分析了充電設(shè)施產(chǎn)生凝露的機(jī)理和危害以及防凝露設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

許繼電源有限公司的研究人員高慶勇、房相成、陳偉明、劉艷敏、王曉磊，在2018年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，電動(dòng)汽車充電設(shè)施直接安裝于戶外，隨著戶外環(huán)境的溫度、濕度迅速變化，在充電設(shè)施殼體表面會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。

分析了產(chǎn)生凝露的機(jī)理和對(duì)電氣設(shè)備的危害，提出了四種戶外充電設(shè)施的防凝露設(shè)計(jì)方案，通過高低溫箱模擬凝露試驗(yàn)，驗(yàn)證四種設(shè)計(jì)方案的防凝露效果。為充電設(shè)施提供了最佳的防凝露方案，保證內(nèi)部電氣設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性，對(duì)類似的戶外產(chǎn)品防凝露設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來，全球能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)突顯，國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源汽車，電動(dòng)汽車技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展需要高效便捷、安全穩(wěn)定的充電服務(wù)，充電設(shè)施正是新能源汽車發(fā)展的基石。

國(guó)家發(fā)改委于2015年10月印發(fā)的《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》中提出了到2020年新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個(gè)，可滿足500萬輛電動(dòng)汽車充電需求的總體目標(biāo)[1]。

截至2016年國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的“六縱六橫兩環(huán)”高速公路快充網(wǎng)絡(luò)已形成，平均間距不超過50公里。并于2017年1月19日宣布，本年度計(jì)劃建設(shè)充電樁2.9萬臺(tái)，將于年內(nèi)形成“九縱九橫兩環(huán)”的高速公路快充網(wǎng)絡(luò)；到2020年，高速公路快充網(wǎng)絡(luò)將覆蓋202個(gè)城市、3.6萬公里，“徹底解決電動(dòng)汽車充電難問題”[2]。

充電站分布區(qū)域廣泛，在中原地帶，因溫差較小、濕度較低，產(chǎn)生凝露時(shí)間相對(duì)較少，但在沿海地帶及西北區(qū)域因濕度較高或晝夜溫差較大等問題，更容易形成凝露。

凝露對(duì)電氣設(shè)備主要有以下危害：1)凝露滴至內(nèi)部金屬件上，引起零件銹蝕[3]；2)凝露滴至電氣元件上，引起元件短路、爆炸等問題；3)電氣元件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在高濕環(huán)境中，會(huì)縮短元件使用壽命；4)在潮濕環(huán)境中更易形成霉變等不良現(xiàn)象。

在設(shè)備運(yùn)行過程中，上述任何一個(gè)問題都會(huì)引起較大的安全問題，縮短產(chǎn)品的運(yùn)行壽命，因此必須解決濕度引起的凝露問題，確保設(shè)備運(yùn)行在一個(gè)合理的濕度環(huán)境下。

1凝露產(chǎn)生原理

空氣主要由干空氣、水汽、塵埃組成。通常濕度是指空氣中水蒸氣的含量，可以用相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度、飽和濕度表示。飽和濕度是單位體積的空氣在一定溫度條件下所能包含的水汽量的最大限度；絕對(duì)濕度是一定體積的空氣中水蒸氣的質(zhì)量,單位是g/m3；而相對(duì)濕度即絕對(duì)濕度與飽和濕度的比值。

飽和濕度與空氣溫度有關(guān)，溫度越高，所含水分越多。30%～60%的相對(duì)濕度是對(duì)于一般電氣設(shè)備比較適宜的[4]。如果保持空氣絕對(duì)濕度不變，降低空氣溫度，溫度降低到一定值時(shí)空氣中濕度會(huì)達(dá)到飽和，繼續(xù)降溫，空氣中水分就會(huì)析出，這種有液態(tài)水析出的現(xiàn)象稱為“凝露”。露點(diǎn)溫度是含濕量和大氣壓力保持不變的前提下能使空氣相對(duì)濕度達(dá)到100%的溫度[5]。

試驗(yàn)室條件下的凝露現(xiàn)象主要包括兩種情況。一種是出現(xiàn)在升溫階段，升溫過程中殼體表面溫度低于環(huán)境溫度，殼體外表面的空氣遇到低于露點(diǎn)溫度的產(chǎn)品表面時(shí)，水氣會(huì)凝結(jié)在殼體外壁，形成凝露。

