公交充電站熱管理優化方案及效果

康萬成，歐方浩，王占全

（華商三優新能源科技有限公司，北京 通州100100）

1 研究背景

電動汽車產業是我國戰略性新興產業，關系到能源安全、環境保護與可持續發展、以及汽車產業關鍵部件及核心技術自主化等重大問題。預裝式充電站是將電網內的電能輸出到電動汽車內的重要設施，其功能是：將電網內的高壓電轉換為380 V 的低壓電，經由充電機柜的模塊功率調節轉換為電動汽車的電能，預裝式充電站內的散熱設計對保護充電機組的安全穩定運行具有至關重要的作用。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 處僅建設小車樁，2處為立體停車樓，其余場站為預裝式充電站。充電站內充電機組全部投產啟用后，發熱設備多且比較集中，而通風散熱設備卻不能發揮到應有的設計水平，導致預裝式充電設備內溫度升高。夏季充電機柜散熱隔室內溫度達50 ℃，機柜內模塊溫度最高達75 ℃，監控系統常有溫度過高報警，已經嚴重影響充電設備的安全運行和經濟效益的正常發揮。

2 現有公交充電設備通風散熱系統建設模式

2.1 現狀設備內散熱系統概況

充電站所帶負載為450或360 kW大功率直流充電樁，交流電通過充電機柜轉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生大量的熱。充電機柜通風方向為前進后出，冷氣由柜前進入為充電模塊降溫，充電模塊工作時散發的熱量由柜后排出，防止模塊溫度過高而出現降功率運行或停機。

充電站內的散熱系統主要通過強制風冷循環來實現的，由通風紗網、充電機組、散熱風機等組成。冷空氣被通風紗網過濾后經過工作時的充電模塊變為熱空氣進入設備內的密封隔室，再由密封隔室頂部的風機排出。在預裝式充電設備內設有充電機柜室，針對充電機柜的工作狀況，將充電機柜室設計為“人”字型通風方式。機柜在室內采用背對背樣式布置，柜體四周與箱體之間用巖棉板封堵，箱體頂部設置出風口，使空氣形成側進頂出自下而上的“人”字型對流通風方式。

2.2 現狀充電設備調查

2.2.1 充電模塊

經調研，充電機柜內模塊滿功率運行環境溫度需求為50～55 ℃，高于此溫度時模塊降功率運行，環境溫度高于70 ℃時模塊停止工作。針對現狀模塊運行環境狀況，需求提高模塊通風散熱效率。

2.2.2 設備內空間調研

由于充電機柜后要預留檢修維護通道，且通道寬度≥800 mm，依據設備設計尺寸柜后密封隔室空間＞10.4 m3，散熱風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頂部。

2.3 優化內容

充電模塊工作時散發熱量排放到柜后密閉空間內，由于柜后空間容積大，熱氣與原空間內空氣混合后溫度先降低再升高，風機溫控器安裝于室內頂部，與充電模塊間距離遠，造成風機溫控器反應“遲滯”，設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 充電站熱管理優化方案

首先對充電設備內熱管理系統進行全面調查，繪制熱管理系統圖和溫度感應監測圖，然后進行現狀充電模塊工作散熱量計算，熱管理系統分析和評價。在此基礎上提出了熱管理系統技術改造的幾個方案。對各方案從技術可行性、安全可靠性、經濟實用性等方面綜合比較選優，最后確定了最優方案。

整個方案包括設備內充電機柜改造和溫控探頭布置位置改造2個部分。

3.1 設備內充電機柜改造

根據預裝式充電站調研可知已投產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。

預裝式充電站可采用充電機柜后加裝散熱風道的方案。機柜內充電模塊工作時散發熱量由柜后散熱風道集中后通過箱體頂部風機排出，散熱風道可抑制熱量在機柜后密封空間內擴散，減少風機排放熱空氣體積，縮短充電模塊工作時散熱風機啟動時間差，提高充電模塊和設備頂部風機工作效率。

經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側柜門，為配合安裝散熱風道更換新柜門。

3.2 溫控探頭布置方案

根據監測需求對原機柜室內溫控探頭位置重新分配，如圖2所示。

4 充電設備熱管理優化后效果

散熱風道安裝后充電模塊散發熱量沿風道上升到箱體頂部，再由頂部風機排出。實現了熱管理系統的穩定可靠，很大程度上緩解了風機溫控器啟動延時問題。

圖2 機柜室溫控探頭布置

通過對設備后臺的監控系統運行狀態指示來實時監控充電設備的散熱狀況是否處于良好狀態，這些參數包括充電電流變化，設備進風口溫度變化，模塊運行溫度變化，設備出風口溫度變化，室外溫度變化等。根據這些參數能大體了解該充電設備的散熱狀況，對即將出現由不良散熱狀況引起的故障提前預警，降低設備內元器件的故障率。

充電模塊散發的熱量及時排入散熱風道，避免了模塊溫度持續升高后降功率運行，甚至出現停機現象，排除了部分不安全隱患。

樣站安裝散熱風道后，柜后通道寬度為900 mm，符合國家標準。風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，熱管理優化改造后，檢修通道內溫度變化浮動減小，不再受到模塊散發熱量影響。風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優化、改造工作，建立了充電系統溫控數據檔案，實現了充電站熱管理系統的網絡優化。

5 應用總結和展望

改造后設備內空氣流通更加順暢，機柜工作時排風側風道內溫度升高迅速，風道外部溫度變化小，提升了散熱風機的工作效率，滿足設備安全運行的環境溫度；由于高溫造成的模塊工作停機次數明顯減少，運行維護人員工作環境舒適度得到明顯的改善。

結合本次充電設備改造經驗，在下一步充電設備設計過程中，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，減少柜內熱空氣的溢出，順利地將模塊產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。

對充電設備殼體的改造：設備內充電機柜采用單排布置方式，機柜四周用巖棉板封擋，形成單側進風和單側出風。加大出風口與進風口之間的距離，防止排出的熱空氣經由進風口再次進入設備內，形成環流，不利于機柜內模塊的降溫工作。更換進風口處的通風網材質為金屬紗網，因為機柜內元器件帶電，為安全起見，既要保證紗網的剛度，又要防止動物飛蟲進入設備內，網目大小的選擇出現矛盾。經研究，可以采用雙層紗網，內網強度高，網目大；外網強度低網目小，散熱和安全均得到了保證。

對設備運行維護的改進：在柳絮、揚塵頻發的地區同時注意增加清洗或更換紗網的次數，防止污穢對通風口的封堵，影響設備的通風效果。

充電站是電動汽車產業發展的重要配套設施，關系到國家的能源安全、環境保護與可持續發展，同時承擔著電網對分散充電負荷的集中管理，只有保障了充電設備的良好運行狀態，才可能早日實現電動汽車的有序充（放）電。