電動賽車電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用*

范健文 蒙志攀

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院）

為了加快我國電動汽車高效良性的可持續(xù)發(fā)展，中國汽車工程學(xué)會于2013年舉辦了首屆中國大學(xué)生方程式電車大賽（簡稱FSEC），廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院是十所參賽大學(xué)之一。參賽的電動賽車要完成75m直線加速、8字環(huán)繞、高速避障賽及耐久賽的全部動態(tài)比賽。以前無法完成比賽的國外電動賽車其技術(shù)故障集中體現(xiàn)在電池系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是在耐久賽中由于電池包溫度過高，散熱系統(tǒng)無法迅速有效地排出熱量而導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)對電池包進行保護，賽車因此停止運行。所以通過從散熱系統(tǒng)采集電池單體工作時溫度，并通過空氣、水或相變介質(zhì)對電池包進行通風(fēng)散熱，來保障電池系統(tǒng)正常溫度運行，發(fā)揮電池最佳性能和壽命就顯得尤為重要。通過對電動賽車電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用，運用理論與實踐相結(jié)合的研究方法證實了采用先確定電池箱的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)再結(jié)合Fluent軟件進行模擬分析能夠達到優(yōu)化設(shè)計的效果，還能達到電動賽車輕量化的目的，對現(xiàn)在輕量化的汽車設(shè)計開辟了新的方法和手段。

1 電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1.1 電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池散熱傳熱介質(zhì)主要分為：氣體、液體及相變材料3種。采用氣體（空氣）作為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單且質(zhì)量輕，有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)，成本較低；缺點：與電池壁面之間換熱系數(shù)低、冷卻速度慢且效率低。這就意味著采用通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)作為電池箱的散熱系統(tǒng)存在著影響電動賽車質(zhì)量的致命性缺點是散熱系統(tǒng)無法迅速有效地排出熱量。

以空氣為介質(zhì)的散熱結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。賽車選擇的SD3016-24-30散熱器性能參數(shù)，如表1所示。

表1 SD3016-24-30散熱器性能參數(shù)

為了減小電池箱容積且保證電池單體與管理系統(tǒng)的簡便布置，使用的電池箱布置形式是長方體類型。根據(jù)電池管理系統(tǒng)（BMS）和電池包采集線束的實際規(guī)格長度，將主接觸器、霍爾傳感器、保險絲及預(yù)充電元件布置在側(cè)面，將BMS的主控模塊和從控模塊單獨布置在支撐板上面，這樣電池箱的高度為270mm。根據(jù)電池箱輕量化的設(shè)計理念，選擇通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的散熱方式為并行強制風(fēng)冷的散熱方式，如圖2所示。這更有利于減輕整車質(zhì)量，且便于電池裝置的維護和拆裝。

圖3示出電池箱底部散熱進風(fēng)孔位置示意圖，進風(fēng)孔規(guī)格為Ф5的通孔，共計92個，大大提高了散熱效率；圖4示出電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)出風(fēng)口位置示意圖。

圖5示出電動賽車電池包內(nèi)分別分布在電池單體兩側(cè)的散熱道設(shè)計圖，這種類似于導(dǎo)流槽式的散熱道在電池系統(tǒng)散熱時，可以提高3倍以上的散熱速度，并且兩側(cè)的散熱道相當(dāng)于電池箱側(cè)板固定在電池箱上的安裝卡槽，類似于給電池側(cè)板加上了眾多的加強肋，從而大大提高了電池箱的抗壓和碰撞強度。同時為了充分利用電池箱的空間使用率，將風(fēng)扇布置在電池箱的底部。

1.2 流體仿真分析軟件的分析

運用Fluent軟件模擬電動賽車在不同工況下的電池箱散熱系統(tǒng)的性能，其與實際工作下的性能相似程度是決定電動賽車比賽成績的重要因素，因為電池箱散熱系統(tǒng)的性能好壞將影響到電動賽車的行駛性能。

電池箱通風(fēng)冷卻系統(tǒng)通過Fluent軟件分析后可以達到如下目的。

1）當(dāng)電池箱在炎熱環(huán)境下工作時，電池組能達到平均散熱的要求；

2）平均功率下，工作和環(huán)境溫差低于5℃，峰值功率下低于10℃，箱內(nèi)溫差低于3℃；

3）研究電池組在平均和峰值功率下所需風(fēng)量，分別針對電池組在不同充放電倍率和不同風(fēng)速下，對電池組進行散熱研究，使電池組在峰值功率下工作不至于過熱；

