雙層軌道客車內(nèi)置式蓄電池箱通風(fēng)優(yōu)化

趙麗娜，張麗勇，葉志剛，劉健雄，毛茂

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 引言

在列車運(yùn)行過程中，蓄電池主要滿足列車在出現(xiàn)故障和供電問題時，能夠?yàn)榫o急照明、列車控制和監(jiān)視設(shè)備、通信設(shè)備、頭燈及尾燈、緊急通風(fēng)等負(fù)載提供電能。由于雙層軌道客車的車體比單層客車的車底離地面距離近，單層客車蓄電池箱懸掛于車底的結(jié)構(gòu)形式不適用于雙層客車，因此雙層客車需采用將蓄電池箱放置于車體內(nèi)部的內(nèi)置式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。雙層軌道客車使用的是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池在開路放置或充電過程中會由于電解液副反應(yīng)的存在而釋放氫氣[1]，使得充電區(qū)域存在火災(zāi)爆炸危險[2]。因此，蓄電池箱通風(fēng)設(shè)計(jì)尤為重要。

1 雙層軌道客車內(nèi)置式蓄電池箱原通風(fēng)柜門結(jié)構(gòu)

內(nèi)置式蓄電池箱雙層軌道客車上的安裝位置見圖1。每輛車需用50個蓄電池單體，而每個單體的電池標(biāo)稱電壓為1.2V。50個單體電池分別置于兩個電池托盤內(nèi)，也就是每25個電池單體用一個托盤。每個托盤安裝于一個蓄電池箱內(nèi)，每車安裝兩個蓄電池箱[3]。蓄電池箱安裝于車輛內(nèi)部下層地板梁上。蓄電池箱體口朝向車體外側(cè)，便于蓄電池維護(hù)。蓄電池箱體口用安裝在車體上的兩個通風(fēng)柜門遮擋（見圖2），保證車輛運(yùn)行時蓄電池的安全[4]。

2 原通風(fēng)柜門結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式蓄電池箱內(nèi)流場計(jì)算

2.1 建立模型

為了分析電池箱的通風(fēng)性能，建立1節(jié)長28m的整車模型（見圖3）。計(jì)算列車行駛速度為160km/h和70km/h的工況，并對列車及其周圍的壓力和速度分布進(jìn)行分析。地面給出的是無滑移邊界條件。在入口截面上，按均勻來流給定X向速度分布，即X向給定來流速度，而且在Y、Z向速度分量均為零。出口截面上靜壓為零。列車表面為無滑移的壁面邊界條件。

列車的運(yùn)行速度為160 km/h時，由于速度比較慢，空氣密度的變化對流動的影響可以略去不計(jì)，所以采用不可壓流動假設(shè)，即認(rèn)為密度為常數(shù)。可采用κ–ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。連續(xù)方程

為直角坐標(biāo)下的不可壓縮流的納維－斯托克斯（Navier－Stokes）方程，適合于不可壓縮粘性流體的運(yùn)動。三個方向的運(yùn)動方程：

式（2）中：ρ為密度，是常量。由式（1）和式（2）組成不可壓縮流動方程組，共4個獨(dú)立方程。獨(dú)立的未知量有：p和ui的3個分量，共4個獨(dú)立的未知量。在層流情況下，方程組封閉。在不可壓縮的流動模型中，能量方程與連續(xù)方程、運(yùn)動方程不耦合，因此在計(jì)算中不需要考慮散熱，就沒有引入能量方程。

2.2 計(jì)算結(jié)果

整車流場速度分布如圖4所示。整車壓力分布圖如圖5所示。蓄電池箱內(nèi)部速度分布如圖6所示。風(fēng)通過車體柜門的入口進(jìn)入電池箱，由于后面的擋水板，導(dǎo)致大部分的氣體從進(jìn)口阻斷直接從出口排出。蓄電池箱內(nèi)氣體排出需要至上而下，因此現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對于熱氣流或者氫氣排氣阻力較大[5]。通過圖7也可看出，進(jìn)入電池箱的風(fēng)較少。

列車運(yùn)行時電池箱周圍壓力分布如圖8所示。列車運(yùn)行時，電池箱周圍車體上為負(fù)壓，大小在-9Pa左右。電池箱進(jìn)出口壓力分布如圖9所示。在擋板和進(jìn)出口區(qū)域間，會出現(xiàn)高壓區(qū)，也導(dǎo)致很難進(jìn)風(fēng)。只有改變進(jìn)出口區(qū)域，形成回路，才有顯著的進(jìn)風(fēng)效果[6]。電池箱進(jìn)出口流量分布如表1所示，流量窗口定義如圖10所示。行車速度越高，進(jìn)風(fēng)量越大，從進(jìn)風(fēng)量質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，流量較少。

表1 電池箱進(jìn)出口流量分布

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷

對于原有內(nèi)置式蓄電池箱通風(fēng)柜門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)通風(fēng)量較小，并且進(jìn)出口位置不合理，蓄電池產(chǎn)生的氫氣或熱氣向電池上方流動，最后流出位置卻在電池箱的中部，導(dǎo)致排氣較為困難。在擋板和進(jìn)出口區(qū)域，會出現(xiàn)高壓區(qū)，導(dǎo)致很難進(jìn)風(fēng)。

3 內(nèi)置式蓄電池箱原有通風(fēng)柜門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 原有通風(fēng)柜門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以流場計(jì)算給出的結(jié)果為依據(jù)，對內(nèi)置式蓄電池箱原有通風(fēng)柜門的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于蓄電池產(chǎn)生的氫氣或熱氣向電池上方流動，最后流出位置在電池箱中部，因此將柜門上側(cè)原有的左右兩個通風(fēng)口改為上側(cè)中間區(qū)域一個通風(fēng)口。由于在擋板和進(jìn)出口區(qū)域會出現(xiàn)高壓區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)困難，因此在柜門下冊中間區(qū)域增加一個通風(fēng)口，形成回路[7]。優(yōu)化后的通風(fēng)柜門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3.2 通風(fēng)柜門結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù) EN 50272—2:2001 《二次蓄電池和安裝蓄電池的安全要求—第2 部分：固定蓄電池》，進(jìn)行通風(fēng)柜門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證[8]。測試樣品描述見表2。將一組裝有25只FNC150Ah蓄電池單體的蓄電池箱作為氫安全測試的測試對象（使用4組探頭測試，如圖12所示）。它與另一組含25只蓄電池單體的電池箱及充電機(jī)串聯(lián)組成測試電路[9]，如圖13所示。將樣件放在常溫常壓環(huán)境中按表3中設(shè)定的工況充電。檢驗(yàn)結(jié)果見圖14和圖15。試驗(yàn)過程中，蓄電池箱內(nèi)氫氣占空氣的體積分?jǐn)?shù)最大值為0.19%，低于4%（體積分?jǐn)?shù)）的氫氣低爆炸極限。

表2 測試樣品參數(shù)

表3 蓄電池充放電工況

4 結(jié)束語

蓄電池在開路放置或充電過程中會產(chǎn)生且釋放氫氣。因?yàn)閮?nèi)置式蓄電池箱在密閉空間使用，所以在進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)時，一定要充分考慮不同充電場所以及不同通風(fēng)條件下氫氣濃度分布的不同規(guī)律[10]，確保雙層軌道客車正常工作和車輛的安全運(yùn)行。