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        公交充電站熱管理優(yōu)化方案及效果

        2021-01-26 02:27:34康萬成歐方浩王占全
        農(nóng)村電氣化 2021年1期
        關(guān)鍵詞:紗網(wǎng)充電機風(fēng)道

        康萬成,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

        電動汽車產(chǎn)業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),關(guān)系到能源安全、環(huán)境保護與可持續(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)由充電機柜的模塊功率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為電動汽車的電能,預(yù)裝式充電站內(nèi)的散熱設(shè)計對保護充電機組的安全穩(wěn)定運行具有至關(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,其余場站為預(yù)裝式充電站。充電站內(nèi)充電機組全部投產(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。夏季充電機柜散熱隔室內(nèi)溫度達(dá)50 ℃,機柜內(nèi)模塊溫度最高達(dá)75 ℃,監(jiān)控系統(tǒng)常有溫度過高報警,已經(jīng)嚴(yán)重影響充電設(shè)備的安全運行和經(jīng)濟效益的正常發(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,交流電通過充電機柜轉(zhuǎn)換成直流電后輸送到前端充電樁處,同時充電模塊工作時將產(chǎn)生大量的熱。充電機柜通風(fēng)方向為前進(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)降功率運行或停機。

        充電站內(nèi)的散熱系統(tǒng)主要通過強制風(fēng)冷循環(huán)來實現(xiàn)的,由通風(fēng)紗網(wǎng)、充電機組、散熱風(fēng)機等組成。冷空氣被通風(fēng)紗網(wǎng)過濾后經(jīng)過工作時的充電模塊變?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)機排出。在預(yù)裝式充電設(shè)備內(nèi)設(shè)有充電機柜室,針對充電機柜的工作狀況,將充電機柜室設(shè)計為“人”字型通風(fēng)方式。機柜在室內(nèi)采用背對背樣式布置,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,充電機柜內(nèi)模塊滿功率運行環(huán)境溫度需求為50~55 ℃,高于此溫度時模塊降功率運行,環(huán)境溫度高于70 ℃時模塊停止工作。針對現(xiàn)狀模塊運行環(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

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

        2.3 優(yōu)化內(nèi)容

        充電模塊工作時散發(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)機溫控器反應(yīng)“遲滯”,設(shè)備整體熱管理效率低。某場站電流、溫度變化曲線圖如圖1所示。

        圖1 某場站電流、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)測圖,然后進(jìn)行現(xiàn)狀充電模塊工作散熱量計算,熱管理系統(tǒng)分析和評價。在此基礎(chǔ)上提出了熱管理系統(tǒng)技術(shù)改造的幾個方案。對各方案從技術(shù)可行性、安全可靠性、經(jīng)濟實用性等方面綜合比較選優(yōu),最后確定了最優(yōu)方案。

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

        3.1 設(shè)備內(nèi)充電機柜改造

        根據(jù)預(yù)裝式充電站調(diào)研可知已投產(chǎn)4 個階段充電機柜排布方式有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柜后加裝散熱風(fēng)道的方案。機柜內(nèi)充電模塊工作時散發(fā)熱量由柜后散熱風(fēng)道集中后通過箱體頂部風(fēng)機排出,散熱風(fēng)道可抑制熱量在機柜后密封空間內(nèi)擴散,減少風(fēng)機排放熱空氣體積,縮短充電模塊工作時散熱風(fēng)機啟動時間差,提高充電模塊和設(shè)備頂部風(fēng)機工作效率。

        經(jīng)過篩選后確定試點樣站: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)測需求對原機柜室內(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)機排出。實現(xiàn)了熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,很大程度上緩解了風(fēng)機溫控器啟動延時問題。

        圖2 機柜室溫控探頭布置

        通過對設(shè)備后臺的監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)指示來實時監(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)的熱量及時排入散熱風(fēng)道,避免了模塊溫度持續(xù)升高后降功率運行,甚至出現(xiàn)停機現(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,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)道護板采用卡扣固定方式,拆裝方便,對充電機柜的檢修、維護無影響。

        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)溫度變化浮動減小,不再受到模塊散發(fā)熱量影響。風(fēng)機啟動時間與充電樁充電時間間隔縮短。

        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)溫控數(shù)據(jù)檔案,實現(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,機柜工作時排風(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)機的工作效率,滿足設(shè)備安全運行的環(huán)境溫度;由于高溫造成的模塊工作停機次數(shù)明顯減少,運行維護人員工作環(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,在下一步充電設(shè)備設(shè)計過程中,可以在以下幾個方面進(jìn)行探索和嘗試。

        對充電機柜的改造:將機柜內(nèi)散熱模塊安裝方式改為豎直固定,利用熱空氣的對流,使模塊自帶風(fēng)扇將熱量向上排出。同時對機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,有效地降低了機柜室的溫度。

        對充電設(shè)備殼體的改造:設(shè)備內(nèi)充電機柜采用單排布置方式,機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),因為機柜內(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)強度高,網(wǎng)目大;外網(wǎng)強度低網(wǎng)目小,散熱和安全均得到了保證。

        對設(shè)備運行維護的改進(jìn):在柳絮、揚塵頻發(fā)的地區(qū)同時注意增加清洗或更換紗網(wǎng)的次數(shù),防止污穢對通風(fēng)口的封堵,影響設(shè)備的通風(fēng)效果。

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

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