4）所選散熱風(fēng)扇能滿足使用要求。

電動賽車行駛工況選擇針對2013年中國大學(xué)生方程式襄陽賽道路況：耐久賽總行駛里程為22 km，賽道設(shè)有13個彎道，彎道總長1 440m。電動賽車最高車速為120 km/h，完成比賽需要的時間大致是1 631 s。已知電池的額定電壓為312 V，在動態(tài)比賽中直接加速脈沖放電電流為160 A，耐久賽所消耗的電荷量為25%，耐久賽所消耗的容量為6 A·h，得出耐久賽平均放電電流為13.3 A，耐久賽電池平均輸出功率為4.15 kW。圖6示出電池以13.3 A放電時電池箱內(nèi)部的溫度壓力云圖；圖7示出電池單體表面溫度超過4級警告值溫度壓力云圖。從圖6和圖7可知，在電池以13.3 A放電及電池單體表面溫度超過4級警告條件下，電池箱內(nèi)部溫度場變化均勻且溫度壓力分布均勻，較大處為進口附近區(qū)域，壓力系數(shù)滿足設(shè)計要求。

圖8～10分別示出出風(fēng)口風(fēng)速為1，3，5m/s時速度流線圖。由圖8～10可以看出，當(dāng)速度為5m/s時，空氣流動密集，電池箱內(nèi)散熱效果較好。

經(jīng)過仿真驗證電池箱散熱系統(tǒng)使用風(fēng)速為5m/s的風(fēng)扇能滿足散熱系統(tǒng)的性能要求。所選風(fēng)扇風(fēng)量（CFM/（m3/h））的計算公式[1]：

式中：A——常數(shù)，取35.314 6；

B——60 s；

S——圓形出風(fēng)口的面積，m2；

V——散熱出風(fēng)口圓形面積中各點的平均風(fēng)速，取5m/s。

代入數(shù)值得：

（注：cfm是流量單位，1 cfm=1立方英尺/分鐘=0.028 3m3/min≈1.7m3/h）

實際分散風(fēng)量：CFM實=CD

式中：C——SD3016-24-30散熱器風(fēng)量，24.3 cfm≈41.31m3/h；

D——安裝SD3016-24-30散熱器的數(shù)量，3個。

代入數(shù)值得：CFM實=41.31m3/h×3=123.93m3/h

因CFM實＞CFM，故所選散熱風(fēng)扇滿足電池散熱要求。

2 電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)在電動賽車上的應(yīng)用

將電池組布置在駕駛艙的兩側(cè)及駕駛員后部是相對較合理的位置。因為比賽規(guī)則中規(guī)定每個電池組的電壓不能超過120 V，因此把電池分別裝配在3個箱體中，簡稱A，B，C箱，布置位置，如圖11所示。

3 應(yīng)用效果

合肥工業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、斯圖加特大學(xué)（德國）、廣東工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西華大學(xué)及廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院參與了我國首屆電動賽車比賽。在這次比賽中，鹿山學(xué)院獲得總成績第2名。其中，在靜態(tài)項目中：制造成本獲第4名、營銷報告獲第2名、賽車設(shè)計獲第3名；在動態(tài)項目中：直線加速獲第2名、8字環(huán)繞獲第1名、高速避障獲第4名、耐久性獲第3名。

4 結(jié)論

1）電池箱采用以空氣為介質(zhì)的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)節(jié)約成本卓效，但存在散熱速度慢、效率低的缺點。運用逆向構(gòu)思法進行設(shè)計，遵循原型—反向思考—創(chuàng)造發(fā)明的思維模式，巧用反向探求，順序和位置顛倒等設(shè)計方法轉(zhuǎn)換角度，開闊思路，進行了新的產(chǎn)品價值創(chuàng)新，在節(jié)約成本的前提下，大大提高了散熱速度和效率。

2）通過采用Fluent軟件對電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)進行分析，表明仿真分析與實際基本吻合，因此計算機仿真分析已經(jīng)成為確定設(shè)計結(jié)構(gòu)性能的重要方法和手段。