CN113119772B - 一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法及优化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法，包括有以下步骤：基于使用的功率模块确定散热方式；计算在上述散热方式下所需的目标风量；选择能达到目标风量的风扇。本发明还公开了一种200kW大功率直流电动车充电桩的优化系统，包括有壳体、断路器、若干电子器件、显示屏、功率模块组、散热风扇组及出风口格栅；将位于壳体底部的断路器设置在散热风扇组的正下侧；将位于壳体中部的电子器件安装到壳体前部并与显示屏、继电器集成为一块元器件固定板；将功率模块组的功率模块集中安装；除去壳体顶部的出风口格栅。本发明具有以下优点和效果：针对200KW大功率直流充电桩存在的散热问题，进行散热处理。

Description

一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法及优化系统

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，特别涉及一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法及优化系统。

背景技术

伴随这科学技术的不断发展，我国的汽车保有量不断增加，极大的方便了人们生活的方方面面。但是石油资源是有限的是不可再生能源，使用完多少就会减少多少，所以发展新能源变得迫在眉睫。而且数十年来传统汽车的使用也给环境带来了严重的污染问题，特别是最近几年来，汽车几乎走进了我国的每家每户，而污染也愈发严重。环境污染严重的影响了人们对美好生活的追求，低碳、环保等词汇也越来越多的出现在人们的生活当中愈受人们关注。

新能源汽车在全球气候变暖和世界能源枯竭的双重背景之下越来越得到了汽车用户的认可和欢迎，从而迎来了快速的发展。但是充电难问题仍是目前新能源车被购买和使用的拦路虎。虽然市面上目前存在部分私人快速充电桩，不过由于技术的不成熟可能会给汽车电池造成很大的危害，其安全性和可靠性也值得商榷，并且高昂的价格也使得其无法得到普及。抛开充电桩建设数量不说，充电难的另一方面体现在充电的时间太长，效率太低。所以新能源汽车所运用的充电技术也越来越受到人们关注和讨论。

解决这个障碍的途径就是提高直流充电桩的功率等级，但是随着直流充电桩功率等级的提升，整个充电桩内产生的热量也会越多，而充电桩的体积有效散热表面积有限，因此这也对充电桩的散热冷却系统也提出了更严格的要求。当前，电子设备的主要失效形式就表现为热失效，相关研究发现温度超过允许值导致的失效占总失效的比例超过55％。近年也时有发生大功率直流充电桩起火烧毁事故。著名的10℃法则也指出:温度为70℃～80℃条件下，而温度每上升10℃,其可靠性降低幅度达到50％。因而应该通过各种方法来有效的处理电子器件的散热问题,从而提高其安全性、可靠性，更好的满足性能要求。合理的热设计使电子设备在运行过程中相应的温度不超过允许最高温度，为其长时间可靠性运行提供支持，这也是电子设备的可靠性设计过程中应该考虑的重点。

为了解决200KW大功率直流充电桩可能存在的散热问题，提高充电桩的安全可靠性；必须在直流充电桩设计过程中应该适当的进行散热处理设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法及优化系统，以解决背景技术中所提出的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法，包括有：

基于使用的功率模块确定散热方式；

计算在上述散热方式下所需的目标风量；

选择能达到目标风量的风扇。

进一步设置是，基于使用的功率模块确定散热方式包括有：

计算单个功率模块满载散热量，即单个功率模块满载散热量等于输入功率减去输出功率，表达式如下：

Q_热＝P_输入-P_输出 (I)

接着计算单个功率模块的散热表面热流密度，表达式如下：

在式(2)中，

为散热表面热流密度，Q_总为单个功率模块总散热量，A为功率模块总散热表面积；

基于计算得到的单个功率模块的散热表面热流密度，并通过对比现有各散热方式下能实现的最大散热表面热流密度，确定散热方式。

进一步设置是，计算在上述散热方式下所需的目标风量包括有：

在假设风扇吸收的冷却气流能将直流电动汽车充电桩所散发出的热量全部带出的前提下，然后使用能量守恒方程式计算风量，表达式如下：

在式(3)中，q_m为流体的质量流量，单位Kg/s；Q为系统发热量，单位KW；c_p为空气比热容，单位KJ/Kg·℃；t_o、t_i分别为出风口空气温度和进风口空气温度；

接着，将质量流量换算成体积流量，表达式如下：

在式(4)中，q_v为空气体积流量，单位m³/min；γ为空气密度，常温常压γ＝1.23Kg/m³。

进一步设置是，选择能达到目标风量的风扇包括有：风扇的最大风量取目标风量的2–4倍。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种200kW大功率直流电动车充电桩的优化系统，包括有作为承载结构的壳体、设置在壳体的断路器、若干电子器件和显示屏，还包括有设置在壳体的功率模块组、散热风扇组及出风口格栅；

