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380V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50℃，機柜內(nèi)模塊溫度最高達75℃，監(jiān)控系統(tǒng)常有溫度過高報警，已經(jīng)嚴重影響充電設(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

充電站所帶負載為450或360kW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)方向為前進后出，冷氣由柜前進入為充電模塊降溫，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≥800mm，依據(jù)設(shè)備設(shè)計尺寸柜后密封隔室空間＞10.4m³，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，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。


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1100mm，背靠背布置柜后空間1300mm。

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（360kW）1#箱變（4樁），東高路專39充電站（360kW）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。

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900mm，符合國家標準。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)進風(fēng)和單側(cè)出風(fēng)。加大出風(fēng)口與進風(fēng)口之間的距離，防止排出的熱空氣經(jīng)由進風(fēng)口再次進入設(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：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，同時承擔著電網(wǎng)對分散充電負荷的集中管理，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。