孫克亮 黃宏成

1.上海申沃客車有限公司，2.上海交通大學(xué)，上海201108

1 前言

比功率大的超級電容具有快速充電、循環(huán)壽命長和充放電電流大等優(yōu)點［1］，比較適合用于短距離、線路固定的區(qū)域車輛，例如火車站或飛機場的牽引車、學(xué)校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動公交客車等［2］。

作為電動汽車的能量儲存裝置，超級電容的工作溫度要在一定范圍內(nèi)（－30～55℃）。目前，某型號超級電容公交客車在儲能用超級電容的散熱方面還存在一些問題，主要表現(xiàn)為：在車輛持續(xù)工作中，電容模塊的溫度持續(xù)上升，車輛后部電容艙溫度比前部電容艙溫度高10℃左右；電容模塊冷卻出風(fēng)口與電容模塊溫度差只有2℃，電容模塊得不到充分的冷卻；同時，在車輛制動過程中，很明顯感到后部電容艙熱風(fēng)經(jīng)其進風(fēng)口反灌入車廂內(nèi)。

此型號超級電容公交客車的電容模塊主采用風(fēng)冷方式進行散熱，通過對上面現(xiàn)象的分析，主要問題有：電容模塊內(nèi)部空間狹小，風(fēng)冷阻力大；電容艙設(shè)計時未充分考慮電容散熱的通風(fēng)需求。

2 電容箱體的改進措施

為保證合理氣流組織空間，將原有18單元模塊變?yōu)?6單元模塊。設(shè)計中考慮強化冷卻風(fēng)在電容單體四周的通風(fēng)量（原有的設(shè)計主要在電容單體兩個面上進行風(fēng)冷），并且考慮沿流程氣流的溫度變化，電容單體間的間距并不恒定；增加下部進風(fēng)量，在局部形成自下而上的通風(fēng)；增加電容單體間的間距，將電容單體的兩隊排列適當(dāng)向兩側(cè)壁板靠，增加中路通風(fēng)量；減少近風(fēng)扇的進風(fēng)量，使進入模塊的冷卻風(fēng)可以充分與電容單體接觸；在風(fēng)扇支撐板上開槽孔，減少風(fēng)扇入口段的風(fēng)阻，以期增大進風(fēng)量。

此外，在風(fēng)扇與車廂壁板風(fēng)箱的入口段還設(shè)計增加回形阻風(fēng)結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)箱內(nèi)熱風(fēng)向電容艙的倒風(fēng)，如圖1所示。

根據(jù)速度場（圖2）和溫度場（圖3）的數(shù)值模擬，冷卻風(fēng)在電容模塊內(nèi)所有的外表面都形成了冷卻流動，流動靜壓自進風(fēng)口至風(fēng)扇出口形成了比較均勻的變化趨勢。由于電容的加熱，在風(fēng)扇出口附近風(fēng)溫升高，其流速也比較大，因此總的傳熱能力還是能獲得遠離風(fēng)扇端近似的平衡效果。

圖1 回形阻風(fēng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Backflow prevention structure

圖2 模塊內(nèi)氣流速度分布Fig.2 Airflow velocity distribution in the module

圖3 模塊內(nèi)溫度分布Fig.3 The temperature distribution in the module

改進后的16單體電容模塊在相同型號客車進行了測試運行，從對比試驗的結(jié)果來看，電容模塊的工作溫度顯著降低，根據(jù)對比數(shù)據(jù)生成的對比曲線如圖4所示：

但是從運行的數(shù)據(jù)來看，改進后的電容模塊在持續(xù)工作時，雖然相對溫度降低了，但是溫度水平還是比較高的。而且變?yōu)?6單體后，降低了車輛的驅(qū)動能力。

圖4 改進前后模塊運行時的溫度變化Fig.4 Improved temperature changes before and after

3 電容艙的改進措施

車輛在行駛過程中，由于車體側(cè)壁散熱出風(fēng)口的幾何結(jié)構(gòu)，電容艙始終有倒風(fēng)趨勢，整體上形成車外、電容艙、乘客艙的倒風(fēng)途徑。當(dāng)車輛速度較高時，甚至電容模塊上的風(fēng)扇開啟后依然有倒風(fēng)存在。電容模塊艙室存在的倒風(fēng)現(xiàn)象，使得散熱的冷卻風(fēng)與設(shè)計完全相悖，并導(dǎo)致電容艙室風(fēng)路不暢。從電容艙室蓋板處吸入大量的環(huán)境風(fēng)，從而與軸流風(fēng)扇抽吸過來的熱風(fēng)相抵觸，導(dǎo)致模塊內(nèi)部的熱量無法被有效的帶出，進而導(dǎo)致溫度持續(xù)升高。

