CN108656913A - 自卸车储能模块柜体及其储能模块散热计算方法 - Google Patents

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Abstract

储能模块散热计算方法，针对矿用自卸车的运行工况，选择相应的超级电容和散热风扇装置，在ansys软件中对自卸车储能模块柜体建立三维模型，同时根据计算需求建立自卸车储能模块柜体的流场网格模型，确定边界条件，在ansys软件中对自卸车储能模块柜体内的温度场，速度场以及压力场进行仿真，生成流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图，通过生成的流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图来改进自卸车储能模块柜体的内部结构，通过理论计算的方法可以快速准确的验证散热系统的散热性能，并对散热系统提出改进措施。

Description

自卸车储能模块柜体及其储能模块散热计算方法
技术领域
本发明涉及自卸车设计领域，具体涉及一种自卸车储能模块柜体及其储能模块散热计算方法。
背景技术
目前针对自卸车超级电容的结构没有专门的方法进行设计，急切需要对自卸车工况的环境的仿真，验证散热系统的散热性能，并对散热系统提出改进措施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、散热效果好的自卸车储能模块柜体。
为了解决上述技术问题，本发明包括柜台体，所述柜台体包括首尾相接的第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，在第一侧板上设有过滤网和风扇装置，在第三侧板上设有多个散热孔，第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板与底板形成一个腔体，在腔口处设有盖板，在腔体内设有多个固定板，在腔体的内壁面设有加强筋，在腔体内还设有储能模块，储能模块与固定板连接，在第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板的上端面设有固定座，在盖板上且对应固定座位置处设有内凹的连接部，在连接部上设有穿过连接部并与固定座连接的固定螺栓，在盖板上还设有把手部。
作为本发明的进一步改进，所述固定板设在腔体的底部，固定板的数量为三个，三个固定板平行设置，在固定板上设有多个固定孔。
作为本发明的进一步改进，在第一侧板上设有拓展接口。
作为本发明的进一步改进，在第三侧板上设有将多个散热孔盖住的百叶窗。
作为本发明的进一步改进，所述过滤网和风扇装置的数量为两个。
本发明还包括一种能模块散热计算方法，包括以下步骤：
一、针对矿用自卸车的运行工况，选择相应的超级电容和散热风扇装置；
二、在ansys软件中对自卸车储能模块柜体建立三维模型，同时根据计算需求建立自卸车储能模块柜体的流场网格模型；
三、确定边界条件：
(1)、自卸车储能模块柜体的出口边界条件：根据散热风扇装置的风扇风量、自卸车储能模块柜体的出口处截面积，得出自卸车储能模块柜体出口处的速度；
(2)、自卸车储能模块柜体的入口边界条件：根据工况环境来确定入口处的气体状态，从而确定自卸车储能模块柜体的入口处的气压；
四、在ansys软件中对自卸车储能模块柜体内的温度场，速度场以及压力场进行仿真，生成流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图；
五、通过生成的流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图来改进自卸车储能模块柜体的内部结构。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的结构分解图。
图2为本发明的柜台体的结构图。
图3为本发明的流体域速度云图。
图4为本发明的流体域温度云图。
图5为本发明的压力云图。
图6为本发明的模组温度云图。
图7为本发明改进后模型速度场。
图8为本发明改进后模型速度场。
图9为本发明改进后模型温度场。
具体实施方式
由图1至图2所示，本发明包括柜台体，所述柜台体包括首尾相接的第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3和第四侧板4，在第一侧板1上设有过滤网和风扇装置5，所述过滤网和风扇装置5的数量为两个，在第三侧板3上设有多个散热孔6，在第三侧板3上设有将多个散热孔6盖住的百叶窗，第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4与底板形成一个腔体，在腔口处设有盖板8，在腔体内设有多个固定板9，所述固定板9设在腔体的底部，固定板9的数量为三个，三个固定板9平行设置，在固定板9上设有多个固定孔，在腔体的内壁面设有加强筋10，在腔体内还设有储能模块11，储能模块11与固定板9连接，在第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3和第四侧板4的上端面设有固定座，在第一侧板1上设有拓展接口7，在盖板8上且对应固定座位置处设有内凹的连接部12，在连接部12上设有穿过连接部12并与固定座连接的固定螺栓13，在盖板8上还设有把手部14。
本发明还包括一种能模块散热计算方法，包括以下步骤：
