基于ANSYS 的電動(dòng)方程式賽車(chē)動(dòng)力電池耦合分析

李萍，張寶玉

（1.223003 江蘇省 淮安市 江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院；2.223003 江蘇省 淮安市 江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院）

0 引言

電池箱體作為動(dòng)力電池的載體，其設(shè)計(jì)直接影響著動(dòng)力電池系統(tǒng)的工作安全和良好性能的發(fā)揮，在設(shè)計(jì)箱體結(jié)構(gòu)時(shí)要充分考慮耐震動(dòng)強(qiáng)度、耐沖擊性能、防護(hù)性能、散熱性能以及輕量化等因素[1-2]。楊勇[3]設(shè)計(jì)了FSEC 電池風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了單體電池?zé)崮Ｐ偷目煽啃院蜏?zhǔn)確性，為純電動(dòng)賽車(chē)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了參考；崔登杰等[4]對(duì)電池箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工作安全可靠，符合賽事規(guī)則；何興等[5]選取了典型的軟包與方形動(dòng)力電池模組，研究了自然冷卻情況下動(dòng)力電池在不同充放電條件和不同位置下的溫度特性，為電動(dòng)方程式賽車(chē)在設(shè)計(jì)電池組/電池包熱管理方案提供了參考；郭陽(yáng)東等[6]基于Comsol 建立了某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池電化學(xué)-熱耦合模型與典型工況下的電池溫度場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果為電動(dòng)汽車(chē)以及動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)提供了更為實(shí)際的參考依據(jù)。目前針對(duì)電動(dòng)方程式賽車(chē)動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和溫度場(chǎng)的研究還略顯不足，充分考慮方程式賽車(chē)與普通電動(dòng)汽車(chē)工作條件的區(qū)別，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其發(fā)揮更優(yōu)越的競(jìng)賽性能。

本文設(shè)計(jì)了一種新型電動(dòng)方程式賽車(chē)動(dòng)力電池箱結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元建模進(jìn)行了耐久工況下的動(dòng)力電池耦合分析，以驗(yàn)證其電池溫度特性和電池箱的可靠性等性能。

1 高壓元件選型

高壓電氣系統(tǒng)元件主要包括高壓繼電器、熔斷器、預(yù)充電組、電流傳感器、電壓傳感器高壓線纜、高壓接插件等。其基礎(chǔ)功能是實(shí)現(xiàn)高壓電的分配和管理，對(duì)高壓系統(tǒng)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，檢測(cè)絕緣性能，對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電，對(duì)電路進(jìn)行緊急分?jǐn)嗪蜋z測(cè)電流等。

1.1 熔斷器選型

熔斷器的功能是當(dāng)高壓回路出現(xiàn)短路或者過(guò)載時(shí)，能夠斷開(kāi)高壓回路，保護(hù)電氣部件，防止部件過(guò)熱起火爆炸。熔斷器的額定電壓要大于動(dòng)力電池的最大電壓，熔斷器分?jǐn)嚯娏饕笥谒Ｗo(hù)電路的預(yù)期短路電流，防止分?jǐn)嗄芰Σ蛔阍斐扇蹟嗥鲹p壞甚至爆炸，其額定電流計(jì)算公式[7]為

式中：In——熔斷器的額定電流，A；Ib——負(fù)載額定電流，A；K——負(fù)載修正系數(shù)；Kt——環(huán)境溫度修正系數(shù)；Kf——頻率修正系數(shù)；Kv——風(fēng)冷修正系數(shù)；Ke——熱連接修正系數(shù)；Ka——海拔修正系數(shù)；Kb——熔斷器殼體修正系數(shù)。

參考熔斷器使用手冊(cè)可確定修正系數(shù)的取值，代入相應(yīng)參數(shù)計(jì)算選擇700 V、100 A 的熔斷器，由此選定上海佑容電氣有限公司的RS95L 型熔斷器，實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2 所示，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 熔斷器參數(shù)Tab.1 Fuse parameters

圖1 RS95L 熔斷器Fig.1 RS95L fuse

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of fuse structure

1.2 高壓繼電器選型

高壓繼電器用來(lái)接通和切斷高壓回路，保證電池系統(tǒng)正常上下電。方程式賽車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)有3 個(gè)繼電器，分別負(fù)責(zé)主正回路、主負(fù)回路及預(yù)充電回路的通斷控制，其上電順序由電池管理系統(tǒng)控制。繼電器的主要指標(biāo)有電壓等級(jí)、電流承受能力、循環(huán)次數(shù)，滅弧能力、輔助觸點(diǎn)功能、安裝方式等。繼電器的額定電壓要大于系統(tǒng)的最大電壓，電流要大于系統(tǒng)的最大電流，其他參數(shù)按照所應(yīng)用的系統(tǒng)適當(dāng)選取。本文選取泰科電子生產(chǎn)的EV200HAANA 型繼電器，如圖3 所示，參數(shù)如表2 所示，其中繼電器觸點(diǎn)形式為1 Form C (SPDT-NO,NC)，觸點(diǎn)材料為銀（Ag），觸點(diǎn)端接為Quick Connect。

