100%低地板輕軌車混合動(dòng)力電源箱冷卻方案設(shè)計(jì)研究

甄大偉，黃烈威，李 明，韓 璐

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

地鐵與輕軌

100%低地板輕軌車混合動(dòng)力電源箱冷卻方案設(shè)計(jì)研究

甄大偉，黃烈威，李 明，韓 璐

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

通風(fēng)冷卻技術(shù)是100%低地板輕軌車混合動(dòng)力電源箱的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)基于模塊化設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了混合動(dòng)力電源箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冷卻方案采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。通過分析溫升試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合理論分析和仿真計(jì)算，針對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。新方案通風(fēng)散熱能力更佳、防護(hù)等級(jí)更高，更具安全性和可靠性。

混合動(dòng)力；通風(fēng)冷卻；蓄電池；超級(jí)電容

唐山軌道客車有限責(zé)任公司開發(fā)的100%低地板輕軌車輛，可在不架設(shè)電網(wǎng)線路區(qū)段，利用蓄電池和超級(jí)電容提供牽引動(dòng)力。該車采用領(lǐng)先的混合動(dòng)力技術(shù)，即在車頂設(shè)置混合動(dòng)力電源箱，安裝空間受到很大的約束，且受外界環(huán)境影響較大，故要求防護(hù)等級(jí)較高。混合動(dòng)力供電策略為在接觸網(wǎng)有電時(shí)，由接觸網(wǎng)為牽引變流器供電，脫離接觸網(wǎng)或接觸網(wǎng)無電時(shí)，由超級(jí)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(qū)動(dòng)車輛。其中，超級(jí)電容具有比功率高、比能量低的特點(diǎn)，可滿足坡道運(yùn)行、起動(dòng)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(diǎn)，可提供較長的續(xù)駛里程。本文研究的混合動(dòng)力系統(tǒng)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(shè)計(jì)原理以及車輛在城市環(huán)境中頻繁啟停等運(yùn)行條件，混合動(dòng)力系統(tǒng)將反復(fù)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(fā)熱量較大，電池箱內(nèi)容易出現(xiàn)溫度分布不均或局部溫度過高等現(xiàn)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(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方案，又因?yàn)殡娫聪洳贾糜谲図?，而存在著不滿足車輛防護(hù)等級(jí)要求的問題。汽車行業(yè)在處理類似的蓄電池組散熱問題時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況分別采用了自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、相變散熱、熱管冷卻等大量的通風(fēng)冷卻方案［3-5］，其中采用最多、冷卻效率最高的是強(qiáng)迫風(fēng)冷方案。也有一些企業(yè)采用了水冷的方式進(jìn)行電源箱冷卻，這種冷卻方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制較為復(fù)雜，質(zhì)量較大，對(duì)車輛動(dòng)力性能有一定影響。

設(shè)計(jì)方案采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，超級(jí)電容和蓄電池的設(shè)計(jì)工作溫度范圍一般如表1所示。可見，蓄電池的使用條件較為嚴(yán)格，需進(jìn)行配套的散熱設(shè)計(jì)。

通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究對(duì)混合動(dòng)力電源箱的冷卻方案進(jìn)行改進(jìn)，為100%低地板輕軌車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用提供支持。

1 混合動(dòng)力電池箱設(shè)計(jì)方案

混合動(dòng)力電池箱采用模塊化設(shè)計(jì)，即DC/DC變流器與超級(jí)電容箱和蓄電池箱各分一個(gè)箱體設(shè)計(jì)。原方案如圖2所示，其中超級(jí)電容箱和蓄電池箱內(nèi)置于右邊箱體內(nèi)，箱體尺寸為2 050 mm×570 mm×1 350 mm。由于電源箱結(jié)構(gòu)極為緊湊，各箱體分別采用軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式。

對(duì)超級(jí)電容箱和電池箱進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算，其流動(dòng)阻力分別為320 Pa和410 Pa，根據(jù)這兩個(gè)值進(jìn)行了冷卻風(fēng)機(jī)的選配和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合各流道均勻設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。

圖2 原混合動(dòng)力電池箱設(shè)計(jì)方案

2 電池、電容溫升試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容

針對(duì)圖2的電源箱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行蓄電池和超級(jí)電容溫升試驗(yàn)，內(nèi)容包括：