将位于壳体底部的断路器设置在散热风扇组的正下侧，来减少对气流的阻力；

将位于壳体中部的电子器件安装到壳体前部并与显示屏、继电器集成为一块元器件固定板；

将功率模块组的功率模块集中安装，以减少不必要漩涡与气流阻力的产生，增加散热气流的流畅性与合理性；

除去壳体顶部的出风口格栅，彻底杜绝气流短路现象的发生。

本发明的有益效果在于：

1、本发明针对200KW直流充电桩的散热问题，首先通过计算单个功率模块的散热表面热流密度来确定冷却方式，然后使用能量守恒方程计算充电桩所需风量，并根据所需风量选取对应散热风扇，从而有效的针对200KW大功率直流充电桩，来解决其存在的散热问题，且在实际应用中效果极佳。

2、本发明还针对提出改进方案，降低系统温度，减少各功率模块的温差，提高充电安全性和可靠性。具体的，充电桩内的风道布置存在不合理之处，没有形成流畅合理的气流路径。浪费了冷却气流的散热作用使之做了较多的无用功，降低了系统的散热效率。为了充电桩能实现更好的散热，针对上述问题和热设计原则对充电桩的内部结构与风道布置进行了改进，改进了底部断路器的布置位置使之更靠近散热风扇正下侧，减少对气流的阻力。其次在将安装在壳体中部的电子器件改为安装到壳体前部与显示屏、继电器等集成为一块元器件固定板，与此同时下部的功率模块安装位置可以上调，五组功率模块集中安装减少不必要漩涡与气流阻力的产生，增加散热气流的流畅性与合理性。最后改变了左侧进风，右上双侧出风的风道布置方案，取消了充电桩顶部的出风口格栅，彻底杜绝气流短路现象的发生。

附图说明

图1为实施例的流程示意图；

图2为实施例中各散热方式下的最大热流密度；

图3为实施例中所选风扇的特性曲线；

图4为实施例中所选风扇的基本参数；

图5为实施例的结构示意图。

图中：11、壳体；12、断路器；13、散热风扇组；14、出风口格栅；15、元器件固定板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法，包括有：

基于使用的功率模块确定散热方式；

计算在上述散热方式下所需的目标风量；

选择能达到目标风量的风扇。

首先，基于使用的功率模块确定散热方式包括有：

计算单个功率模块满载散热量，即单个功率模块满载散热量等于输入功率减去输出功率；

单个功率模块的最大输出功率为20KW,输出电压范围为50～750Vdc,输出电流范围为0～50A，满载效率大于97.5％，其满载运行时的散热量如下式所示：

Q_热＝P_输入-P_输出＝20/97.5％-20＝512.82W (1)

接着计算单个功率模块的散热表面热流密度，表达式如下：

在式(2)中，

为散热表面热流密度，Q_总为单个功率模块总散热量，A为功率模块总散热表面积；

基于计算得到的单个功率模块的散热表面热流密度，并通过对比现有各散热方式下能实现的最大散热表面热流密度，确定散热方式。

具体的，在本实施例中可采用的散热方式有：自然风冷散热、强制风冷散热、强制液冷散热、液气相变散热和热管散热。为了保证直流充电桩充电过程中的安全可靠性在进行直流充电桩设计时首先应该考虑的就是整个充电桩的冷却系统采用何种散热方式，散热方式选择不仅对后续充电桩结构的设计有着重要影响，也在产品的生产成本，产品的安全可靠性方面扮演着重要角色。

200KW直流电动汽车充电桩由10个20KW的功率模块组成，每个模块满载工作时的散热量为512.82W，加上充电桩内部其他电子器件的热损耗，整个充电桩的热损耗Q_总约为5200W，该直流充电桩的整体尺寸为1800mm×700mm×400mm，计算得45200cm2，根据公式计算得：

根据附图2和散热器的选取原则，该充电桩散热表面的热流密度大于自然对流散热方式下的最大热流密度0.078W/cm2而小于强迫对流散热方式下的最大热流密度，故选择强迫风冷散热方式进行散热。

接着，计算在上述散热方式下所需的目标风量包括有：

在假设风扇吸收的冷却气流能将直流电动汽车充电桩所散发出的热量全部带出的前提下，然后使用能量守恒方程式计算风量，表达式如下：

在式(3)中，q_m为流体的质量流量，单位Kg/s；Q为系统发热量，单位KW；c_p为空气比热容，单位KJ/Kg·℃；t_o、t_i分别为出风口空气温度和进风口空气温度；

