100%低地板輕軌車混合動力電源箱冷卻方案設計研究

甄大偉，黃烈威，李 明，韓 璐

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

地鐵與輕軌

100%低地板輕軌車混合動力電源箱冷卻方案設計研究

甄大偉，黃烈威，李 明，韓 璐

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

通風冷卻技術是100%低地板輕軌車混合動力電源箱的核心關鍵技術之一?，F基于模塊化設計原則，進行了混合動力電源箱的結構設計，冷卻方案采用強迫風冷方式。通過分析溫升試驗結果，并結合理論分析和仿真計算，針對原方案進行了優化改進。新方案通風散熱能力更佳、防護等級更高，更具安全性和可靠性。

混合動力；通風冷卻；蓄電池；超級電容

唐山軌道客車有限責任公司開發的100%低地板輕軌車輛，可在不架設電網線路區段，利用蓄電池和超級電容提供牽引動力。該車采用領先的混合動力技術，即在車頂設置混合動力電源箱，安裝空間受到很大的約束，且受外界環境影響較大，故要求防護等級較高。混合動力供電策略為在接觸網有電時，由接觸網為牽引變流器供電，脫離接觸網或接觸網無電時，由超級電容和蓄電池組通過DC/DC變流器分別向牽引變流器提供電源，用以驅動車輛。其中，超級電容具有比功率高、比能量低的特點，可滿足坡道運行、起動加速等高功率需求，蓄電池組具有比能量高、比功率低的特點，可提供較長的續駛里程。本文研究的混合動力系統的主電路原理框圖如圖1所示。

圖1 主電路原理框圖

基于上述設計原理以及車輛在城市環境中頻繁啟停等運行條件，混合動力系統將反復的充放電，而由于蓄電池組在頻繁的高倍率充放電過程中，發熱量較大，電池箱內容易出現溫度分布不均或局部溫度過高等現象，這往往引起充放電性能、電池組容量的降低或電池組故障、各支路電壓或溫度不一致等故障。常用的強迫風冷冷卻方案，又因為電源箱布置于車頂，而存在著不滿足車輛防護等級要求的問題。汽車行業在處理類似的蓄電池組散熱問題時，根據實際情況分別采用了自然冷卻、強迫風冷、相變散熱、熱管冷卻等大量的通風冷卻方案［3-5］，其中采用最多、冷卻效率最高的是強迫風冷方案。也有一些企業采用了水冷的方式進行電源箱冷卻，這種冷卻方案系統結構和控制較為復雜，質量較大，對車輛動力性能有一定影響。

設計方案采用強迫風冷方式，超級電容和蓄電池的設計工作溫度范圍一般如表1所示?？梢?，蓄電池的使用條件較為嚴格，需進行配套的散熱設計。

通過仿真計算和試驗研究對混合動力電源箱的冷卻方案進行改進，為100%低地板輕軌車輛混合動力系統的實際運用提供支持。

1 混合動力電池箱設計方案

混合動力電池箱采用模塊化設計，即DC/DC變流器與超級電容箱和蓄電池箱各分一個箱體設計。原方案如圖2所示，其中超級電容箱和蓄電池箱內置于右邊箱體內，箱體尺寸為2 050 mm×570 mm×1 350 mm。由于電源箱結構極為緊湊，各箱體分別采用軸流風機強迫風冷的冷卻方式。

