關于戶外直流開關電源中采用熱交換方式的介紹
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戶外直流開關電源使用環境和影響
本文引用地址：http://www.104case.com/article/230965.htm作為網絡覆蓋的補充，邊際網、戶外拉遠站等小型基站一般都放置在城鄉比較偏遠，缺乏機房條件的戶外，為其配套的供電設備也放置在戶外，處于惡劣的外部環境下，承受太陽照射、風吹雨淋，所處環境有如下不利因素：
1、溫差變化大，晝夜、夏冬的溫差范圍從－45℃～+50℃，高溫導致電子器件失效，溫度每升高10度，電池壽命下降50％，低溫使電池無法完全釋放能量，放電時間大幅縮短；
2、電子器件尤其是大規模集成電路對于潮濕的敏感程度很高，
防潮性能不好的戶外型設備系統的安全性差和MTBF值大幅下降。
3、灰塵的積累將對降低系統的絕緣性能，特別是灰塵與潮濕及空氣中有機物質一起形成的油污性灰塵危害更大。
4，鹽霧具有極強的腐蝕性，對于電路器件、電路板造成短路、接觸不良、金屬腐蝕等危害，不利系統長期穩定運行。
5、 戶外系統直接置于LPZ0區內，增加了直擊雷擊中的可能性，
6、農電、小水電、油機發電，停電頻繁、電壓波動范圍大，電池處于頻繁的充放電狀態，有時放電時間長，充電時間短，電池容易失效，壽命。
溫度和濕度是通訊電子設備失效的兩個主要原因，通訊主設備一般都比較貴重，都有采用密閉、熱交換散熱等方式來解決，為保障通訊正常，供電必須是穩定、不間斷的，供電設備簡單分為兩部分：1、電源主機；2、保障供電不間斷的蓄電池，其中電池在供電設備投資中所占比例超過50％，對于戶外使用的供電設備，同樣承受著上面6種惡劣因素。需要具有電池智能管理功能的直流開關電源來有效管理電池，減緩外界環境條件對電池的影響。
如何解決雨水和潮濕、灰塵、異物、鹽霧、雷擊及電源浪涌對供電設備的危害？
要防止雨水和潮濕、灰塵、異物、鹽霧的侵害，就應該將設備密閉，就是防護等級提高！
而設備遭受太陽的熱輻射和本身發熱的影響，密閉就要解決散熱問題，兩者之間相互關聯，密不可分。
對于電子設備防范雨水和潮濕、灰塵、異物有標準《GB4208-1993/外殼防護等級的分類》，對于鹽霧的防范有標準《GB2423.17/10587《電工電子產品環境試驗 試驗：鹽霧試驗方法》；因此對于在戶外使用的電子設備要求外殼防護等級達到IP55，電池柜的外殼防護等級達到IP44；
防護等級的定義見下表：
防護等級定義
在解決了雨水和潮濕、灰塵、異物、鹽霧侵害造成的危害，滿足IP44、IP55外殼防護等級的電子設備如何解決溫度問題？
目前主要通過三種方式來解決。1、通過安裝空調的方式；2、通過安裝風扇的方式來散熱；3、通過熱交換器的方式。
1、空調一方面污染環境，另一方面故障率較高，采購價格高，使用交流供電，不適合在戶外使用；
2、采用風扇，要有進風口和出風口，風道必須要處理好，要通暢，無法滿足IP44、IP55外殼防護等級的要求，在下雨等潮濕天氣，容易將機柜外面的濕氣和潮氣帶進設備，損害設備壽命。而且只能降溫不能加溫，在寒冷情況下設備需要加熱時，風扇抽的是機柜外的冷風，所以加熱加不起來。
3、熱交換器廣泛的應用于戶外型的通訊設備中，尤其是戶外的移動房艙、戶外電源等領域，因為它可以使通訊設備完全同外界隔離，不受雨水、鹽霧、飛蟲、異物的侵擾。
1 戶外電源機箱散熱的設計
戶外機箱通常用來安放各種設備，根據尺寸和類型的不同，這些設備的熱耗從500W到10KW不等，當機箱安裝在不同的環境條件下，應根據需要安裝空調或空氣-空氣熱交換器。
戶外機箱散熱的設計目標是使機箱內的峰值溫度保持在一個確定的水平之下，這一水平通常是由電子設備制造商設定的。濕度水平同樣也需予以關注，但是由于大部份機箱是密閉的，而且溫度比設備外環境空氣的溫度高很多。機箱內的空氣溫度將是電子和散熱設備所產生熱量的函數。影響機箱的其它環境條件還包括：溫度、太陽輻射、風速、機箱周圍的物體(遮蔽、地表反射、建筑物和樹木)、機箱設計(表面面積、外形、油漆)以及空氣滲透。
通常電池后備單元放置在機箱的獨立隔間內。電池隔間必須通風，以消除有害的氣味。機箱的設計必須確保電池溫度均勻分布，電池必須盡可能處于25℃。電池不是主動散熱的。
