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储能式现代有轨电车储能电源的散热设计
作者：李玉梅 尚江傲 张伟先
来源：《中国科技博览》2016年第21期
[摘 要]文章主要介绍了储能式现代有轨电车储能电源的通风结构设计、散热仿真计算及实际运行结果验证。
[关键词]储能电源 通风结构 散热仿真
中图分类号：U223 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0109-02 引言
储能式现代有轨电车是一种新型的绿色环保、高效低碳的城市轨道交通，车载储能电源是其唯一的动力来源。储能电源是以超级电容为储能载体的集成系统，超级电容在储能电源中所处工作环境温度是影响其使用寿命的关键因素之一。因此在储能电源的设计过程中，通风散热设计是一个重要环节。 1 通风设计 1.1 冷却风源
超级电容的工作温度范围是-40℃～+65℃，但工作温度越高其有效的循环充放电次数越少，故冷却风源是保证储能电源良好散热的源头。
如果以外部大气作为冷却风源，在夏天极端气候条件时外部空气温度达四十多摄氏度，无法保证储能电源的散热效果。如果为储能电源配置专用散热空调，不仅需要更多的设备布置空间，而且额外消耗能量，不利于储能电源的推广应用。因此综合考虑之下，最终采取有轨电车的空调废排作为储能电源的冷却风源，既可以保证储能电源的散热环境又能有效提高能源利用率。
1.2 通风结构
储能式现代有轨电车的储能电源安装在车辆顶部，车辆的空调废排从车顶的通风口进入储能电源底部，并且因为车辆设备布置限制，车顶通风口只能在储能电源底部的两侧区域，这样必须设置内部风道将冷却风从两侧导向中部，以尽量降低储能电源中部模组的工作环境温度。 分析储能电源内的模组布置，以及机箱的结构和承重梁位置，对储能电源进行合理的通风结构设计和散热风扇布置。
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储能电源的通风走向如图1所示：空调废排进入储能电源底部两侧的进风口后，进风口处的导流板会使冷却风在底部通风夹层内流向储能电源中部，底部冷却风沿着模组内单体之间间隙和模组间的间隙通向上层，然后后从上层两侧的散热风扇处进入排风道，最终从排风道下方出风口流出。 1.3 隔热防晒
储能电源安装在车顶，太阳直射其顶部区域，夏天时储能电源表面接收强烈的太阳辐射，因此从两方面采取措施实现储能电源的隔热防晒。
结构方面：机箱外围框架是空腔型材焊接而成，顶盖采用带夹层的型材（见图1），这种型材的中空结构可以起到一定程度的隔热效果。
表面处理方面：储能电源机箱的外表面喷涂氟碳隔热涂料，其太阳反射率在85%以上，能有效隔离太阳辐射。 2 散热仿真 2.1 发热功率
储能电源的发热主要是内阻（包括超级电容内阻、铜排内阻、电接触面的接触电阻等）消耗和CMS电路消耗，根据相应数据计算得出，一个充放电周期内储能电源的平均发热功率约为2911W。 2.2 简化模型
将储能电源近似看成对称结构，只取其中一半进行计算，模型中共含有22个模组，上下层各11个。
（1）假设储能电源内所有模组的发热功率完全相等，即将储能电源的总发热功率平均分配到每个模组。
（2）储能电源表面喷涂有隔热涂料，计算中不考虑太阳辐射的影响。 2.3 计算结果
采用FLUENT-airpak软件进行不同工况下的仿真计算。工况1：进风口处的送风量为670m3/h，温度为27℃；工况2：进风口处的送风量为830m3/h，温度为27℃。 工况1：进风口处的送风量为670m3/h，温度为27℃。
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两种工况下x-y平面中储能电源内的温度分布见图2：上层模组温度明显高于下层模组，最高温度几种在上层模组单体上部，且靠近x方向中部的位置。
两种工况下y-z平面中储能电源内的温度分布见图3：上层模组温度高明显高于下层模组。
以上结果显示，两种工况下储能电源内部的温度场趋势相同，且与储能电源的通风结构相吻合，当送风量由670 m3/h加大到830 m3/h时的温度变化有：（1）箱体内部最高温度由49.26 ℃降低至45.74℃，下降3.52℃；（2）单体周围空气最高温度也由47.3℃降低至43.5℃左右，下降约3.8℃；（3）排风扇出口平均温度由40.27℃降低至37.75℃左右，下降约2.52℃。 3 实际运用
储能式现代有轨电车在2014年12月31日开始试运行，储能电源在运行过程中监控采集的数据可知：储能电源内部最低温度出现在下层模组为33℃，最高温度出现在上层模组为38℃；上层模组比对应区域下层模组的温度高2～3℃；上层模组和下层模组的最高温度均在中部区域的模组。
储能式现代有轨电车储能电源实际运用中的温度分布趋势与仿真结果向吻合，但因为仿真计算简化了模型和条件参数等，且储能电源计算的发热功率与实际运行中的发热功率有一定差异，因此仿真计算结果与实际采集的数据之间有偏差。 4 结束语
储能式现代有轨电车储能电源的散热仿真计算和实际运用数据都表明其散热设计合理，能保证储能电源的良好散热效果。 参考文献
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[2]付桂翠，高泽溪，方志强等.电子设备热分析技术研究[J].电子机械工程， 2004（1）：13-16.