后位置的平均溫變率分別為0.07、0.09、0.07 ℃/min；在儲(chǔ)能電源柜工作的早期(1 600 s 以內(nèi))，不同位置的溫變率一致，最大溫變率為0.33 ℃/min。下前位置、下中位置、下后位置處的電容單體到達(dá)溫度穩(wěn)定的時(shí)間分別為2.05、3.8、2.05 h；對(duì)應(yīng)平均溫變率分別為0.09、0.08、0.09 ℃/min；最大溫變率為0.33 ℃/min。

圖3 儲(chǔ)能電源柜上層與下層的電容單體溫度隨時(shí)間變化曲線

經(jīng)計(jì)算得到穩(wěn)定狀態(tài)下(34 800 s)儲(chǔ)能電源柜側(cè)面及底面的溫度云圖，如圖4 所示，進(jìn)風(fēng)口位置處電容模組溫度最低，柜內(nèi)部整體表面溫度呈現(xiàn)出上部高、下部低的特點(diǎn)，上部模組表面最高溫度約為62 ℃，下部模組表面的最高溫度約為46 ℃，溫差為16 ℃，均處于儲(chǔ)能電源柜的中間位置。

圖4 儲(chǔ)能電源柜側(cè)面及底面的溫度云圖

圖5 為儲(chǔ)能電源柜內(nèi)部流體流速及流體溫度分布圖，箭頭顏色表示流體流速(溫度)大小，分布密度表示流量。由圖5可知，儲(chǔ)能電源柜上部前后側(cè)面(靠近散熱風(fēng)扇的出風(fēng)口)處流速大，最大流速約為11.3 m/s；箱體四周流量大，箱體中心流量小；上側(cè)流體溫度高，下側(cè)流體溫度低，最大溫度約為53.16 ℃。

圖5 儲(chǔ)能電源柜內(nèi)部流體流速及流體溫度分布圖

產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量獲得的溫度分布表現(xiàn)為上部高、下部低，與仿真結(jié)果相吻合；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的最高溫度約為52 ℃，由于溫度傳感器放置在空氣中，故其所測(cè)量的溫度接近產(chǎn)品內(nèi)部流體溫度，而仿真結(jié)果中內(nèi)部流體最高溫度為53.161 3 ℃，仿真誤差約為2.23%，與實(shí)際情況相符。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能電源柜進(jìn)行溫升有限元仿真分析，得到如下結(jié)論：

(1)在儲(chǔ)能電源柜中，與散熱風(fēng)扇距離較遠(yuǎn)的中部電容模組溫度高，而靠近散熱風(fēng)扇的前后側(cè)電容模組的溫度低；

(2)靠近吸風(fēng)口的下側(cè)電容模組的溫度低，而靠近出風(fēng)口的上側(cè)電容模組的溫度高；

(3)同一電容模組中，上側(cè)溫度比下側(cè)溫度高，位于中部位置的模組的上下表面的溫差大，位于前后兩側(cè)位置的模組其上下表面的溫差??；

(4)儲(chǔ)能電源箱體四周的流量大，中心的流量小，上側(cè)流體溫度高，下側(cè)流體溫度低；

(5)電容模組到達(dá)溫度穩(wěn)定狀態(tài)需耗時(shí)2～8 h，穩(wěn)定狀態(tài)下溫度低的模組到達(dá)溫度穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也相對(duì)較短；

(6)電容模組實(shí)際工作環(huán)境為溫度循環(huán)，當(dāng)開(kāi)機(jī)工作時(shí)，電容模組的溫度不斷升高直到達(dá)到穩(wěn)定溫度，平均溫變率約為0.08 ℃/min；當(dāng)關(guān)機(jī)或待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電容模組的溫度不斷降低，直到達(dá)到室溫。其中，散熱良好位置(前后側(cè)面、下部)的電容模組的穩(wěn)定溫度低、保溫時(shí)間長(zhǎng)；而散熱不佳位置(中部上側(cè))的電容模組的穩(wěn)定溫度高、保溫時(shí)間短。

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能電源柜仿真結(jié)果的分析，有如下優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議：

(1)現(xiàn)有吸風(fēng)口設(shè)置在靠近散熱風(fēng)扇的下側(cè)面近前后兩側(cè)面的位置，建議將吸風(fēng)口開(kāi)在遠(yuǎn)離散熱風(fēng)扇的下側(cè)面的中部或設(shè)置在左右側(cè)面的中部；

(2)儲(chǔ)能電源柜上側(cè)面的流體溫度較高，建議在上側(cè)面的中部增設(shè)吸風(fēng)口或鼓風(fēng)機(jī)，向箱體內(nèi)部鼓風(fēng)，并將前后兩側(cè)面的散熱風(fēng)扇適當(dāng)往下移動(dòng)，使外部冷空氣與上沖的熱空氣充分混合以降低內(nèi)部流體溫度，從而降低內(nèi)部電容模組溫度；

(3)由于電容模組上部溫度高，建議將模組顛倒放置(即模組下端為連接銅排和電壓均衡單元，上端為電容單體)，使得連接銅排及電壓均衡單元等發(fā)熱部件位于模組的下端，利于熱量的散失；

(4)由于電容模組間隙風(fēng)速小，導(dǎo)致散熱效果不佳，建議在電容模組下表面(尤其是遠(yuǎn)離散熱風(fēng)扇的中部位置)加設(shè)倒漏斗型導(dǎo)流口，引導(dǎo)氣流流入模組間的中間空隙，增大實(shí)際散熱風(fēng)量，利于熱量的散失；

(5)儲(chǔ)能電源柜上下層的電容模組溫差較大，上層電容模組的下表面左右側(cè)面與中間位置的溫差較大，這是由于風(fēng)道分布不均，使得冷卻流體大多從左右側(cè)面流走，中間位置的流體較少，建議增大儲(chǔ)能電源柜下部電容模組間的間隙，使得冷卻流體能通過(guò)模組間的間隙順利到達(dá)上層電容模組表面；

(6)由于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的時(shí)間，建議使用交替供電模式，即設(shè)置2 組供電電源，交替使用，使得1 組電源工作時(shí)另1 組電源不工作，不工作的電源能獲得有效冷卻，可有效降低實(shí)際使用溫度，提高產(chǎn)品使用壽命；

(7)由于上層電容模組尤其是上側(cè)中部的電容模組長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，建議定期將上層電容模組與下層電容模組互換或定期更換上部電容模組，以延長(zhǎng)整個(gè)儲(chǔ)能電源柜的壽命；

(8)由于停止工作后，產(chǎn)品仍處于高溫狀態(tài)，建議在儲(chǔ)能電源柜停止工作后，適當(dāng)延長(zhǎng)散熱風(fēng)扇的工作時(shí)間。