電動汽車充電設施防凝露設計研究

2018-01-24 06:27:32高慶勇房相成陳偉明劉艷敏王曉磊

電氣技術 2018年1期

高慶勇房相成陳偉明劉艷敏王曉磊

近年來，全球能源危機和環境危機突顯，國家大力倡導發展新能源汽車，電動汽車技術取得了顯著的進步。電動汽車行業發展需要高效便捷、安全穩定的充電服務，充電設施正是新能源汽車發展的基石。國家發改委于2015年10月印發的《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015—2020）》中提出了到2020年新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個，可滿足500萬輛電動汽車充電需求的總體目標[1]。截至2016年國家電網公司建設的“六縱六橫兩環”高速公路快充網絡已形成，平均間距不超過50km。并于2017年1月19日宣布，本年度計劃建設充電樁2.9萬臺，將于年內形成“九縱九橫兩環”的高速公路快充網絡；到2020年，高速公路快充網絡將覆蓋202個城市、3.6萬km，“徹底解決電動汽車充電難問題”[2]。

充電站分布區域廣泛，在中原地帶，溫差較小、濕度較低，產生凝露時間相對較少，但在沿海地帶及西北區域，濕度較高或晝夜溫差較大等問題，更容易形成凝露。凝露對電氣設備主要有以下危害：

1）凝露滴至內部金屬件上，引起零件銹蝕[3]。

2）凝露滴至電氣元件上，引起元件短路、爆炸等問題。

3）電氣元件長時間運行在高濕環境中，會縮短元件使用壽命。

在設備運行過程中，上述任何一個問題都會引起較大的安全問題，縮短產品的運行壽命，因此必須解決濕度引起的凝露問題，以確保設備運行在一個合理的濕度環境下。

1 凝露產生原理

空氣主要由干空氣、水汽、塵埃組成。通常濕度是指空氣中水蒸氣的含量，可以用相對濕度、絕對濕度、飽和濕度表示。飽和濕度是單位體積的空氣在一定溫度條件下所能包含的水汽量的最大限度；絕對濕度是一定體積的空氣中水蒸氣的質量，單位是g/m3；而相對濕度即絕對濕度與飽和濕度的比值。飽和濕度與空氣溫度有關，溫度越高，所含水分越多。30%～60%的相對濕度是對于一般電氣設備比較適宜的[4]。如果保持空氣絕對濕度不變，降低空氣溫度，溫度降低到一定值時空氣中濕度就會達到飽和，繼續降溫，空氣中水分就會析出，這種有液態水析出的現象稱為“凝露”。露點溫度是含濕量和大氣壓力保持不變的前提下能使空氣相對濕度達到100%的溫度[5]。

試驗室條件下的凝露現象主要包括兩種情況：①出現在升溫階段，升溫過程中殼體表面溫度低于環境溫度，殼體外表面的空氣遇到低于露點溫度的產品表面時，水氣會凝結在殼體外壁，形成凝露；②出現在降溫階段，外部環境先降溫，所以殼體內壁比內部空氣溫度低，如果殼體內壁溫度達到內部空氣的露點溫度，殼體內壁就會形成凝露。通常要解決的凝露問題主要是第②種，避免內壁產生凝露影響內部電氣元件性能。凝露是溫度與濕度共同作用的結果，一般以下兩種情況更容易產生凝露：

1）環境濕度高，氣候溫差大。

2）機柜底部電纜溝未封堵，電纜溝有水。

我國地域遼闊，氣候差異巨大，在沿海環境濕度大，西北地區溫差變化大，此類區域一般更易產生凝露[6]。

2 電氣設備防凝露設計

目前電氣行業內處理濕氣、凝露等問題的方法有在柜體內部加裝電加熱器、風機、除濕器等，其有著各自的優缺點，應根據具體產品特性選用最佳除濕方案。

2.1 加熱除濕（濕度控制器+加熱器）

加熱器通過加熱空氣，增加空氣含濕量，降低空氣的相對濕度，利用加熱后的空氣密度較小，會上浮至上方，冷空氣下降至下方，從而達到整個空間內部都充滿熱氣體，空氣加熱后體積加大，會從出風口將空氣排至外部[7]。實際上加熱器沒有能夠真正意義上除濕，只是對設備內部的空氣加熱，進而降低產品內部的相對濕度。空氣中的濕度只是被過熱蒸發，變成 “過熱蒸汽”的形式，如果沒有及時采取必要的措施，過熱蒸汽被冷凝后，設備內部的空氣濕度就還會恢復到原來的狀態，等于是一個一直在循環的除濕方案，適用于含有通風孔的設備。

由表16可知，企業的總資產凈利率、凈資產收益率都不高，且增減幅度不大，表明企業資產的綜合利用效果不好、企業資產盈利能力弱且企業為股東創造的投資回報比較少。但企業的總資產凈利率、凈資產收益率在2016～2017年呈現上升趨勢，說明近年來企業資產的盈利能力在增強，為股東創造的投資回報在增加，有逐步增強的趨勢。

2.2 除濕器除濕

現階段的除濕器通常是利用風機將產品殼體內部空氣抽進除濕器，應用半導體熱電元件在一定電壓下產生冷熱效應，局部制造凝露條件使殼體內潮濕空氣凝結成水并直接排出殼體外部，從而降低殼體內部濕度，防止凝露產生，除濕效果顯著。半導體除濕器由 PN結、風機、排水管等組成，除濕過程基于熱電制冷的原理，主要應用珀爾帖效應，通過N型和P型兩種半導體將電能轉化為熱能，與之相反的則是塞貝殼效應。制冷模式下，直流電由 N型半導體流至P型半導體，熱電對中冷端的溫度降低，并吸收環境中的熱量。當電子經導體由P型半導體的低能端流至N型半導體的高能端時，從環境中吸收熱量，熱量經電子傳導至另一端，當電子反向流動時釋放熱量。多個熱電對連接構成熱電裝置[8]。熱電對的制冷模型和除濕器示意如圖1所示。

圖1 除濕原理及除濕器結構示意圖

除濕器可將空間內空氣中的水蒸氣，冷凝變成了“液態水”，排放到設備外部，原有的空氣濕度不會再恢復，能達到真正除濕的目的。除濕器冷凝除濕技術已日益成熟，可根據用戶需要自帶遠程控制、通信、低溫加熱等功能[9]，更適合應用到相對封閉的空間。

2.3 風機除濕

風機不能直接除濕，如設備開有通風孔，反而更容易把外界潮濕空氣帶至充電機內部，潮濕空氣遇到充電機低溫度壁面，加速凝露形成。風機需與溫度控制器及加熱器配合，風機能讓空氣流動，讓熱量更快速、更均勻的散發至空氣中[10]。濕度控制器檢測到環境濕度達到設定值時，加熱器與風機啟動，把熱量快速擴散至柜體內部，提高柜內整體溫度，風機一般與加熱器做成一體，放至加熱器下部，但該方案一般在風機下部一般不宜留通風孔。