李向东;傅冠生;赵如如;邓谊柏
设备集电环
森林防火预警系统
【摘 要】储能式现代有轨电车可以无接触网运行,超级电容储能电源作为现代有轨电车的牵引动力源,其快速大电流充放电会导致发热、升温,并影响超级电容的寿命和可靠性.通过对利用车厢空调的废排空气冷却储能电源的散热柜体进行散热仿真计算,得出废排风口的大小及位置、电源柜内的流道设计都是影响超级电容储能电源散热的重要因素.经过优化设计后的电源柜,柜内温度分布比较均匀,且控制在储能电源可靠运行的温度范围内,证明采用车厢空调的废排空气冷却储能电源的散热方式是可行的.【期刊名称】《现代城市轨道交通》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】5页(P11-15)
【关键词】有轨电车;超级电容;储能电源;散热仿真;设计优化
【作 者】李向东;傅冠生;赵如如;邓谊柏
【作者单位】宁波中车新能源科技有限公司,浙江宁波 315111;宁波中车新能源科技有限公司,浙江宁波 315111;宁波中车新能源科技有限公司,浙江宁波 315111;宁波中车新能源科技有限公司,浙江宁波 315111
【正文语种】中 文
【中图分类】TB21
0 引言
储能式现代有轨电车采用超级电容器所储存的电能作为牵引动力源，不仅不会影响城市景观，还能降低安全隐患，实现能量高效循环利用和节能环保[1-2]。但超级电容器因自身存在内阻，在充电和放电过程中会产生热量导致温度升高，从而影响超级电容器的寿命、安全性以及老化速度[3-5]。为了降低储能电源柜内部温度并优化其散热效果，运用有限元分析软件 ANSYS/FLUENT 对储能电源柜进行建模，通过对储能电源柜内的空气流场、温度场进行模拟仿真，提出了散热优化设计方案。
1 储能电源柜结构简介
某种车型的超级电容储能电源柜设计结构包括超级电容器模组、控制系统和接线端子排的安装空间，以及散热系统，其三维模型如图 1 所示。其中，超级电容模组安装于左右两侧柜体之中，左侧柜体中布置 8 列，每列分上下 2 层并排分布共 16 个模组；右侧柜体中布置 5 列，每列分上下 2 层并排分布共 10 个模组，每个模组内均匀排列 16 个超级电容器。右侧柜体空余部分用于安装储能柜控制设备，包括控制器和继电器，以及接线端子排等设备。散热系统的冷源为有轨电车车厢内部的空调废排风，入口为柜体底部，通过风扇使得冷源进入柜体，先后经过下、上层模组，流经柜内流道产生热交换，形成热空气，并通过排风扇从侧面排出，从而达到散热的目的。左侧柜体安装了上下 2 排，每排 8 台风扇，均匀分布在柜体侧面；右侧同样安装了上下 2 排，每排 5 台风扇，其未放置模组的空间未安装风扇。 图1 超级电容储能电源柜三维模型图
2 储能电源柜建模与仿真计算
2.1 储能电源柜仿真模型
由于储能电源柜内部结构复杂、小尺寸部件较多，导致建模生成的储能电源柜仿真模型网格分布极密，网格数量巨大，不利于仿真计算。因此，为了简化仿真模型，同时确保仿真的可信度，提出以下简化与假设：
（1）储能电源柜近似为左右对称结构，其中左侧柜体中容纳的超级电容器模组多，仿真时选取左侧柜体进行仿真计算，中间截面设为对称边界条件；钢丝扣
（2）忽略储能电源柜内各种支撑结构（如梁、安装板、支撑柱等）的导热；
（3）不考虑太阳辐射对储能电源柜内部温度的影响；
（4）储能电源柜壁面为绝热边界条件；
（5）计算时仅开启上排风扇。
在假设和简化的基础上，建立的储能电源柜仿真模型视图如图 2 和图 3 所示，各部件名称见图中文字标注。在图 2 中，将模组沿 x 方向 4 等分得到 3 个截面记为x_0.125、x_0.250 和 x_0.375，分别位于在 y-z 平面上距x 轴原点与 x 方向总长之比为 0.125、0.250 和 0.375
的位置处。图 3 中，fan1 至fan8 分别为 8 台风扇对应名称，inlet1 至 inlet3 分别为 3 个入口的名称。
图2 储能柜体仿真模型视图1
图3 储能电源柜体仿真模型视图2
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2.2 储能电源柜数学模型
储能电源柜内的空气流动属于紊流运动，在紊流运动的工程计算中，k-ε 双方程模型的应用最广泛，并取得了较好的结果，因此选用 Realizable k-ε 双方程湍流模型对该问题进行数值模拟。计算中进行如下假设和简化：
natr-241（1）空气流动为低速、常温下的不可压流体流动；
（2）空气密度符合 Boussinesq 假设，即忽略压强变化引起的密度变化，只考虑温度变化引起的密度变化；
（3）空气流动符合气体状态方程的等压流动；
铝方通吊顶工艺
（4）空气的强迫对流和自然对流均存在紊流流动；
（5）内部发热量平均分布在模组上。
在此假设和简化的基础上，在直角坐标系下建立矢量形式的流体连续性方程和动量方程如下：
式（1）～（4）中，ρ 为流体密度，kg/m3；t 为时间，s；u 为速度矢量，m/s；p 为压强，Pa；xi、xj、xk 为坐标分量；Si、Sj、Sk 为广义源项分量；μeff 为有效粘性系数，Pa · s（μeff = μ + μt；μ 为分子粘性系数，Pa · s；μt 为湍动粘度，N · s/m2）。
单体内部及其他固体区的能量平衡方程：
式（5）中，x、y、z 为坐标；ρ 为流体密度，kg/m³；λ 为热导率，W /（m · K）；c 为比热容，J /（kg · K）；t 为时间，s；T 为温度，K。
能量方程：
式（6）中，μ 为分子粘性系数，Pa·s；μt 为湍动粘度，N · s/m2；σT 为表面张力，m · N/
m；qT 为内热源，W/m3；Cp 为定压比热容，J/（kg · K）。
在涡粘模型方法中，不直接处理应力项，而是把湍流应力表示成湍动粘度的函数，其中 Cμ 为计算常数。对以上控制方程进行时间平均，引入 Reynolds应力项，就可以基于 k-ε 湍流模型建立湍动能 k 与耗散率 ε 的输运方程。再联立 μt 与湍流模型，进而可对控制方程求解。
建立的湍动能 k 与耗散率 ε 的输运方程如下：
式（7）、（8）中，ρ 为流体密度，kg/m³； xi、xj 为各坐标分量；σk、σε 为湍动能 k 和耗散率 ε 的湍流普朗特数；Gk 为由平均速度梯度所产生的湍动能，m2/ s2；μ 为分子粘性系数，Pa · s；μt 为湍动粘度，N · s/m2；E 为流体的总能量，
2.3 仿真计算结果及分析
每个单体在运行期间的平均发热功率为 7.62 W，假设其发热量平均分布在模组上，计算所需材料的物性参数如表 1 所示。计算的边界条件如下：压力取标准大气压，环境温度为 28℃，无滑移绝热边界条件；入口边界条件为自由入口，进口冷却空气温度为 27 ℃；出
口边界按风扇的 P-Q 性能曲线进行设置。
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