超級電容儲能電源柜瞬態溫度場仿真分析

張婷婷，唐艷麗，趙胤淇，劉 皋，楊明鄂

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412000；2.湖南銀杏可靠性技術研究所有限公司，湖南長沙 400100；3.湖南汽車工程職業學院，湖南長沙 412001)

超級電容儲能電源作為現代有軌電車的牽引動力源，具有快速充放電、大電流、使用壽命長等特點，在城市有軌電車中的應用越來越廣泛[1]。但由于自身存在內阻及連接片接觸電阻等發熱源，在充放電過程中會產生熱量導致單體溫度升高。超級電容的壽命主要受溫度和電壓的影響[2-10]，溫度越高，超級電容的壽命越短。

李等[11]運用有限元分析軟件ANSYS/FLUENT 對現代有軌電車超級電容儲能電源柜內部的空氣流場、溫度場進行了穩態的仿真模擬，獲得了電容柜的溫升分布，并提出了散熱優化設計方案，但未考慮接觸電阻的影響。紐等[12]通過對交流接觸器的熱學分析，建立了接觸器的穩態熱分析模型，對接觸電阻發熱進行了仿真模擬，獲得了接觸溫度場的分布。以上文獻僅對穩態溫度場進行了研究，缺少對瞬態熱現象的研究。

本文通過有限元分析軟件ANSYS/ICEPAK 對某型超級電容儲能電源柜內部的空氣流場、溫度場進行了瞬態仿真模擬，獲得了儲能電源柜在使用過程中的溫度隨時間分布曲線及各區域的溫度到達穩定狀態的時間，并根據仿真結果，提出了散熱優化設計方案。

1 數學模型

通過建模及計算，儲能電源柜的內部冷卻空氣流動屬于湍流，相對于實際模型，仿真計算中有如下假設：(1)空氣為常溫下不可壓流體；(2)空氣流動符合布辛涅斯克假設，只考慮溫度變化引起的密度變化；(3)儲能電源柜僅受強迫風冷的影響，忽略儲能電源柜外殼與外界的熱交換。

在上述假設的基礎上，流體的連續性方程和動量方程[13-14]為：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；為流體速度矢量，m/s；t為時間，s；μ為流體粘性系數，Pa·s；μt為流體動力粘度，Pa·s；p為流體壓強，Pa；x為幾何坐標，m；S為廣義源項。

介質間的熱傳導服從如下能量方程：

式中：c為材質比熱容，J/(kg·K)；T為介質溫度，K；λ為熱導率，W/(m·K)；Q為熱源熱量，J。

2 仿真模型

儲能電源柜產品主要零部件材質組成及其熱性能參數[15-19]如表1 所示。

表1 材料參數

儲能電源柜約束及載荷分析如下：

(1)根據設計要求，環境溫度為27 ℃，因此本仿真試驗外部流體溫度設為27 ℃；

(2)12 個風扇(具體位置見圖1)同時開啟，形式為向外吸風，單個風量為259 m3/h；

(3)電壓均衡單元PCB(印制電路板)及連接銅排均有熱功耗，分別為6 和2.12 W，其中，連接銅排的熱功耗是由連接面的接觸電阻發熱引起的；

(4)電容單體充電階段熱功耗為16.2 W，放電階段熱功耗為3.375 W，保持階段熱功耗為0 W，電容單體平均熱功耗為5.4 W；

(5)在箱體的吸風口處設置開放邊界，箱體其余邊界設置為默認的絕熱邊界；

(6)流體類型設置為湍流，并添加流體重力加速度。

使用ANSYS 軟件中的ICEPAK 模塊對儲能電源柜進行散熱仿真，建立有限元模型如圖1 所示，其中1 個電容模組有限元模型包含16 個電容單體、連接銅排層、PCB 板層及散熱殼層。

圖1 儲能電源柜有限元仿真模型

3 仿真結果

由圖2 的溫度云圖可知，電容模組的溫度隨著時間的增加而逐漸增大，但增幅不斷減小；在儲能電源柜工作前期(約1 h)，電容模組側面溫度高于其他部位；當工作時間達到34 800 s時，電容模組表面溫度呈現出前后側低、中部高的特點。

由圖3 溫度隨時間變化曲線可知，儲能電源柜電容單體溫度隨著時間的增加而逐漸增大，當經過一定的時間后溫度保持不變；散熱良好的前后側位置的電容單體的溫度先穩定，而散熱環境惡劣的中間位置的電容單體的溫度后穩定，上前位置、上中位置、上后位置處的電容單體到達溫度穩定的時間分別為3.75、7.6、3.45 h；將溫差值除以溫度穩定時間，獲得上前位置、上中位置、上后位置的平均溫變率分別為0.07、0.09、0.07 ℃/min；在儲能電源柜工作的早期(1 600 s 以內)，不同位置的溫變率一致，最大溫變率為0.33 ℃/min。下前位置、下中位置、下后位置處的電容單體到達溫度穩定的時間分別為2.05、3.8、2.05 h；對應平均溫變率分別為0.09、0.08、0.09 ℃/min；最大溫變率為0.33 ℃/min。