對超級電容箱和電池箱進行了CFD仿真計算，其流動阻力分別為320 Pa和410 Pa，根據這兩個值進行了冷卻風機的選配和結構設計。

結構設計時，結合各流道均勻設計的原則，集中安裝線纜并充分考慮了電氣絕緣、電氣隔離等設計要求。

圖2 原混合動力電池箱設計方案

2 電池、電容溫升試驗驗證

2.1 試驗驗證內容

針對圖2的電源箱結構，進行蓄電池和超級電容溫升試驗，內容包括：

蓄電池箱做2C充電（2倍額定電流）、3C放電循環試驗（3倍額定電流），每次循環大約持續25 min，按5次循環試驗；

超級電容做300 A充電、700 A放電循環試驗，每次循環大約持續1 min，按30次循環試驗。

評定標準：蓄電池溫升不超過35 K，超級電容溫升不超過25 K。

2.2 電池箱溫升試驗

本次試驗工況條件如表2所示。

表2 本次試驗工況條件

電池箱溫升試驗時，在第3次充放電循環中，電池最高溫度超過45℃，冷卻風機啟動。

各充放電循環時的溫升測試數據如圖3和表3所示。表3中數據為電源箱內13個溫度測點中的最高、最低值和平均值。

表3 各充放電循環時的溫升測試數據

圖3 各充放電循環時的平均溫度曲線、最高溫度曲線、最低溫度曲線

試驗同時測試了電池箱進、出風口氣流速度、溫度以及尺寸和風量情況，如表4所示。

根據試驗數據可以得出以下結論：

（1）由表3可知，各次循環充放電時間基本一致。

（2）根據表4的數據，冷卻風機的散熱量為Q＝Cp×m×ΔT＝1.01×0.089×（23.6－16.4）＝0.647 k W。略低于0.8 k W的散熱量要求，易造成對電池溫度控制量不足。

表4 電池箱進、出風口氣流速度、溫度（估算）

（3）冷卻風機的壓頭不足以克服電源箱流動阻力，說明電源箱實際阻力比仿真計算結果略高，應考慮優化流道，降低通風阻力。

（4）5次循環試驗后，電池箱停止工作，靜置自然冷卻，最高溫度為49.3℃。1 h后電池箱最高溫度為48.6℃，溫度降低很慢。與電池廠家技術人員溝通，原因主要是電池放電效應的延續。因此，需要考慮降低電池箱溫度保護值，提前供風以控制電池箱溫度。

2.3 超級電容箱溫升試驗

超級電容箱溫升試驗持續30 min，溫升曲線如圖4所示。試驗結果表明，在連續充放電的復雜工況條件下，溫升僅11℃，超級電容的溫升滿足試驗預期要求和實際線路運行要求，達到了設計目標。同時，可以考慮取消超級電容的冷卻風機，以減少混合動力電源箱的能耗和質量。

圖4 超級電容箱溫升曲線

3 電池箱和超級電容箱改進設計方案

將電池箱和超級電容箱采用不同的設計方式，均單獨作為一個箱體設計，避免了兩種儲能部件的相互影響。為便于維護和市場推廣，基于模塊化設計原則，對電池箱和超級電容箱進行優化設計，改進設計方案和優化思路如表5和圖5所示。

優化后的混合動力電源箱方案如圖6所示。

此外，對電池箱的熱管理系統乃至電源管理系統進行了優化。在進風口處布置過濾網，出風口處布置弧狀導流罩，防止雨水、灰塵等進入箱體。

表5 電池箱和超級電容箱改進設計方案

經過對重新排布后的電池組的CFD計算（圖7），流動阻力由原方案的410 Pa降至優化方案的320 Pa，冷卻風機的風量增加60%以上，散熱量Q的仿真計算和試驗測試結果均達到1 k W以上，散熱效果明顯提升。

圖5 優化思路

圖6 優化后的混合動力電源箱

圖7 仿真分析模型

4 結束語

通風冷卻技術是100%低地板輕軌車混合動力電源箱的核心關鍵技術之一。本文基于模塊化設計原則，進行了混合動力電源箱的結構設計，采用了強迫風冷冷卻方案。結合理論分析、仿真計算和試驗驗證手段，基于溫升試驗結果，針對混合動力電源箱進行了優化改進。優化后的混合動力電源箱新方案通風散熱能力更佳、防護等級更高，更具安全性和可靠性。經研究并改進后的冷卻方案，將為100%低地板輕軌車輛牽引系統性能與安全可靠性的提升提供有力支持。

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Cooling Design of the Hybrid Power Box of 100%Low-floor LRV

ZHEN Dawei，HUANG Liewei，LI Ming，HAN Lu
（Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

Ventilation and cooling technology is one of the key technologies of 100%low-floor light rail vehicles hybrid power cabinet.Based on the modular design principle，this article designed a hybrid power cabinet，the cooling solution of which was forced air cooling.By analyzing the temperature rise test results，theoretical analysis and simulation，the original structure program was improved.The ventilation and cooling capacity of the new structure program was better，with a higher degree of protection，more security and reliability.

hybrid Power；ventilation and cooling；battery；super capacitor

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.10

1008－7842（2014）01－0050－04

3—）男，工程師（

2013－12－06）