双层轨道客车内置式蓄电池箱通风优化

2022-06-18赵丽娜张丽勇叶志刚刘健雄毛茂

蓄电池 2022年3期

赵丽娜，张丽勇，叶志刚，刘健雄，毛茂

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 063035）

0 引言

在列车运行过程中，蓄电池主要满足列车在出现故障和供电问题时，能够为紧急照明、列车控制和监视设备、通信设备、头灯及尾灯、紧急通风等负载提供电能。由于双层轨道客车的车体比单层客车的车底离地面距离近，单层客车蓄电池箱悬挂于车底的结构形式不适用于双层客车，因此双层客车需采用将蓄电池箱放置于车体内部的内置式设计结构。双层轨道客车使用的是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池在开路放置或充电过程中会由于电解液副反应的存在而释放氢气[1]，使得充电区域存在火灾爆炸危险[2]。因此，蓄电池箱通风设计尤为重要。

1 双层轨道客车内置式蓄电池箱原通风柜门结构

内置式蓄电池箱双层轨道客车上的安装位置见图1。每辆车需用50个蓄电池单体，而每个单体的电池标称电压为1.2V。50个单体电池分别置于两个电池托盘内，也就是每25个电池单体用一个托盘。每个托盘安装于一个蓄电池箱内，每车安装两个蓄电池箱[3]。蓄电池箱安装于车辆内部下层地板梁上。蓄电池箱体口朝向车体外侧，便于蓄电池维护。蓄电池箱体口用安装在车体上的两个通风柜门遮挡（见图2），保证车辆运行时蓄电池的安全[4]。

2 原通风柜门结构的内置式蓄电池箱内流场计算

2.1 建立模型

为了分析电池箱的通风性能，建立1节长28m的整车模型（见图3）。计算列车行驶速度为160km/h和70km/h的工况，并对列车及其周围的压力和速度分布进行分析。地面给出的是无滑移边界条件。在入口截面上，按均匀来流给定X向速度分布，即X向给定来流速度，而且在Y、Z向速度分量均为零。出口截面上静压为零。列车表面为无滑移的壁面边界条件。

列车的运行速度为160 km/h时，由于速度比较慢，空气密度的变化对流动的影响可以略去不计，所以采用不可压流动假设，即认为密度为常数。可采用κ–ε湍流模型进行模拟计算。连续方程

为直角坐标下的不可压缩流的纳维－斯托克斯（Navier－Stokes）方程，适合于不可压缩粘性流体的运动。三个方向的运动方程：

式（2）中：ρ为密度，是常量。由式（1）和式（2）组成不可压缩流动方程组，共4个独立方程。独立的未知量有：p和ui的3个分量，共4个独立的未知量。在层流情况下，方程组封闭。在不可压缩的流动模型中，能量方程与连续方程、运动方程不耦合，因此在计算中不需要考虑散热，就没有引入能量方程。

2.2 计算结果

整车流场速度分布如图4所示。整车压力分布图如图5所示。蓄电池箱内部速度分布如图6所示。风通过车体柜门的入口进入电池箱，由于后面的挡水板，导致大部分的气体从进口阻断直接从出口排出。蓄电池箱内气体排出需要至上而下，因此现有结构对于热气流或者氢气排气阻力较大[5]。通过图7也可看出，进入电池箱的风较少。

列车运行时电池箱周围压力分布如图8所示。列车运行时，电池箱周围车体上为负压，大小在-9Pa左右。电池箱进出口压力分布如图9所示。在挡板和进出口区域间，会出现高压区，也导致很难进风。只有改变进出口区域，形成回路，才有显著的进风效果[6]。电池箱进出口流量分布如表1所示，流量窗口定义如图10所示。行车速度越高，进风量越大，从进风量质量统计结果可以看出，流量较少。

表1 电池箱进出口流量分布

2.3 结构设计缺陷

对于原有内置式蓄电池箱通风柜门设计结构，箱内通风量较小，并且进出口位置不合理，蓄电池产生的氢气或热气向电池上方流动，最后流出位置却在电池箱的中部，导致排气较为困难。在挡板和进出口区域，会出现高压区，导致很难进风。

3 内置式蓄电池箱原有通风柜门结构优化

3.1 原有通风柜门结构优化

以流场计算给出的结果为依据，对内置式蓄电池箱原有通风柜门的设计结构进行优化。由于蓄电池产生的氢气或热气向电池上方流动，最后流出位置在电池箱中部，因此将柜门上侧原有的左右两个通风口改为上侧中间区域一个通风口。由于在挡板和进出口区域会出现高压区，导致进风困难，因此在柜门下册中间区域增加一个通风口，形成回路[7]。优化后的通风柜门设计结构如图11所示。

3.2 通风柜门结构优化后试验验证

根据 EN 50272—2:2001 《二次蓄电池和安装蓄电池的安全要求—第2 部分：固定蓄电池》，进行通风柜门设计结构优化后试验验证[8]。测试样品描述见表2。将一组装有25只FNC150Ah蓄电池单体的蓄电池箱作为氢安全测试的测试对象（使用4组探头测试，如图12所示）。它与另一组含25只蓄电池单体的电池箱及充电机串联组成测试电路[9]，如图13所示。将样件放在常温常压环境中按表3中设定的工况充电。检验结果见图14和图15。试验过程中，蓄电池箱内氢气占空气的体积分数最大值为0.19%，低于4%（体积分数）的氢气低爆炸极限。