另一種是出現(xiàn)在降溫階段，外部環(huán)境先降溫，所以殼體內(nèi)壁比內(nèi)部空氣溫度低，如果殼體內(nèi)壁溫度達(dá)到內(nèi)部空氣的露點(diǎn)溫度，殼體內(nèi)壁就會(huì)形成凝露。

通常我們要解決的凝露問題主要是第二種，避免內(nèi)壁產(chǎn)生凝露影響內(nèi)部電氣元件性能。凝露是溫度與濕度共同作用的結(jié)果，一般以下2種情況更容易產(chǎn)生凝露：1) 環(huán)境濕度高，氣候溫差大；2) 機(jī)柜底部電纜溝未封堵，電纜溝有水；

我國(guó)地域遼闊，氣候差異巨大，在沿海環(huán)境濕度大，西北地區(qū)溫差變化大，此類區(qū)域一般更易產(chǎn)生凝露[6]。

2電氣設(shè)備防凝露設(shè)計(jì)

目前電氣行業(yè)內(nèi)處理濕氣、凝露等問題的方法有在柜體內(nèi)部加裝電加熱器、風(fēng)機(jī)、除濕器等，有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品特性選用最佳除濕方案。

2.1加熱除濕（濕度控制器+加熱器）

加熱器通過加熱空氣，增加空氣含濕量，降低空氣的相對(duì)濕度，利用加熱后的空氣密度較小，會(huì)上浮至上方，冷空氣下降至下方，從而達(dá)到整個(gè)空間內(nèi)部都充滿熱氣體，空氣加熱后體積加大，會(huì)從出風(fēng)口將空氣排至外部[7]。

實(shí)際上加熱器沒有能夠真正意義上除濕，只是對(duì)設(shè)備內(nèi)部的空氣加熱，進(jìn)而降低產(chǎn)品內(nèi)部的相對(duì)濕度?？諝庵械臐穸戎皇潜贿^熱蒸發(fā)，變成 “過熱蒸汽”的形式，如果沒有及時(shí)采取必要的措施，過熱蒸汽被冷凝后，設(shè)備內(nèi)部的空氣濕度還會(huì)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。等于是一個(gè)一直在循環(huán)的除濕方案，適用于含有通風(fēng)孔的設(shè)備。

2.2除濕器除濕

現(xiàn)階段的除濕器通常是利用風(fēng)機(jī)將產(chǎn)品殼體內(nèi)部空氣抽進(jìn)除濕器，應(yīng)用半導(dǎo)體熱電元件在一定電壓下產(chǎn)生冷熱效應(yīng)，局部制造凝露條件使殼體內(nèi)潮濕空氣凝結(jié)成水并直接排出殼體外部，從而降低殼體內(nèi)部濕度，防止凝露產(chǎn)生，除濕效果顯著。半導(dǎo)體除濕器由PN結(jié)、風(fēng)機(jī)、排水管等組成，除濕過程基于熱電制冷的原理，主要應(yīng)用珀?duì)柼?yīng)，通過N型和P型兩種半導(dǎo)體將電能轉(zhuǎn)化為熱能，與之相反的則是塞貝殼效應(yīng)。

制冷模式下，直流電由N型半導(dǎo)體流至P型半導(dǎo)體，熱電對(duì)中冷端的溫度降低，并吸收環(huán)境中的熱量。當(dāng)電子經(jīng)導(dǎo)體由P型半導(dǎo)體的低能端流至N 型半導(dǎo)體的高能端時(shí)，從環(huán)境中吸收熱量，熱量經(jīng)電子傳導(dǎo)至另一端，當(dāng)電子反向流動(dòng)時(shí)釋放熱量。多個(gè)熱電對(duì)連接構(gòu)成熱電裝置[8]。熱電對(duì)的制冷模型和除濕器示意如圖1所示。

圖1除濕原理及除濕器結(jié)構(gòu)示意圖

除濕器可將空間內(nèi)空氣中的水蒸氣，冷凝變成了“液態(tài)水”，排放到設(shè)備外部，原有的空氣濕度不會(huì)再恢復(fù)，能達(dá)到真正除濕的目的。除濕器冷凝除濕技術(shù)已日益成熟，可根據(jù)用戶需要自帶遠(yuǎn)程控制、通訊、低溫加熱等功能[9]，更適合應(yīng)用到相對(duì)封閉的空間。

