关于充电机热工程的设计

关于充电机热工程的设计

彭志军

广州南方电力技术工程有限公司广东广州510000

摘要：目前充电机是常用的电动车充电方式，我们知道充电时会产生很多热量，比如家用电动自行车充电器都有一个风扇来进行散热。至于电动汽车充电更是如此了，充电桩的功率更大，发热量也很大。为了节省充电时间，急速充电桩将是主流配置，所以在这样的高效率工作状态下，热量肯定持续不断聚集。那如果不能及时散热导致充电桩自燃就是严重的危害了，甚至危害到人身安全了，而类似的因为充电桩热量散热问题导致的血案也不断出现，所以给充电桩散热也是极其不可忽略的问题。

关键词：充电机；热工程；散热

引言：近年来，我国新能源汽车生产销售快速增长，中央、地方各项扶持政策的协同效果得以充分发展充电桩作为新能源电动汽车的相关配套设施，随着电动汽车的普及，因此与新能源相关的充电桩行业在未来也会是呈现一种爆炸式发展的情况，而随着充电桩基数的增多，充电桩的设计使用需求不断提升。散热问题是充电桩系统必须解决的难题之一，相比于其他电源，充电桩的系统散热量要大的多，对系统热设计要求极为严格。为了提高充电桩的公共安全，必须严格做好充电桩散热设计工作。

1.散热的原理

从物理学角度来看，散热的方式主要有三种:一种是热传导，一种是热对流，最后一种是热辐射。当物体之间相互接触的本身就是一种热传递的过程，同时这也是最为普遍的一种热传递方式，热对流是靠液体或气体的流动，使内能从温度较高部分传至较低部分的过程。对流是液体和气体热传递的主要方式，气体的对流比液体明显。热辐射是物体不依靠介质，直接将能量发射出来，传给其他物体的过程。通常情况下，这三种热传递的方式不是完全独立的，他们是相互联系的，很多时候，在热传递的过程中是三者在共同起作用。

2.充电机的发热量发热特点

随着技术的发展，充电机的功率充越做越大，充电速度也越快，充电桩充电模块功率越大，充电电流越大，意味着充电模块、开关、继电器等元器件产生的热量越大。说明充电桩的系统散热量要比其他户外柜的散热大的多，以120KW系统为例，目前行业主流模块效率标称95%，仅模块发热量就达到120*0.05*1000=3000W，机柜上其他电子元器的热量约为150W，加上太阳光直射产生的热量为200W。一台120KW的充电机全功率工作产生的热量件这意味着充电桩需要在与通信用户外机柜同等体积条件下散出约3倍的热量，对系统热设计要求极为严格。

3.充电机的主要散热方式

3.1工业强制风冷

3.1.1工业风扇强制风冷的特点

目前大部分公司都是采用强制风冷的方式进行处理。那么，这势必会带来尘埃、腐蚀性气体、湿气等干扰。充电桩散热分为模块散热和机箱整体散热两部分，因为充电模块是内置在里面，所以防护措施主要体现在机箱设计上面。最简单经济的一种设计是在箱体的进出风口做成百叶窗式，然后在出风口加上风扇，把模块风扇排出的热量抽走。这种方法能起到一定的防护作用，时间久了还是难免会有灰尘和湿气进入。风扇直通风的优点是成本低，安装简便，能耗较少。缺点是，由于直通风，户外的灰尘较容易进入柜内，若采用密度较高滤网，则需要经常保养、清洗。

强通风冷是利用风机进行鼓风式抽风，提高设备的空气流动速度，达到散热目的。设计的要点就是风机的功率、数量及风道的设计。

3.1.2强制风冷设计特点

1.通风系统的进风口设在机柜底部，底部靠近左右侧板部分开有百页窗，出风口设在机柜后上部，面向大气避免气流短路。

2.合理安排器件，将不发热或热量小或耐热性能低的设备排在冷空气的上游（靠近进风口），大功率设备排在机柜顶部（靠近出风口）。

3.为防止灰尘、油雾、水蒸气等会被气流带进机柜而滋生内部污染。进风口应装过滤网。

3.1.3强制风冷的计算过程

假定进风口空气温度等于户外环境大气温度℃，出风口的温度等于柜内环境预设目标温度℃，柜内环境空气定性温度℃，查得43℃下空气密度m3，比热容Cp=1.005KJ（kg˙k），则散气需求风量：

根据一般经验，冷却风扇运行效率，

。

选择最大流速的风扇，即，则。

60KW的充电机共要选择6个风扇进行强排。如此推论，120kw需要12个风扇进行强排。

3.2采用热交换方式设计

该方案应该讲是最复杂的方法，同时也是密封性能最好的方案，可以达到IP67。该方案除了上述风机强制散热的方案外，还要有一个很重要的要点是内外热交换的方式，这直接影响到效率和散热器面积及造价的问题。

①热交换器面积计算

热交换器的换热面积

A：换热面积，㎡；Q:换热量，w；：热交换器对数平均温度的数值，℃；：温度修正系数，一般应不少于0.8；K：总传热系数的数值，w/㎡·℃。

②平衡温度计算

空气冷却器的换热量，

Q:换热量，w；G：空气流量，kg/h（小时）；：空气出进口焓值差，wh（瓦时）/kg

在无相变化情况下，上式可进一步推导

Cp：流体平均空压比热容，kj/kg·℃；T：热流体温度

t：冷流体温度W：流体的质量流量

③热换器传热系数K值

从上述公式和系数可以看出：使用最高效率的板翅式的气-气交换系数为70-200，取100w/㎡·℃计算。假计℃，即冷热空气交换温度差为2℃，则：，，即使使用强平对流，将面积再缩小1倍，仍有8㎡和16㎡这个规模。这在我们这种机柜中不可能实现。

水冷散热或者半导体水冷散热将会应用更广泛。对于水冷散热，经常接触散热的人多少都有一定了解。水冷散热效率更高，能更快降低温度，另外运行更安静，长时间使用也能稳定温度，在水冷电脑应用非常成熟的情况下，其他行业也在逐步引进水冷散热。对充电桩散热来说，引进水冷散热将会是一项重大突破。如今的水冷散热方案已经能做到较低的成本，使用更简易方便，维护也更便捷。从另一个角度来看，一次投入是长期受益的，免去了一些麻烦，更节省时间。

3.3采用空调机柜散热

空调机柜已广泛用于电讯机柜，成熟可靠，分为置顶式和侧挂式，600w大约是3000元。缺点是造价高，有一定故障率，IP等级待定，需定期保养。

总体来讲，空调制冷气应该与机柜产热量相当，空调分为顶置式和侧装式两种，顶置式价格更贵一些。

从技术角度分析，空调确实是最优选择。由于采用冷媒压缩来实现温控，空调可以获得持续稳定的温度，对整个系统可以提供最好的保障，但机柜空调结构复杂，且成本和能耗均在比较高的水平，以能效比2.5计算，通信用户外机柜空调功耗约为400W，是比较高的水平。

4.结束语

在建筑的施工过程中，质量问题会受到多方面因素的影响。管理人员一定要发现问题、分析问题、解决问题，及时的控制住质量问题。这样才是对消费者负责，才是对整个工程参与人员的负责。愿工程施工技术质量问题能够早日被彻底解决。

参考文献：

[1]张童.电力机柜散热方式的研究[J].黑龙江科技信息，2014（21）

[2]杜若榕，杨波，杨芳.开关柜散热系统的研究[J].电子世界，2014（20）