有轨电车地面充电装置内循环散热系统优化方案*

陈修强

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111,青岛)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展,一种新型的城市轨道交通工具——无接触网储能式有轨电车,受到了越来越多的市场认可[1-2]。由于该种有轨电车采用站台室外的大功率变流地面充电装置进行充电作业,因此其地面充电装置需在做好柜体防护的基础上实现快速有效的系统散热功能。

基于此,针对密闭柜体整体内循环的散热系统散热效率低的问题,本文提出一种基于空调冷却的有轨电车地面充电装置内循环散热系统(以下简称“内循环散热系统”)优化方案,利用FLOTHERM软件仿真计算原方案与优化方案下的风速与温度,并进行散热系统试验。通过仿真与试验验证,所提优化方案能够满足内循环散热系统的温升要求,大幅降低大功率集中发热器件的温升,有效提升散热系统的散热性能。本文研究可为大功率集中发热装置散热系统设计提供工程经验与技术指导。

1 内循环散热系统

1.1 充电装置组成

有轨电车地面充电装置由机柜、机柜空调、功率模块及电抗器等部件构成,如图1所示。其中:柜体起到了承载及固定作用;机柜空调是自带蒸发器与冷凝器的空调一体机,安装于柜体前后门板上部;4个功率模块安装于柜体中部,内置独立风道,由安装于风道进风口顶部的风机通过散热片将功率模块内部的热量带出;4个电抗器安装于柜体底部,位于功率模块正下方。

图1 地面充电装置组成示意图

1.2 散热原理

有轨电车地面充电装置的内部发热单元包括功率模块与电抗器,其发热功率为5.8 kW,考虑到散热系统的散热余量,选用4台制冷量为1.5 kW的机柜空调进行空调冷却,空调总制冷量为6.0 kW,与发热功率相匹配。

当充电装置启动后,电抗器与功率模块开始工作并产生热量;空调启动制冷工作,从空调出风口发出制冷风;功率模块内置风机在吸入空调发出冷风的同时,带动功率模块产生的热量向柜体下部流动,对电抗器进行散热;空调上部回风口的回风风机将柜内热风吸入空调蒸发器后,冷却下来的空气再通过空调下部出风口吹出,形成内循环散热系统。在第一台样机制作完成后,对其进行温升试验测试。测试结果表明,功率模块出现了高温报警。

1.3 散热效率低的原因分析

为了查明高温报警的原因,对上述充电装置再次进行温升试验测试,并在功率模块、电抗器及柜体内部中间位置布置了温度检测点,利用温度记录仪实时检测柜体内部及发热器件的温升状况。

检测结果表明:①功率模块温升为48.7 ℃,这是由于空调出风口与功率模块进风口之间存在风道短路现象导致的,由空调出风口发出的冷风没有完全进入功率模块;②电抗器温升为85.1 ℃,已接近温升上限,由功率模块风机带出来的热量与电抗器产生的热量集中在柜体底部,无法及时进入空调回风口而导致热量累积;③柜内环境温度温升为21.1 ℃,柜体底部热量的积聚导致柜内环境温度逐渐升高,导致空调出风口温度有所升高,进而形成温升累积循环。

2 内循环散热系统优化方案

2.1 优化方案

针对柜内风道短路导致热量累积无法及时散出的问题,在空调出风口与功率模块进风口之间增加风道一,同时在柜体底部与顶部中间增加风道二及风道风机,将底部热量通过风道二引至空调回风口附近[3]。内循环散热系统优化方案示意图如图2所示。风道二进风口位于电抗器底部,设定两种进风口方案,其参数对比如表1所示。

表1 两种进风口方案参数对比

图2 内循环散热系统优化方案示意图

2.2 原方案与优化方案仿真计算结果对比

方案二中,由于电抗器底部风口远离风道二,其进风口风量会小于近侧风口的风量,进而导致电抗器两侧风量不一致,电抗器内部温度不均匀。因此,本文将方案一作为优化方案进行研究,并对其进行温升试验验证。利用FLOTHERM软件搭建仿真计算模型,采用六面体结构化网格进行模型离散[4-5],对原方案及优化方案进行仿真计算分析,两种方案的风速云图对比如图3所示。由图3可知:原方案中,最大风速位于功率模块进风口处,而从电抗器至空调回风口处几乎无风向运动;优化方案中,在增加风道一后,空调出风口处的风完全进入功率模块内部风道,后经电抗器及风道二回到空调回风口。

a) 原方案

2.3 优化方案试验验证

利用温度记录仪分别记录4组功率模块内部、电抗器内部及柜体中心测定点处(见图1)的温度变化。温升试验数据如表2所示。经过5.1 h试验后,柜体中心测定点在1.0 h内的温升小于1 ℃,功率模块温升小于50 ℃,电抗器温升小于90 ℃。由此可知,优化方案能够满足内循环散热系统的温升要求。通过对柜体内部散热系统散热风道进行优化设计后,柜内的环境温度及器件温度明显有所降低,使内循环散热系统最终达到稳定状态。

表2 温升试验数据

3 结论

1) 基于空调冷却整体内循环散热系统无法有效解决大功率高热损耗集中发热器件的散热问题,通过温升试验发现,其与制冷系统的制冷量大小无关,而与散热系统的风道回路有关。

2) 通过FLOTHERM软件进行仿真计算,并对风道进行优化设计,所提优化方案能够满足内循环散热系统的温升要求。

3) 优化后散热系统的电抗器温升降低率约为20.1%。优化方案的内循环散热系统在空调出风口、电抗器及空调回风口之间形成闭环风道回路,大幅降低了大功率集中发热器件的温升,有效提升了散热系统的散热性能。