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

超級(jí)電容做300 A充電、700 A放電循環(huán)試驗(yàn)，每次循環(huán)大約持續(xù)1 min，按30次循環(huán)試驗(yàn)。

評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：蓄電池溫升不超過35 K，超級(jí)電容溫升不超過25 K。

2.2 電池箱溫升試驗(yàn)

本次試驗(yàn)工況條件如表2所示。

表2 本次試驗(yàn)工況條件

電池箱溫升試驗(yàn)時(shí)，在第3次充放電循環(huán)中，電池最高溫度超過45℃，冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。

各充放電循環(huán)時(shí)的溫升測試數(shù)據(jù)如圖3和表3所示。表3中數(shù)據(jù)為電源箱內(nèi)13個(gè)溫度測點(diǎn)中的最高、最低值和平均值。

表3 各充放電循環(huán)時(shí)的溫升測試數(shù)據(jù)

圖3 各充放電循環(huán)時(shí)的平均溫度曲線、最高溫度曲線、最低溫度曲線

試驗(yàn)同時(shí)測試了電池箱進(jìn)、出風(fēng)口氣流速度、溫度以及尺寸和風(fēng)量情況，如表4所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

（1）由表3可知，各次循環(huán)充放電時(shí)間基本一致。

（2）根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，冷卻風(fēng)機(jī)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(duì)電池溫度控制量不足。

表4 電池箱進(jìn)、出風(fēng)口氣流速度、溫度（估算）

（3）冷卻風(fēng)機(jī)的壓頭不足以克服電源箱流動(dòng)阻力，說明電源箱實(shí)際阻力比仿真計(jì)算結(jié)果略高，應(yīng)考慮優(yōu)化流道，降低通風(fēng)阻力。

（4）5次循環(huán)試驗(yàn)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(shù)人員溝通，原因主要是電池放電效應(yīng)的延續(xù)。因此，需要考慮降低電池箱溫度保護(hù)值，提前供風(fēng)以控制電池箱溫度。

2.3 超級(jí)電容箱溫升試驗(yàn)

超級(jí)電容箱溫升試驗(yàn)持續(xù)30 min，溫升曲線如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)充放電的復(fù)雜工況條件下，溫升僅11℃，超級(jí)電容的溫升滿足試驗(yàn)預(yù)期要求和實(shí)際線路運(yùn)行要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，可以考慮取消超級(jí)電容的冷卻風(fēng)機(jī)，以減少混合動(dòng)力電源箱的能耗和質(zhì)量。

圖4 超級(jí)電容箱溫升曲線

3 電池箱和超級(jí)電容箱改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

將電池箱和超級(jí)電容箱采用不同的設(shè)計(jì)方式，均單獨(dú)作為一個(gè)箱體設(shè)計(jì)，避免了兩種儲(chǔ)能部件的相互影響。為便于維護(hù)和市場推廣，基于模塊化設(shè)計(jì)原則，對(duì)電池箱和超級(jí)電容箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化思路如表5和圖5所示。

優(yōu)化后的混合動(dòng)力電源箱方案如圖6所示。

此外，對(duì)電池箱的熱管理系統(tǒng)乃至電源管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。在進(jìn)風(fēng)口處布置過濾網(wǎng)，出風(fēng)口處布置弧狀導(dǎo)流罩，防止雨水、灰塵等進(jìn)入箱體。

表5 電池箱和超級(jí)電容箱改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過對(duì)重新排布后的電池組的CFD計(jì)算（圖7），流動(dòng)阻力由原方案的410 Pa降至優(yōu)化方案的320 Pa，冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量增加60%以上，散熱量Q的仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試結(jié)果均達(dá)到1 k W以上，散熱效果明顯提升。

圖5 優(yōu)化思路

圖6 優(yōu)化后的混合動(dòng)力電源箱

圖7 仿真分析模型

4 結(jié)束語

通風(fēng)冷卻技術(shù)是100%低地板輕軌車混合動(dòng)力電源箱的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。本文基于模塊化設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了混合動(dòng)力電源箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方案。結(jié)合理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證手段，基于溫升試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)混合動(dòng)力電源箱進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后的混合動(dòng)力電源箱新方案通風(fēng)散熱能力更佳、防護(hù)等級(jí)更高，更具安全性和可靠性。經(jīng)研究并改進(jìn)后的冷卻方案，將為100%低地板輕軌車輛牽引系統(tǒng)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）