2.3風(fēng)機(jī)除濕

風(fēng)機(jī)不能直接除濕，如設(shè)備開有通風(fēng)孔，反而更容易把外界潮濕空氣帶至充電機(jī)內(nèi)部，潮濕空氣遇到充電機(jī)低溫度壁面，加速凝露形成。風(fēng)機(jī)需與溫度控制器及加熱器配合，風(fēng)機(jī)能讓空氣流動(dòng)，讓熱量更快速、更均勻的散發(fā)至空氣中[10]。

濕度控制器檢測(cè)到環(huán)境濕度到設(shè)定值時(shí)，加熱器與風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，把熱量快速擴(kuò)散至柜體內(nèi)部，提高柜內(nèi)整體溫度，風(fēng)機(jī)一般與加熱器做成一體，放至加熱器下部，但該方案一般在風(fēng)機(jī)下部一般不宜留通風(fēng)孔。

2.4金屬涂層防凝露

在金屬表面涂覆硅膠干燥劑涂層后，當(dāng)金屬表面溫度低于露點(diǎn)溫度有水分析出時(shí)，首先被吸附到金屬表面涂層中，吸附飽和后才會(huì)出現(xiàn)凝露。所以在金屬表面涂覆硅膠涂層，在一定時(shí)間內(nèi)可有效延緩凝露的產(chǎn)生[11]，但并不能達(dá)到除濕的目的，且增加了加工和維護(hù)成本。

3充電設(shè)施防凝露試驗(yàn)結(jié)果分析

充電設(shè)施一般分為交流充電樁和直流充電機(jī)，直流充電機(jī)因內(nèi)部有功率轉(zhuǎn)換單元，故一般設(shè)計(jì)有通風(fēng)孔；交流充電樁內(nèi)無功率元件，一般可做為全封閉或有少量通風(fēng)孔的半封閉空間，本次共采用4臺(tái)充電機(jī)分2次進(jìn)行測(cè)試，第1次測(cè)試條件如表1。

表1充電機(jī)狀態(tài)表

本次測(cè)試環(huán)境為30 m3高低溫環(huán)境箱，采用試驗(yàn)設(shè)備為溫濕度表[12]。測(cè)試方法如下：試驗(yàn)時(shí)打開充電機(jī)前門，高低溫箱設(shè)置溫度45℃，濕度95%，運(yùn)行30分鐘后關(guān)閉充電機(jī)前門再次運(yùn)行10分鐘，關(guān)閉高低溫環(huán)境箱，讓其自然降溫，5小時(shí)后打開高低溫環(huán)境箱充電機(jī)內(nèi)部狀況見表2。

表2充電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第2次測(cè)試為充電機(jī)左右有通風(fēng)孔，其它條件與第1次測(cè)試相同。測(cè)試結(jié)果見表3。

表3充電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過兩次測(cè)試對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1）在相對(duì)封閉空間，“除濕器”與“濕度控制器+加熱器+風(fēng)機(jī)”效果類似，效果略好于“濕度控制器+加熱器”；在相對(duì)封閉空間，加熱器加熱空氣降低相對(duì)溫度可能會(huì)存在重復(fù)循環(huán)工作現(xiàn)象，因此相對(duì)封閉空間更推薦使用除濕器方案。

2）在開放空間，三種效果對(duì)比為：“濕度控制器+加熱器+風(fēng)機(jī)”>“濕度控制器+加熱器”>“除濕器”。

4結(jié)論

研究了產(chǎn)品凝露產(chǎn)生的原理及產(chǎn)品除濕的方法，利用實(shí)際產(chǎn)品在高低濕環(huán)境箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出充電設(shè)施有必要增加除濕元件來預(yù)防凝露的產(chǎn)生。在除濕元件選配上得出以下結(jié)論：

1）無發(fā)熱元件充電樁可不開通風(fēng)孔或僅在上部開少量通風(fēng)孔，不建議下部開通風(fēng)孔；2）除濕器應(yīng)應(yīng)用于相對(duì)封閉空間的充電樁內(nèi)，除濕器功率根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際空間確定；3）有通風(fēng)孔充電樁（機(jī)）宜選用“溫度控制器+加熱器+風(fēng)機(jī)”加熱方案，加熱器功率可根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際空間確定。