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行业新闻

电动汽车充电设施防凝露设计研究

电动汽车充电设施防凝露设计研究

《电气技术》杂志 电工技术学报 2月2日

许继电源有限公司的研究人员高庆勇、房相成、陈伟明、刘艳敏、王晓磊,在2018年第1期《电气技术》杂志上撰文指出,电动汽车充电设施直接安装于户外,随着户外环境的温度、湿度迅速变化,在充电设施壳体表面会产生凝露现象。

分析了产生凝露的机理和对电气设备的危害,提出了四种户外充电设施的防凝露设计方案,通过高低温箱模拟凝露试验,验证四种设计方案的防凝露效果。为充电设施提供了最佳的防凝露方案,保证内部电气设备运行的安全性与可靠性,对类似的户外产品防凝露设计具有重要的指导意义。

近年来,全球能源危机和环境危机突显,国家大力倡导发展新能源汽车,电动汽车技术取得了显著的进步。电动汽车行业发展需要高效便捷、安全稳定的充电服务,充电设施正是新能源汽车发展的基石。

国家发改委于201510月印发的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》中提出了到2020年新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,可满足500万辆电动汽车充电需求的总体目标[1]

截至2016年国家电网公司建设的六纵六横两环高速公路快充网络已形成,平均间距不超过50公里。并于2017119日宣布,本年度计划建设充电桩2.9万台,将于年内形成九纵九横两环的高速公路快充网络;到2020年,高速公路快充网络将覆盖202个城市、3.6万公里,彻底解决电动汽车充电难问题”[2]

充电站分布区域广泛,在中原地带,因温差较小、湿度较低,产生凝露时间相对较少,但在沿海地带及西北区域因湿度较高或昼夜温差较大等问题,更容易形成凝露。

凝露对电气设备主要有以下危害:1)凝露滴至内部金属件上,引起零件锈蚀[3]2)凝露滴至电气元件上,引起元件短路、爆炸等问题;3)电气元件长时间运行在高湿环境中,会缩短元件使用寿命;4)在潮湿环境中更易形成霉变等不良现象。

在设备运行过程中,上述任何一个问题都会引起较大的安全问题,缩短产品的运行寿命,因此必须解决湿度引起的凝露问题,确保设备运行在一个合理的湿度环境下。

1 凝露产生原理

空气主要由干空气、水汽、尘埃组成。通常湿度是指空气中水蒸气的含量,可以用相对湿度、绝对湿度、饱和湿度表示。饱和湿度是单位体积的空气在一定温度条件下所能包含的水汽量的最大限度;绝对湿度是一定体积的空气中水蒸气的质量,单位是g/m3;而相对湿度即绝对湿度与饱和湿度的比值。

饱和湿度与空气温度有关,温度越高,所含水分越多。30%60%的相对湿度是对于一般电气设备比较适宜的[4]。如果保持空气绝对湿度不变,降低空气温度,温度降低到一定值时空气中湿度会达到饱和,继续降温,空气中水分就会析出,这种有液态水析出的现象称为凝露。露点温度是含湿量和大气压力保持不变的前提下能使空气相对湿度达到100%的温度[5]

试验室条件下的凝露现象主要包括两种情况。一种是出现在升温阶段,升温过程中壳体表面温度低于环境温度,壳体外表面的空气遇到低于露点温度的产品表面时,水气会凝结在壳体外壁,形成凝露。

另一种是出现在降温阶段,外部环境先降温,所以壳体内壁比内部空气温度低,如果壳体内壁温度达到内部空气的露点温度,壳体内壁就会形成凝露。

通常我们要解决的凝露问题主要是第二种,避免内壁产生凝露影响内部电气元件性能。凝露是温度与湿度共同作用的结果,一般以下2种情况更容易产生凝露:1) 环境湿度高,气候温差大;2) 机柜底部电缆沟未封堵,电缆沟有水;

我国地域辽阔,气候差异巨大,在沿海环境湿度大,西北地区温差变化大,此类区域一般更易产生凝露[6]

2 电气设备防凝露设计

目前电气行业内处理湿气、凝露等问题的方法有在柜体内部加装电加热器、风机、除湿器等,有着各自的优缺点,应根据具体产品特性选用最佳除湿方案。

2.1加热除湿(湿度控制器+加热器)

加热器通过加热空气,增加空气含湿量,降低空气的相对湿度,利用加热后的空气密度较小,会上浮至上方,冷空气下降至下方,从而达到整个空间内部都充满热气体,空气加热后体积加大,会从出风口将空气排至外部[7]