接着，将质量流量换算成体积流量，表达式如下：

在式(4)中，q_v为空气体积流量，单位m³/min；γ为空气密度，常温常压γ＝1.23Kg/m³。

将实际所实施例的数据代入式(3)和(4)可得：

常温常压条件下，空气密度ρ一般取1.23Kg/s，比热容c_p一般取1.0005KJ/Kg·℃，在进风口温度为20℃，出风口温度为60℃的计算前提下得到充电桩系统所需风量为0.1056m³/s＝6.34m³/min。

最后，选择能达到目标风量的风扇包括有：风扇的最大风量取目标风量的2–4倍；计算得到风扇的最大总风量为25.35m³/min,布置5把风扇并联实现总风量25.35m³/min，因此并联使用五台风量为5.1m³/min左右的散热风扇可达到散热要求，根据风量限制和充电桩安装尺寸要求，从Icepak风机库中选取风扇。最终选定满足要求的风扇型号为EBM._W4S200HH0401_。其特性曲线如图3，基本参数附图4所示。

如附图5所示，本实施例还公开了一种200kW大功率直流电动车充电桩的优化系统，包括有作为承载结构的壳体11、设置在壳体11的断路器12、若干电子器件和显示屏，还包括有设置在壳体11的功率模块组、散热风扇组13及出风口格栅14；

将位于壳体11底部的断路器12设置在散热风扇组13的正下侧，来减少对气流的阻力；

将位于壳体11中部的电子器件安装到壳体11前部并与显示屏、继电器集成为一块元器件固定板15；

将功率模块组的功率模块集中安装，以减少不必要漩涡与气流阻力的产生，增加散热气流的流畅性与合理性；

除去壳体11顶部的出风口格栅14，彻底杜绝气流短路现象的发生。

现有的充电桩内的风道布置存在不合理之处，没有形成流畅合理的气流路径。浪费了冷却气流的散热作用使之做了较多的无用功，降低了系统的散热效率。为了充电桩能实现更好的散热，针对上述问题和热设计原则对充电桩的内部结构与风道布置进行了改进，改进了底部断路器12的布置位置使之更靠近散热风扇正下侧，减少对气流的阻力。其次在将安装在壳体11中部的电子器件改为安装到壳体11前部与显示屏、继电器等集成为一块元器件固定板15，与此同时下部的功率模块安装位置可以上调，五组功率模块集中安装减少不必要漩涡与气流阻力的产生，增加散热气流的流畅性与合理性。最后改变了左侧进风，右上双侧出风的风道布置方案，取消了充电桩顶部的出风口格栅14，彻底杜绝气流短路现象的发生。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法，其特征在于，包括有：

基于使用的功率模块确定散热方式；

计算在上述散热方式下所需的目标风量；

选择能达到目标风量的风扇；

基于使用的功率模块确定散热方式包括有：

计算单个功率模块满载散热量，即单个功率模块满载散热量等于输入功率减去输出功率，表达式如下：

Q_热＝P_输入-P_输 (1)

接着计算单个功率模块的散热表面热流密度，表达式如下：

在式(2)中，

为散热表面热流密度，Q_总为单个功率模块总散热量，A为功率模块总散热表面积；

基于计算得到的单个功率模块的散热表面热流密度，并通过对比现有各散热方式下能实现的最大散热表面热流密度，确定散热方式；

计算在上述散热方式下所需的目标风量包括有：

在假设风扇吸收的冷却气流能将直流电动汽车充电桩所散发出的热量全部带出的前提下，然后使用能量守恒方程式计算风量，表达式如下：

在式(3)中，q_m为流体的质量流量，单位Kg/s；Q为系统发热量，单位KW；c_p为空气比热容，单位KJ/Kg·℃；t_o、t_i分别为出风口空气温度和进风口空气温度；

接着，将质量流量换算成体积流量，表达式如下：

在式(4)中，q_v为空气体积流量，单位m³/min；γ为空气密度，常温常压γ＝1.23Kg/m³。

2.根据权利要求1所述的一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法，其特征在于，选择能达到目标风量的风扇包括有：风扇的最大风量取目标风量的2–4倍。

3.一种200kW大功率直流电动车充电桩的优化系统，运行权利要求1至2中任一所述的一种200kW大功率直流电动车充电桩的散热方法，包括有作为承载结构的壳体(11)、设置在壳体(11)的断路器(12)、若干电子器件和显示屏，还包括有设置在壳体(11)的功率模块组、散热风扇组(13)及出风口格栅(14)；其特征在于：

将位于壳体(11)底部的断路器(12)设置在散热风扇组(13)的正下侧，来减少对气流的阻力；

将位于壳体(11)中部的电子器件安装到壳体(11)前部并与显示屏、继电器集成为一块元器件固定板(15)；

将功率模块组的功率模块集中安装，以减少不必要漩涡与气流阻力的产生，增加散热气流的流畅性与合理性；

除去壳体(11)顶部的出风口格栅(14)，彻底杜绝气流短路现象的发生。

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