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降低海拔对电容影响 助力新能源汽车充电桩高原稳定工作

2016-12-23 10:29 来源:www.bit-ok.com 作者:王部长

2013年时,英国能源与气候变化部要求欧盟应将2030年的减排目标定为1990年的基础上减少50%,并于2015年最终达成一份有约束力的全球减排协议。同期,中美也达成了减排协议。英国权威人士称:“要实现这一减排目标需要大力发展可再生能源和其他低碳技术。”中国随着经济的快速发展,人们的生活水平越来越高,汽车已经成了家庭常用的物件。随着汽车总量的快速增加,其尾气排放日益严重。中国政府意识到这个问题,开始大力推广新能源汽车,其中主推电动汽车。

由于中国的地域比较广阔,由东向西海拔逐步增加,许多地方的海拔都在2000米以上。而中国的发展最终必然是全区域的发展,所以西部的发展可以说是目前的重点。充电汽车后续在西部必然会普及。

目前,国内的充电桩企业制作的充电桩均控制在海拔2000以下的区域范围内工作。这就给后续发展带来了问题。那么他们为什么要控制在这个海拔以下呢?我们怎么解决这个问题呢?

首先,我们来了解一下海拔对充电桩的影响。充电桩是由许多电子元器件构成的,对充电桩的影响,实际上是海拔高度对元器件及其安装线路板的焊接处的影响。作为其关键器件的电容器的影响尤为突出。

下图是不同海拔高度的大气压、空气密度和湿度的变化曲线

2016122301

我们暂把海拔高度超过2000米的地区称为高原。高原地区气候的主要特征是:气压随海拔的增高而减小,昼夜温差大,太阳辐射也随着海拔的增高而增大。于是给电气元器件的运行带来了许多不利的影响。

高原海拔高,大气压比较小,对充电桩中使用的电容器的影响比较大。从上图可以看出,在3500米处的大气压仅为海平面大气压的65.5%。低气压对铝电解电容器的影响,主要是由于大气压的变化形成的压差造成的。压差引起一个从高压指向低压的力,铝电解电容器的外壳将承受此力。通常,铝电解电容器在封装时其内部气压都是和当地大气压力平衡,而在老化时还会产生一部分的氢气等,导致其内部压力比外部压力略高。当该产品在高原使用时,由于产品周围大气压力减低,产品外壳和密封将受到一个指向外壳的张力,由于电容器是圆柱型的,所以最终的压力均指向产品底部,此力可以使电容器底部鼓起,甚至导致电解液从底部防爆筋处泄露出来,导致电容器失效。最终导致充电桩电源模块不能正常使用。

电容器属于散热产品,其表面达到热平衡后,其表面温度仍会高于周围环境温度5℃以上。散热产品的温升随着大气压得降低而增加。

大致如下图所示:


2016122302

由图中可以看出:散热产品的温升随海拔高度的增加(大气压力的降低)而增加。温升与海拔高度大致成线性关系,其斜率取决于本身结构,散热情况,环境温度等因素。

电容器的热耗散可以分为3种形式:传导、对流和辐射。电容器的散热主要依靠对流,即依靠产品周围的空气流动来散热,对流散热一般又可分为强迫通风散热和自然对流散热。 自然对流散热是依靠产品发热产生的温度场,造成产品周围空气的温度梯度,是空气流动散热。强迫散热是通过强制措施,迫使空气流过产品,带走产品产生的热量。对于强迫对流散热来说,在体积流不变情况下,随高度增加,大气压将伴随着空气密度降低。空气密度降低将直接影响强迫对流散热的效果。这是由于强迫对流散热是依靠气体的流动带走热量的。一般充电桩电源模块的冷却风扇,是保证流过模块的体积流量不变,当高度增加时,由于空气密度下降,即使体积流量不变的情况下,气流的质量流量将随之降低。一般可以认为空气的比热是个常数,由于质量的减少,空气吸收的热量也将减少,产品温度将随大气压力降低而升高。当然,随高度增加,对流散热减少,辐射散热会增加,但总体散热还是要大打折扣。

大家都知道,电容器是有温度特性的。温度升高首先是对寿命的影响会遵循10度法则,导致电容器寿命减少,其次温度升高,导致电容内部气压增加,而外部气压由于海拔高又比较低,这就更加加大了内外压力差,更加容易导致出现鼓底而漏液,导致产品失效的情况发生。最终导致充电桩无法正常工作。

高原昼夜温差大对电容器的影响也非常大。.首先,由于昼夜温差大,引起热胀冷缩变化剧烈,橡胶密封件经低温试验表明,随着温度的下降,其硬度、扯断强度以及伸张率三项机械性能均表现不同程度的下降趋势。

所以容易导致电容器的密封橡皮处出现封口松动的情况,同时密封橡皮还会出现加速老化的现象,导致电解液渗漏,电容出现早期失效。

其次,电容器的容量会随着温度的降低,容量会出现变化,尤其是低温的情况:-20℃时,电容持有率在75%左右,-30℃时,电容持有率在50%左右,而到-40℃时,其容量持有率只有12%左右,有些差点的电容干脆就量不出容量。这就导致充电桩在夜间温度降低后无法正常工作。还有由于温差大,电容焊接在PCB板的焊点也会出现热胀冷缩的现象,时间长了,就容易出现虚焊的现象,影响充电桩的正常工作。

高原太阳辐射强,对充电桩用电容器的影响也比较大。

高原地区日照强烈,紫外线强度大,会促使绝缘材料老化加快,特别是有机绝缘材料,会加速PCB板油漆涂层以及电容器套管的老化和龟裂。不利于充电桩的长期稳定的运行。

一点点(BIT CAP )公司(www.bit-ok.com)针对充电桩专用铝电解电容会遇到的以上的一些问题,进行了专门的研究,通过模拟各种高原的情况来试验所使用的材料是否能达到使用的寿命要求,产品的寿命、性能等是否满足充电桩电源的要求。并将在试验中发现的问题反馈给合作的高校科研机构进行应对开发,最终解决了上述的一些特定的要求。并在国网企业直流充电桩上试运行。

 通过几年的开发研究,以及充电桩企业的运行情况来看,一点点公司(www.bit-ok.com)充电桩专用铝电解电容器完全解决了上述的问题。同时也完全满足充电桩的其他各项技术指标,有些项目还优于同行水平。

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