户外直流开关电源中采用热交换方式介绍

摘要：随着通讯网络的建设和发展，解决网络盲区的覆盖，减少投资成本，涌现出大量的户外基站和户外型的通讯设备、供电设备，这些远程通讯设备处于恶劣的外部环境下，它们遭受太阳的热辐射和设备本身发热的影响，消除这两种热源的影响对电子设备的可靠工作至关重要，本文着重介绍了户外电源的恶劣环境，对设备的影响，机箱设计、散热计算、主动散热、被动散热等技术，热交换器的原理，户外电源的结构，采用热交换器方式的优势等内容。

1户外直流开关电源使用环境和影响

作为网络覆盖的补充，边际网、户外拉远站等小型基站一般都放置在城乡比较偏远，缺乏机房条件的户外，为其配套的供电设备也放置在户外，处于恶劣的外部环境下，承受太阳照射、风吹雨淋，所处环境有如下不利因素：

电池处于频繁的充放电状态，有时放电时间长，充电时间短，电池容易失效，寿命。

温度和湿度是通讯电子设备失效的两个主要原因，通讯主设备一般都比较贵重，都有采用密闭、热交换散热等方式来解决，为保障通讯正常，供电必须是稳定、不间断的，供电设备简单分为两部分：1、电源主机；2、保障供电不间断的蓄电池，其中电池在供电设备投资中所占比例超过50％，对于户外使用的供电设备，同样承受着上面6种恶劣因素。需要具有电池智能管理功能的直流开关电源来有效管理电池，减缓外界环境条件对电池的影响。

如何解决雨水和潮湿、灰尘、异物、盐雾、雷击及电源浪涌对供电设备的危害？

要防止雨水和潮湿、灰尘、异物、盐雾的侵害，就应该将设备密闭，就是防护等级提高！而设备遭受太阳的热辐射和本身发热的影响，密闭就要解决散热问题，两者之间相互关联，密不可分。

对于电子设备防范雨水和潮湿、灰尘、异物有标准《GB4208-1993/外壳防护等级的分类》，对于盐雾的防范有标准《GB2423.17/10587《电工电子产品环境试验试验：盐雾试验方法》；因此对于在户外使用的电子设备要求外壳防护等级达到IP55，电池柜的外壳防护等级达到IP44；防护等级的定义见下表：

防护等级定义：ＩＰＸＸ（其中XX为数字）

在解决了雨水和潮湿、灰尘、异物、盐雾侵害造成的危害，满足IP44、IP55外壳防护等级的电子设备如何解决温度问题？

目前主要通过三种方式来解决。1、通过安装空调的方式；2、通过安装风扇的方式来散热；3、通过热交换器的方式。

1、空调一方面污染环境，另一方面故障率较高，采购价格高，使用交流供电，不适合在户外使用；

2、采用风扇，要有进风口和出风口，风道必须要处理好，要通畅，无法满足IP44、IP55外壳防护等级的要求，在下雨等潮湿天气，容易将机柜外面的湿气和潮气带进设备，损害设备寿命。而且只能降温不能加温，在寒冷情况下设备需要加热时，风扇抽的是机柜外的冷风，所以加热加不起来。

3、热交换器广泛的应用于户外型的通讯设备中，尤其是户外的移动房舱、户外电源等领域，因为它可以使通讯设备完全同外界隔离，不受雨水、盐雾、飞虫、异物的侵扰。

2户外电源机箱散热的设计

户外机箱通常用来安放各种设备，根据尺寸和类型的不同，这些设备的热耗从500W到10KW不等，当机箱安装在不同的环境条件下，应根据需要安装空调或空气-空气热交换器。

户外机箱散热的设计目标是使机箱内的峰值温度保持在一个确定的水平之下，这一水平通常是由电子设备制造商设定的。湿度水平同样也需予以关注，但是由于大部份机箱是密闭的，而且温度比设备外环境空气的温度高很多。机箱内的空气温度将是电子和散热设备所产生热量的函数。影响机箱的其它环境条件还包括：温度、太阳辐射、风速、机箱周围的物体(遮蔽、地表反射、建筑物和树木)、机箱设计(表面面积、外形、油漆)以及空气渗透。