一、针对矿用自卸车的运行工况，在批量生产的超级电容单体中，选中额定容量是66000F的超级电容；
超级电容参数表
由上表可知，66000F的超级电容最大等效串联内阻为0.8mΩ，充放电电流为100A，而我们的每个电容柜由10个2并8串的模组构成总共160个超级电容单体，因此超级电容充放电时，每个电容柜的散热功率为：
充电时：I2R×160＝1002×0.8×10-3×160W＝1.28kW
放电时：I2R×160＝502×0.8×10-3×160W＝0.32kW
因此取充电时的发热量作为散热功率。
目前所选取的风扇为轴流式抽风冷却风扇，参数见下表：
散热风扇参数
序号 散热风扇参数 参数值
1 额定功率 20.4W
2 额定电压 24V
3 额定电流 0.85A
4 转速 4000r/min
5 风量 5.46m3/min
6 风压 17.62mmH2O
7 重量 301.5g
二、在ansys软件中对自卸车储能模块柜体建立三维模型，考虑到本次计算重点关注柜体内部的温度场以及流场，因此在建模划分网格时忽略掉一些对散热影响不大的、细小的部分，以提升计算效率。由于电容组上端都覆盖电路板和均衡单元，其材质传热性能较差，因此可以认为电容模组上端为绝热面，而模组下端空间狭小，流动阻力较大，热阻较大，因此忽略下端的散热，每个电容模组的换热面为四周的四个侧面；
三、确定边界条件：
(1)、自卸车储能模块柜体的出口边界条件：根据散热风扇装置的风扇风量、自卸车储能模块柜体的出口处截面积，得出自卸车储能模块柜体出口处的速度；
超级电容柜体装了两台风扇，因此有两个出口，一个入口。
根据风扇风量5.46m3/min，柜体出口处截面积0.0064m2得出柜体出
口处的速度为：
因此Fluent中取velocity-inlet作为出口边界条件。
(2)、自卸车储能模块柜体的入口边界条件：根据工况环境来确定入口处的气体状态，从而确定自卸车储能模块柜体的入口处的气压；
而柜体的入口气体压力为当地大气压，因此取Pressure-inlet作为入口边界条件。根据90t总体设计说明书，取最恶劣工况海拔4300m，环境温度最高30℃(303.15K)作为计算工况。因此入口处的气体状态为：
T＝303.15K；P＝53.5kPa(绝对压力)
另外，在柜体入口处，为了保证柜体内部的清洁度，安装了百叶窗、滤网等部件。根据流量5.46m3/min换算得到气体入口处的速度不超过4m/s，因此可以忽略这些结构产生的局部阻力损失，取入口全压为53.5kPa。
由于电容内部的机理复杂，运行时的内部状态难以确定，因此根据电容的额定电流以及最大等效电阻估算出电容产热功率，并均匀的加载到模型中的换热面。而柜体的外壳则当做绝热壁面处理。
四、在ansys软件中对自卸车储能模块柜体内的温度场，速度场以及压力场进行仿真，生成流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图；
由图3可以看出，由于柜体两侧的通道较宽，而模块间的通道十分狭小，导致气体进入柜体后大部分流入两边通道然后流出，而柜体间的狭缝区域特别是第二排模组的狭缝区域流入的气体较少。
流体域的温度场如图4所示。由于柜体两侧的气体流量大，流速快，散热效果好，使得两侧的模组温度较低，而中间部分的模组，特别是第二排模组的中间部分，气体流通性差，导致热量积聚，温度较高。
流体域的压力云图如图5所示。随着气体流动，由于沿程阻力损失和局部阻力损失，气体的全压慢慢降低，最终根据出口面的面平均压力，整个电容柜的压力损失为80Pa，即8mmH20。
电容模组表面温度的云图如图6所示。由图6中可以看出，靠近进气口(左侧)的模组由于冷却气体温度较低，温差大，散热效果较好，因此温度要低于第二排模组。同一排模组相比较，由于两侧空气流量大，因此温度也要低于中间部分的模组。最终整个模组的平均温度为326.48K，即53.33℃，低于电容的安全温度55℃。考虑到平均温度比较接近安全温度，且温度场不均匀度较高，因此从流场的角度对电池柜提出改进措施。
五、通过生成的流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图来改进自卸车储能模块柜体的内部结构。
目前散热系统最大的问题在于气流流向不均匀，气体主要进入了柜体两侧以及模组上部较大的流域然后直接从出气口排出，而真正起冷却作用的模块之间的狭小细缝流域由于流动阻力较大，进入的空气量太少，从而流速较低，散热不充分，电容模块温度偏高。因此必须从改善流场均匀性的角度，来改进散热系统。
方案一：封闭柜体两侧较宽的通道，强迫气体向中间的模块狭缝流动。首先封闭入口出的两侧通道。其二维流场云图如图7所示：
从图7中可以看出，气体首先以较快的速度进入了第一排电容模块间的狭缝流域，这表明第一排模组的散热效果较好。但是由于压差的关系，狭缝中的气体仍然在狭缝中向两侧较宽的流域扩散，然后直接从出口排出，仍然导致进入第二排电容模组狭缝的气体较少，这表明第二排的散热效果较差。
因此考虑封闭第二排入口处的两侧通道，使得从狭缝进入两侧的气体又回到中间流域，继续进入第二排的狭缝流域。其速度场云图如图8所示：
从图中可以看出，气体从入口到出口必须经过模组间的狭缝区域，大量空气进入狭缝区域导致流速极大，散热效果得到了极大提升。其二维温度场如下图所示
从图9可以看出，整个系统的温度场都较低，最终模组平均温度为308.30K，相比环境温度303.15K，仅仅上升了5.15K，这表明这种系统的散热效果是极佳的。