針對發(fā)現(xiàn)的問題，以現(xiàn)有的電容模塊艙室及電容模塊為基礎(chǔ)進行了散熱改進設(shè)計，原則上用最小的改動解決現(xiàn)有電容模塊艙室出現(xiàn)的倒風(fēng)問題和電容模塊進風(fēng)量少的問題。重新設(shè)計了冷卻風(fēng)通道，并對電容模塊箱體提出增加進風(fēng)口的建議。電容模塊的建模及電容模塊艙室的模擬計算見圖5、圖6所示。

主要的改進措施有：對箱體的底板、側(cè)板加開通風(fēng)口，以增加模塊內(nèi)部的進風(fēng)量；擺放電容單體時，擴大兩列電容單體之間、電容單體與電容模塊箱體側(cè)壁之間的間隙，以增加模塊內(nèi)部進風(fēng)量，達到良好的散熱效果；電容模塊底座下面粘結(jié)膠條，以封堵冷卻風(fēng)從此處流經(jīng)的風(fēng)道，迫使冷卻風(fēng)從電容模塊當(dāng)中流過。

圖5 電容模塊及其艙室模型Fig.5 Capacitor module and cabin model

圖6 電容模塊艙室風(fēng)速分布Fig.6 Wind speed distribution in capacitor module cabin

改裝完成后，立即進行了試車測試，共運行四圈（約20km），取得了初步的試驗結(jié)果。圖7是第二、三、四圈后模塊1－8（車輛后部模塊）與模塊9－30（車輛前部模塊）平均溫度的比較。顯示1－8單元模塊的平均溫度低于9－30單元模塊的平均溫度。

圖7 模塊1－8與模塊9－30的平均溫度比較Fig.7 Compared with the average temperature of the module 1－8and module 9－30

超級電容車電容模塊散熱的改進，重點從改善電容艙室風(fēng)路和增加電容模塊進風(fēng)量兩個角度著手，采取一系列的改進措施，經(jīng)過試車測試后，表明改進帶來了比較理想的散熱效果。

4 總結(jié)

通過以上階段工作，可以獲得下面初步結(jié)論：

超級電容公交客車原有的散熱設(shè)計很難適應(yīng)高溫環(huán)境的運行要求，主要改進方向可從電容模塊的增加進風(fēng)通道和合理進風(fēng)位置，以及電容艙的合理通風(fēng)路徑兩個方面展開。

在電容箱的改進中，主要改進是增加遠離模塊風(fēng)機側(cè)的進風(fēng)截面積，考慮超級電容單體特點，增加電容模塊頂板和地板的進風(fēng)量，增加兩列電容單體間隙及通風(fēng)量。

在電容艙的通風(fēng)方式改進中，電容艙的出風(fēng)改為地板出風(fēng)，出風(fēng)口增加防倒風(fēng)擋板，從乘坐艙進風(fēng)位置處增加鼓風(fēng)量。

經(jīng)過同型號樣車的試運行，上述改進能有效降低電容運行溫度，并達到運行的熱平衡溫度。其中改進的1－8單體模塊電容艙在35℃氣溫中運行一天，最高溫度沒有超出安全運行要求溫度。

隨后，根據(jù)上述方案對所有在用的超級電容公交客車進行了散熱改進。經(jīng)過2011、2012及2013年三個夏季的實際運行證明，公交客車用超級電容的散熱問題得到了有效的改進，可以滿足公交客車輛運行的需求。

［1］單金生，吳立峰，關(guān)永，王國輝，李曉娟.超級電容建模現(xiàn)狀及展望［J］.電子元件與材料，2013，32（8），5－10.

［2］曹秉剛，曹建波，李軍偉，續(xù)慧，許鵬.超級電容在電動車中的應(yīng)用研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（11），1317－1322.