通常电池后备单元放置在机箱的独立隔间内。电池隔间必须通风，以消除有害的气味。机箱的设计必须确保电池温度均匀分布，电池必须尽可能处于25℃。电池不是主动散热的。

2.1负荷计算

现在以一个典型的机箱进行散热管理系统的设计。

第一步：待求解温度是热平衡实现时机箱内的空气温度，用下式来表示：

太阳热辐射比较复杂，它包括了各种模式或热传递所产生的影响，由下式表示：

Qsolar_load=Qradiated+Qconvected+Qconducted

通常，Qradiated的值总为正(朝向机箱)，但是其它两项既可为正，也可为负，取决于机箱的温度。因此，如果Qbalance不为0，则机箱内的温度可能高于或低于设定的温度，藉由对流和传导，机箱有可能失去或获得热量。

2.1完全主动散热技术

一旦需要消除的发热功率计算出来之后，散热系统就必须与户外机箱相匹配。例如，如果机箱空气温度必须保持在最大环境(外部)温度以下，首选的方法就是安装空调装置。一般情况下，散热能力并不包括将空气冷却下来的能力，因为计算是针对稳态工作进行的。

这种系统不包括让所设计的系统从55℃或更高的初始温度冷却下来的能力。空调器的出口空气温度通常为15℃左右或更低，以达到散热需求。

与全被动散热系统相似，一旦需要消除的热量计算出来之后，散热系统必须与户外机箱相匹配。例如，如果机箱温度保持在最大环境温度之上，而负荷也不是太大，就可以采用空气-空气热交换器。热交换器适合于密闭的电子设备隔间，其执行和维护成本(以及电池后备服务)相当低。不同于空调器，热交换器消除散热的能力随散热空气和机箱空气值而变化。

2.2被动散热技术

较小的机箱(里面能承受相对较高的温度)可藉由被动方式散热。包括基本的自然(自由)对流散热和使用一些物相改变的物质(PCM)进行散热。自然对流是藉由浮动的流体传递实现冷却，例如，暴露在阳光下的热箱壁被加热的较热流体上升与较冷的流体对流从而达到散热的目的。

当增加电源设备时，情况将变得更为复杂，但是仍然有办法藉由自然对流带走设备所产生的热量。不过，设计人员必须牢记总体目标是藉由自然对流将热量传递到外部，从而保持较低的内部温度。

PCM是指能够改变物相的物质，通常是在吸收散热时，从固态改变为液态。典型的PCM包括应用在高温场合下的蜡、盐和石蜡化合物，以及应用在低温场合下的水(冰)等。在机箱中，这些物质被保存在适当密封的盒子内，利用它们的热惯性和物相变化效应。

对于内部装有PCM的盒子，白天当太阳热被吸收时，它避免机箱空气的温度升高。在夜间，白天吸收的散热又将释放出来。在这一过程中，热量将继续藉由机箱壁在内部与外部之间传递。

2.3电池隔间

用于备份的电池一般安放在与户外机箱相连(或它里面)的隔间内。这些隔间暴露在太阳热辐射之下，必须保持制造商所规定的适当温度。这些隔间必须考虑对电池在工作寿命期间可能释放出的气味进行适当的通风排放。有好几种涉及电池隔间的发热处理措施，包括空调器／致冷器、热电散热器和空气-空气热交换器。

如果电池隔间的空气温度必须保持在最大周围(外部)条件以下，首选的方法是安装空调装置。对于大多数系统，这是典型的做法，尤其是对那些用于安装在全天候条件下的系统。典型空调器的问题是它们的尺寸太大，成本较高，因为对于很小的隔间来说，它们的性能远大于实际所需。

2.4热电散热器

由于大多数典型电池隔间的散热负荷并不大，因此使用热电散热器是可行的。这些系统利用可逆电磁热力学的珀耳帖效应(Peltiereffect)进行散热。热电散热器虽然可靠，但是散热效果不够好，也不适合偏远的户外机箱。

对于完全被动散热系统，一旦需要消除的热损耗功率被计算出来，散热系统就必须与这个电池隔间相适应。如果电池隔间的空气温度不必保持在最大外部环境温度以下，而负载也不是太高，则空气-空气热交换器为首选系统。在许多情形下，因为散热负载并不是很大，可用直吹风扇来消除过剩的热量和电池隔间里积聚的湿气。风扇还可用于基于热惯性原理的隔间散热管理。

