公交客车用超级电容散热结构优化

孙克亮 黄宏成

1.上海申沃客车有限公司，2.上海交通大学，上海201108

1 前言

比功率大的超级电容具有快速充电、循环寿命长和充放电电流大等优点［1］，比较适合用于短距离、线路固定的区域车辆，例如火车站或飞机场的牵引车、学校和幼儿园的送餐车、公园的浏览车和电动公交客车等［2］。

作为电动汽车的能量储存装置，超级电容的工作温度要在一定范围内（－30～55℃）。目前，某型号超级电容公交客车在储能用超级电容的散热方面还存在一些问题，主要表现为：在车辆持续工作中，电容模块的温度持续上升，车辆后部电容舱温度比前部电容舱温度高10℃左右；电容模块冷却出风口与电容模块温度差只有2℃，电容模块得不到充分的冷却；同时，在车辆制动过程中，很明显感到后部电容舱热风经其进风口反灌入车厢内。

此型号超级电容公交客车的电容模块主采用风冷方式进行散热，通过对上面现象的分析，主要问题有：电容模块内部空间狭小，风冷阻力大；电容舱设计时未充分考虑电容散热的通风需求。

2 电容箱体的改进措施

为保证合理气流组织空间，将原有18单元模块变为16单元模块。设计中考虑强化冷却风在电容单体四周的通风量（原有的设计主要在电容单体两个面上进行风冷），并且考虑沿流程气流的温度变化，电容单体间的间距并不恒定；增加下部进风量，在局部形成自下而上的通风；增加电容单体间的间距，将电容单体的两队排列适当向两侧壁板靠，增加中路通风量；减少近风扇的进风量，使进入模块的冷却风可以充分与电容单体接触；在风扇支撑板上开槽孔，减少风扇入口段的风阻，以期增大进风量。

此外，在风扇与车厢壁板风箱的入口段还设计增加回形阻风结构，减少风箱内热风向电容舱的倒风，如图1所示。

根据速度场（图2）和温度场（图3）的数值模拟，冷却风在电容模块内所有的外表面都形成了冷却流动，流动静压自进风口至风扇出口形成了比较均匀的变化趋势。由于电容的加热，在风扇出口附近风温升高，其流速也比较大，因此总的传热能力还是能获得远离风扇端近似的平衡效果。

图1 回形阻风结构Fig.1 Backflow prevention structure

图2 模块内气流速度分布Fig.2 Airflow velocity distribution in the module

图3 模块内温度分布Fig.3 The temperature distribution in the module

改进后的16单体电容模块在相同型号客车进行了测试运行，从对比试验的结果来看，电容模块的工作温度显著降低，根据对比数据生成的对比曲线如图4所示：

但是从运行的数据来看，改进后的电容模块在持续工作时，虽然相对温度降低了，但是温度水平还是比较高的。而且变为16单体后，降低了车辆的驱动能力。

图4 改进前后模块运行时的温度变化Fig.4 Improved temperature changes before and after

3 电容舱的改进措施

车辆在行驶过程中，由于车体侧壁散热出风口的几何结构，电容舱始终有倒风趋势，整体上形成车外、电容舱、乘客舱的倒风途径。当车辆速度较高时，甚至电容模块上的风扇开启后依然有倒风存在。电容模块舱室存在的倒风现象，使得散热的冷却风与设计完全相悖，并导致电容舱室风路不畅。从电容舱室盖板处吸入大量的环境风，从而与轴流风扇抽吸过来的热风相抵触，导致模块内部的热量无法被有效的带出，进而导致温度持续升高。

针对发现的问题，以现有的电容模块舱室及电容模块为基础进行了散热改进设计，原则上用最小的改动解决现有电容模块舱室出现的倒风问题和电容模块进风量少的问题。重新设计了冷却风通道，并对电容模块箱体提出增加进风口的建议。电容模块的建模及电容模块舱室的模拟计算见图5、图6所示。

主要的改进措施有：对箱体的底板、侧板加开通风口，以增加模块内部的进风量；摆放电容单体时，扩大两列电容单体之间、电容单体与电容模块箱体侧壁之间的间隙，以增加模块内部进风量，达到良好的散热效果；电容模块底座下面粘结胶条，以封堵冷却风从此处流经的风道，迫使冷却风从电容模块当中流过。

图5 电容模块及其舱室模型Fig.5 Capacitor module and cabin model

图6 电容模块舱室风速分布Fig.6 Wind speed distribution in capacitor module cabin

改装完成后，立即进行了试车测试，共运行四圈（约20km），取得了初步的试验结果。图7是第二、三、四圈后模块1－8（车辆后部模块）与模块9－30（车辆前部模块）平均温度的比较。显示1－8单元模块的平均温度低于9－30单元模块的平均温度。

图7 模块1－8与模块9－30的平均温度比较Fig.7 Compared with the average temperature of the module 1－8and module 9－30

超级电容车电容模块散热的改进，重点从改善电容舱室风路和增加电容模块进风量两个角度着手，采取一系列的改进措施，经过试车测试后，表明改进带来了比较理想的散热效果。

4 总结

通过以上阶段工作，可以获得下面初步结论：

超级电容公交客车原有的散热设计很难适应高温环境的运行要求，主要改进方向可从电容模块的增加进风通道和合理进风位置，以及电容舱的合理通风路径两个方面展开。

在电容箱的改进中，主要改进是增加远离模块风机侧的进风截面积，考虑超级电容单体特点，增加电容模块顶板和地板的进风量，增加两列电容单体间隙及通风量。

在电容舱的通风方式改进中，电容舱的出风改为地板出风，出风口增加防倒风挡板，从乘坐舱进风位置处增加鼓风量。

经过同型号样车的试运行，上述改进能有效降低电容运行温度，并达到运行的热平衡温度。其中改进的1－8单体模块电容舱在35℃气温中运行一天，最高温度没有超出安全运行要求温度。

随后，根据上述方案对所有在用的超级电容公交客车进行了散热改进。经过2011、2012及2013年三个夏季的实际运行证明，公交客车用超级电容的散热问题得到了有效的改进，可以满足公交客车辆运行的需求。

［1］单金生，吴立峰，关永，王国辉，李晓娟.超级电容建模现状及展望［J］.电子元件与材料，2013，32（8），5－10.

［2］曹秉刚，曹建波，李军伟，续慧，许鹏.超级电容在电动车中的应用研究［J］.西安交通大学学报，2008，42（11），1317－1322.