实际上加热器没有能够真正意义上除湿,只是对设备内部的空气加热,进而降低产品内部的相对湿度。空气中的湿度只是被过热蒸发,变成过热蒸汽的形式,如果没有及时采取必要的措施,过热蒸汽被冷凝后,设备内部的空气湿度还会恢复到原来的状态。等于是一个一直在循环的除湿方案,适用于含有通风孔的设备。

2.2除湿器除湿

现阶段的除湿器通常是利用风机将产品壳体内部空气抽进除湿器,应用半导体热电元件在一定电压下产生冷热效应,局部制造凝露条件使壳体内潮湿空气凝结成水并直接排出壳体外部,从而降低壳体内部湿度,防止凝露产生,除湿效果显著。半导体除湿器由PN结、风机、排水管等组成,除湿过程基于热电制冷的原理,主要应用珀尔帖效应,通过N型和P型两种半导体将电能转化为热能,与之相反的则是塞贝壳效应。

制冷模式下,直流电由N型半导体流至P型半导体,热电对中冷端的温度降低,并吸收环境中的热量。当电子经导体由P型半导体的低能端流至N 型半导体的高能端时,从环境中吸收热量,热量经电子传导至另一端,当电子反向流动时释放热量。多个热电对连接构成热电装置[8]。热电对的制冷模型和除湿器示意如图1所示。

1 除湿原理及除湿器结构示意图

除湿器可将空间内空气中的水蒸气,冷凝变成了液态水,排放到设备外部,原有的空气湿度不会再恢复,能达到真正除湿的目的。除湿器冷凝除湿技术已日益成熟,可根据用户需要自带远程控制、通讯、低温加热等功能[9],更适合应用到相对封闭的空间。

2.3风机除湿

风机不能直接除湿,如设备开有通风孔,反而更容易把外界潮湿空气带至充电机内部,潮湿空气遇到充电机低温度壁面,加速凝露形成。风机需与温度控制器及加热器配合,风机能让空气流动,让热量更快速、更均匀的散发至空气中[10]

湿度控制器检测到环境湿度到设定值时,加热器与风机启动,把热量快速扩散至柜体内部,提高柜内整体温度,风机一般与加热器做成一体,放至加热器下部,但该方案一般在风机下部一般不宜留通风孔。

2.4金属涂层防凝露

在金属表面涂覆硅胶干燥剂涂层后,当金属表面温度低于露点温度有水分析出时,首先被吸附到金属表面涂层中,吸附饱和后才会出现凝露。所以在金属表面涂覆硅胶涂层,在一定时间内可有效延缓凝露的产生[11],但并不能达到除湿的目的,且增加了加工和维护成本。

3 充电设施防凝露试验结果分析

充电设施一般分为交流充电桩和直流充电机,直流充电机因内部有功率转换单元,故一般设计有通风孔;交流充电桩内无功率元件,一般可做为全封闭或有少量通风孔的半封闭空间,本次共采用4台充电机分2次进行测试,第1次测试条件如表1

1充电机状态表

本次测试环境为30 m³高低温环境箱,采用试验设备为温湿度表[12]。测试方法如下:试验时打开充电机前门,高低温箱设置温度45,湿度95%,运行30分钟后关闭充电机前门再次运行10分钟,关闭高低温环境箱,让其自然降温,5小时后打开高低温环境箱充电机内部状况见表2

2充电机实验结果

2次测试为充电机左右有通风孔,其它条件与第1次测试相同。测试结果见表3

3充电机实验结果

经过两次测试对比,得出如下结论:

1)在相对封闭空间,除湿器湿度控制器+加热器+风机效果类似,效果略好于湿度控制器+加热器在相对封闭空间,加热器加热空气降低相对温度可能会存在重复循环工作现象,因此相对封闭空间更推荐使用除湿器方案。

2)在开放空间,三种效果对比为:湿度控制器+加热器+风机”>“湿度控制器+加热器”>“除湿器

4 结论

研究了产品凝露产生的原理及产品除湿的方法,利用实际产品在高低湿环境箱中进行实验验证,得出充电设施有必要增加除湿元件来预防凝露的产生。在除湿元件选配上得出以下结论:

1)无发热元件充电桩可不开通风孔或仅在上部开少量通风孔,不建议下部开通风孔;2)除湿器应应用于相对封闭空间的充电桩内,除湿器功率根据产品实际空间确定;3)有通风孔充电桩(机)宜选用温度控制器+加热器+风机加热方案,加热器功率可根据产品实际空间确定。


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