2.5电池隔间的被动散热

电池隔间也可使用被动方式进行散热。这些方法包括基本自然(自由)对流以及前面所提及的PCM。PCM也可用于电池散热。这些物质被保存在隔间中恰当密封的盒子里，利用其热惯性和物相改变效应。例如，一个装有PCM物质的盒子将在白天吸收太阳散热，而且使其不会导致机箱中的空气变热。到了晚上，白天吸收的散热将被释放出来。在这一过程中，散热继续透过机箱壁进行传递。

无论选择主动式或被动式的散热方法，也无论它依照上面所提出的哪一种具体考虑，显然可以找到一种系统而直观的方法用来设计具有高效、安全的发热管理能力的机箱。藉由仔细考虑环境条件、制造商的设备说明书，以及上述的设计指导原则，我们的电源机箱选择热交换器方式－完全主动散热技术达到IP55的防护等级，而电池箱采用被动散热技术，双层钢板隔离，隔热、保温（北方地区加保温棉＋加热板）。

3热交换器的原理

图1热交换器示意图

热交换器主要是通过阻隔设备内部和外部之间散热片两边的温度差来进行散热的，散热片将设备的内部和外部空气完全的阻隔，当内部温度高于外部时，通过内循环风道和外循环风道进行内外部的空气流动，将通讯设备内部的热量传导出去。

热交换器和加热器的温度控制原理图见下图2：

图2温度控制原理图

如图2所示控制原理：

加热器：当柜内温度低于THON时，开启加热器；当温度上升至THOFF时，加热器关闭；

外循环风扇：当柜内温度高于TFON时，开启外循环风扇；当温度低于TFOFF时，关闭外循环风扇；

内循环风扇：一直运转。

注：THON、THOFF、TFON、TFOFF四个参数可根据客户需求在图2额定范围内定制。

4户外电源的结构

电池本身不发热，电源设备需与电池分开，因此电池柜和电源柜要隔离。

图3户外电源电源柜和电池柜结构示意图

图4内外热循环示意图

通过热交换器方式，具有以下优点：

1、系统可以达到IP5X，雨水不能进入设备内部

采用热交换器方式时，通讯主设备由于被热交换器与外界的空气完全隔离，通讯主设备处于完全密封的状态，对于雨水可以达到国标的IP5X的要求。因此，无论是在暴雨或台风期间，雨水绝对不会进入设备内部。而采用风冷，在暴雨的情况下，有可能会进入到主设备内部，对设备造成损坏。

2、防潮性、防盐雾性能优越

有很多户外型的通讯设备是工作在山区等相关对比较潮湿的地区，空气湿度大，在这种情况下，如果采用风冷，设备内、外部空气交换后，大量的潮湿空气会进入到主设备内部，并且在电路版上结露，形成水滴，会对设备造成损坏。特别是在沿海地区，空气湿度大，并且含有大量的盐份，进入设备后会对电路版进行腐蚀，造成设备的迅速损坏。

3、防尘效果好，不会在设备内部形成油污灰尘。达到IPX5标准

由于通讯主设备被热交换器与外界的空气完全隔离，通讯主设备处于完全密封的状态，因此就不会有外界的灰尘、昆虫、油污的进入。采用风冷时，虽然有防尘网，但仍然避免不了空气中的灰尘和油污以及昆虫的进入，长期运行会在设备内部的电路板、机箱侧壁上形成油污灰尘，这种油污灰尘很难清洗，并且会对电路板的绝缘造成很大的破坏，使绝缘电阻变小或在电路版上的元器件之间形成小的电阻，造成设备短路等故障，甚至会造成设备的烧毁，严重威胁设备的正常运行。

4、高温环境降温，低温环境可不降温

热交换器根据内外温差来确定是否启动，如图2“温度控制原理图”所示，在寒冷低温环境下，当柜内温度低于TFOFF时，关闭外循环风扇，热交换器不向外散热，保温效果好，设备内的加热器工作，可快速提高机内温度，而采用风扇，抽入的是机柜外的冷风，无法保温，在寒冷低温情况下，设备加热时间很长，浪费能源。

5附表