Claims (6)

1.一种自卸车储能模块柜体，其特征在于：包括柜台体，所述柜台体包括首尾相接的第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，在第一侧板上设有过滤网和风扇装置，在第三侧板上设有多个散热孔，第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板与底板形成一个腔体，在腔口处设有盖板，在腔体内设有多个固定板，在腔体的内壁面设有加强筋，在腔体内还设有储能模块，储能模块与固定板连接，在第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板的上端面设有固定座，在盖板上且对应固定座位置处设有内凹的连接部，在连接部上设有穿过连接部并与固定座连接的固定螺栓，在盖板上还设有把手部。
2.按权利要求1所述的自卸车储能模块柜体，其特征在于：所述固定板设在腔体的底部，固定板的数量为三个，三个固定板平行设置，在固定板上设有多个固定孔。
3.按权利要求1所述的自卸车储能模块柜体，其特征在于：在第一侧板上设有拓展接口。
4.按权利要求1所述的自卸车储能模块柜体，其特征在于：在第三侧板上设有将多个散热孔盖住的百叶窗。
5.按权利要求1所述的自卸车储能模块柜体，其特征在于：所述过滤网和风扇装置的数量为两个。
6.一种储能模块散热计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、针对矿用自卸车的运行工况，选择相应的超级电容和散热风扇装置；
二、在ansys软件中对自卸车储能模块柜体建立三维模型，同时根据计算需求建立自卸车储能模块柜体的流场网格模型；
三、确定边界条件：
(1)、自卸车储能模块柜体的出口边界条件：根据散热风扇装置的风扇风量、自卸车储能模块柜体的出口处截面积，得出自卸车储能模块柜体出口处的速度；
(2)、自卸车储能模块柜体的入口边界条件：根据工况环境来确定入口处的气体状态，从而确定自卸车储能模块柜体的入口处的气压；
四、在ansys软件中对自卸车储能模块柜体内的温度场，速度场以及压力场进行仿真，生成流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图；
五、通过生成的流体域速度云图、流体域温度云图、流体域压力云图以及电容模组表面温度的云图来改进自卸车储能模块柜体的内部结构。
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