1.1 負荷計算
現在以一個典型的機箱進行散熱管理系統的設計。
第一步：待求解溫度是熱平衡實現時機箱內的空氣溫度，用下式來表示：
Qbalance=0=Qequipment+Qsolar_load+Qcooling_system
這里Qequipment為電子設備的熱損耗，Qsolar_load是太陽熱輻射產生的熱量，Qcooling-system為散熱系統消除的熱量。太陽熱輻射比較復雜，它包括了各種模式或熱傳遞所產生的影響，由下式表示：
Qsolar_load=Qradiated+Qconvected+ Qconducted
通常，Qradiated的值總為正(朝向機箱)，但是其它兩項既可為正，也可為負，取決于機箱的溫度。因此，如果Qbalance不為0，則機箱內的溫度可能高于或低于設定的溫度，藉由對流和傳導，機箱有可能失去或獲得熱量。
1.2 完全主動散熱技術
一旦需要消除的發熱功率計算出來之后，散熱系統就必須與戶外機箱相匹配。例如，如果機箱空氣溫度必須保持在最大環境(外部)溫度以下，首選的方法就是安裝空調裝置。一般情況下，散熱能力并不包括將空氣冷卻下來的能力，因為計算是針對穩態工作進行的。
這種系統不包括讓所設計的系統從55℃或更高的初始溫度冷卻下來的能力。空調器的出口空氣溫度通常為15℃左右或更低，以達到散熱需求。
與全被動散熱系統相似，一旦需要消除的熱量計算出來之后，散熱系統必須與戶外機箱相匹配。例如，如果機箱溫度保持在最大環境溫度之上，而負荷也不是太大，就可以采用空氣-空氣熱交換器。熱交換器適合于密閉的電子設備隔間，其執行和維護成本(以及電池后備服務)相當低。不同于空調器，熱交換器消除散熱的能力隨散熱空氣和機箱空氣值而變化。
1.3 被動散熱技術
較小的機箱(里面能承受相對較高的溫度)可藉由被動方式散熱。包括基本的自然(自由)對流散熱和使用一些物相改變的物質(PCM)進行散熱。自然對流是藉由浮動的流體傳遞實現冷卻，例如，暴露在陽光下的熱箱壁被加熱的較熱流體上升與較冷的流體對流從而達到散熱的目的。
當增加電源設備時，情況將變得更為復雜，但是仍然有辦法藉由自然對流帶走設備所產生的熱量。不過，設計人員必須牢記總體目標是藉由自然對流將熱量傳遞到外部，從而保持較低的內部溫度。
PCM是指能夠改變物相的物質，通常是在吸收散熱時，從固態改變為液態。典型的PCM包括應用在高溫場合下的蠟、鹽和石蠟化合物，以及應用在低溫場合下的水(冰)等。在機箱中，這些物質被保存在適當密封的盒子內，利用它們的熱慣性和物相變化效應。
對于內部裝有PCM的盒子，白天當太陽熱被吸收時，它避免機箱空氣的溫度升高。在夜間，白天吸收的散熱又將釋放出來。在這一過程中，熱量將繼續藉由機箱壁在內部與外部之間傳遞。
1.4 電池隔間
用于備份的電池一般安放在與戶外機箱相連(或它里面)的隔間內。這些隔間暴露在太陽熱輻射之下，必須保持制造商所規定的適當溫度。這些隔間必須考慮對電池在工作壽命期間可能釋放出的氣味進行適當的通風排放。有好幾種涉及電池隔間的發熱處理措施，包括空調器／致冷器、熱電散熱器和空氣-空氣熱交換器。
如果電池隔間的空氣溫度必須保持在最大周圍(外部)條件以下，首選的方法是安裝空調裝置。對于大多數系統，這是典型的做法，尤其是對那些用于安裝在全天候條件下的系統。典型空調器的問題是它們的尺寸太大，成本較高，因為對于很小的隔間來說，它們的性能遠大于實際所需。
1.5 熱電散熱器
由于大多數典型電池隔間的散熱負荷并不大，因此使用熱電散熱器是可行的。這些系統利用可逆電磁熱力學的珀耳帖效應(Peltier effect)進行散熱。熱電散熱器雖然可靠，但是散熱效果不夠好，也不適合偏遠的戶外機箱。
對于完全被動散熱系統，一旦需要消除的熱損耗功率被計算出來，散熱系統就必須與這個電池隔間相適應。如果電池隔間的空氣溫度不必保持在最大外部環境溫度以下，而負載也不是太高，則空氣-空氣熱交換器為首選系統。在許多情形下，因為散熱負載并不是很大，可用直吹風扇來消除過剩的熱量和電池隔間里積聚的濕氣。風扇還可用于基于熱慣性原理的隔間散熱管理。
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