圖3 儲能電源柜上層與下層的電容單體溫度隨時間變化曲線

經計算得到穩定狀態下(34 800 s)儲能電源柜側面及底面的溫度云圖，如圖4 所示，進風口位置處電容模組溫度最低，柜內部整體表面溫度呈現出上部高、下部低的特點，上部模組表面最高溫度約為62 ℃，下部模組表面的最高溫度約為46 ℃，溫差為16 ℃，均處于儲能電源柜的中間位置。

圖4 儲能電源柜側面及底面的溫度云圖

圖5 為儲能電源柜內部流體流速及流體溫度分布圖，箭頭顏色表示流體流速(溫度)大小，分布密度表示流量。由圖5可知，儲能電源柜上部前后側面(靠近散熱風扇的出風口)處流速大，最大流速約為11.3 m/s；箱體四周流量大，箱體中心流量小；上側流體溫度高，下側流體溫度低，最大溫度約為53.16 ℃。

圖5 儲能電源柜內部流體流速及流體溫度分布圖

產品現場實際測量獲得的溫度分布表現為上部高、下部低，與仿真結果相吻合；現場測量的最高溫度約為52 ℃，由于溫度傳感器放置在空氣中，故其所測量的溫度接近產品內部流體溫度，而仿真結果中內部流體最高溫度為53.161 3 ℃，仿真誤差約為2.23%，與實際情況相符。

4 結論

通過對儲能電源柜進行溫升有限元仿真分析，得到如下結論：

(1)在儲能電源柜中，與散熱風扇距離較遠的中部電容模組溫度高，而靠近散熱風扇的前后側電容模組的溫度低；

(2)靠近吸風口的下側電容模組的溫度低，而靠近出風口的上側電容模組的溫度高；

(3)同一電容模組中，上側溫度比下側溫度高，位于中部位置的模組的上下表面的溫差大，位于前后兩側位置的模組其上下表面的溫差小；

(4)儲能電源箱體四周的流量大，中心的流量小，上側流體溫度高，下側流體溫度低；

(5)電容模組到達溫度穩定狀態需耗時2～8 h，穩定狀態下溫度低的模組到達溫度穩定狀態的時間也相對較短；

(6)電容模組實際工作環境為溫度循環，當開機工作時，電容模組的溫度不斷升高直到達到穩定溫度，平均溫變率約為0.08 ℃/min；當關機或待機狀態時，電容模組的溫度不斷降低，直到達到室溫。其中，散熱良好位置(前后側面、下部)的電容模組的穩定溫度低、保溫時間長；而散熱不佳位置(中部上側)的電容模組的穩定溫度高、保溫時間短。

通過對儲能電源柜仿真結果的分析，有如下優化設計的建議：

(1)現有吸風口設置在靠近散熱風扇的下側面近前后兩側面的位置，建議將吸風口開在遠離散熱風扇的下側面的中部或設置在左右側面的中部；

(2)儲能電源柜上側面的流體溫度較高，建議在上側面的中部增設吸風口或鼓風機，向箱體內部鼓風，并將前后兩側面的散熱風扇適當往下移動，使外部冷空氣與上沖的熱空氣充分混合以降低內部流體溫度，從而降低內部電容模組溫度；

(3)由于電容模組上部溫度高，建議將模組顛倒放置(即模組下端為連接銅排和電壓均衡單元，上端為電容單體)，使得連接銅排及電壓均衡單元等發熱部件位于模組的下端，利于熱量的散失；

(4)由于電容模組間隙風速小，導致散熱效果不佳，建議在電容模組下表面(尤其是遠離散熱風扇的中部位置)加設倒漏斗型導流口，引導氣流流入模組間的中間空隙，增大實際散熱風量，利于熱量的散失；

(5)儲能電源柜上下層的電容模組溫差較大，上層電容模組的下表面左右側面與中間位置的溫差較大，這是由于風道分布不均，使得冷卻流體大多從左右側面流走，中間位置的流體較少，建議增大儲能電源柜下部電容模組間的間隙，使得冷卻流體能通過模組間的間隙順利到達上層電容模組表面；

(6)由于達到穩定狀態需要一定的時間，建議使用交替供電模式，即設置2 組供電電源，交替使用，使得1 組電源工作時另1 組電源不工作，不工作的電源能獲得有效冷卻，可有效降低實際使用溫度，提高產品使用壽命；

(7)由于上層電容模組尤其是上側中部的電容模組長期處于高溫狀態，建議定期將上層電容模組與下層電容模組互換或定期更換上部電容模組，以延長整個儲能電源柜的壽命；

(8)由于停止工作后，產品仍處于高溫狀態，建議在儲能電源柜停止工作后，適當延長散熱風扇的工作時間。