表2 EV200HAANA 型繼電器參數(shù)Tab.2 Parameters of EV200HAANA relay

圖3 EV200HAANA 型繼電器Fig.3 EV200HAANA relay

1.3 其他高壓元件

其他高壓元件包括線束線纜、電壓指示器、高壓接插件等。這些元件都應(yīng)滿足最大電流強(qiáng)度、電壓等級(jí)和溫度的要求。此外還需考慮其尺寸大小、安裝方式、布置形式、維護(hù)的難易程度、彼此之間的電磁干擾等。高壓元件的選型是否合理，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性有重大影響。

2 動(dòng)力電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)方程式賽車(chē)電池箱設(shè)計(jì)要求

為了保證賽車(chē)在比賽中的安全，組委會(huì)制定了2018 年中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽規(guī)則，對(duì)賽車(chē)電池箱體的設(shè)計(jì)有明確的要求。

（1）材料方面。明確規(guī)定電池箱的材質(zhì)為鋼材、鋁材或復(fù)合材料，并對(duì)材料厚度、固定方式、固定點(diǎn)個(gè)數(shù)、模塊劃分等都有具體要求；

（2）防護(hù)方面。為防止賽車(chē)在惡劣天氣因雨水滲入導(dǎo)致電池系統(tǒng)短路，規(guī)則要求電池箱必須防水，電池箱只允許有為線束、通風(fēng)設(shè)備、冷卻及緊固件而開(kāi)的孔，電池箱外部的開(kāi)孔必須要進(jìn)行密封；

（3）安裝方面。為防止因賽車(chē)碰撞造成電池箱破裂、燃燒和爆炸，規(guī)則要求所有電池箱都必須在車(chē)架基本結(jié)構(gòu)之內(nèi)，且不可高于側(cè)防撞結(jié)構(gòu)頂面。電池箱在縱向、側(cè)向和垂向分別可以承受40g、40g和20g的加速度沖擊[8]。

動(dòng)力電池箱設(shè)計(jì)需要考慮電池的總體尺寸、模組尺寸、能量密度、機(jī)械強(qiáng)度、散熱要求、機(jī)械及電氣接口、線束布置、制造工藝、安全性能、成本等多方面因素。

2.2 電動(dòng)方程式賽車(chē)電池箱設(shè)計(jì)

電池箱具體結(jié)構(gòu)及裝配如圖4 所示。動(dòng)力電池箱包括電池箱殼體、電池模組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、繼電器、預(yù)充電阻、電壓指示器、散熱風(fēng)扇、熔斷器、電流傳感器以及防護(hù)隔板等。其中電池組放在一側(cè)，電池管理系統(tǒng)以及其他相關(guān)電氣元件放在另一側(cè)，同時(shí)把高壓部件（繼電器、熔斷器等）與控制部件之間加入隔板，最大程度減輕電磁干擾。

圖4 電池箱總布置Fig.4 General layout of battery boxes

如圖5 所示，動(dòng)力電池箱由5 個(gè)模組組成，每個(gè)模組額定電壓100.8 V，最大能量1.63 kW·h，均小于規(guī)則里對(duì)最高電壓和最大能量的要求。在2 個(gè)電池模組之間使用小巧且有彈簧主動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)的維護(hù)插頭進(jìn)行連接，減少了高壓線束的連接布置，便于前期裝配及后期維護(hù)。為了提高電池箱的安全性，在箱體內(nèi)部隔板全部粘貼防火等級(jí)為UL94-V0 的材料，降低箱體內(nèi)部起火的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 電池模組Fig.5 Battery module

根據(jù)上文選型計(jì)算，設(shè)計(jì)的電池箱可以提供額定444 V 的電壓，電池最大能量8.2 kW·h。該電池箱為左右結(jié)構(gòu)，尺寸為529 mm×448 mm×223 mm。使用ANSYS 對(duì)電池箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析，在保證強(qiáng)度的前提下，將電池模組、電池管理系統(tǒng)及高壓電氣元件緊湊地布置于箱內(nèi)。總布置規(guī)矩整潔，維護(hù)方便，而且節(jié)約加工成本，提高空間利用率和輕量化水平，最終動(dòng)力電池箱總質(zhì)量58 kg，模組的成組效率為87%，整箱能量密度為140 (W·h)/kg。

3 動(dòng)力電池箱散熱分析

3.1 散熱方式

目前鋰電池已經(jīng)成為汽車(chē)的主流動(dòng)力電池，鋰電池的性能和壽命與電池溫度密切相關(guān)，電池溫度過(guò)高不僅加快電池壽命衰減，也埋下安全隱患[9]。

本文研究的方程式賽車(chē)運(yùn)行的環(huán)境溫度在15～20 ℃，考慮電池箱布置位置以及駕駛工況的需求，頻繁加減速勢(shì)必會(huì)造成電芯持續(xù)發(fā)熱，導(dǎo)致箱內(nèi)溫度上升。因此，加裝風(fēng)扇對(duì)其強(qiáng)制散熱，使電池工作在一個(gè)良好的溫度范圍，保證能量安全、高效輸出。各種冷卻方式中，各車(chē)隊(duì)普遍加裝散熱風(fēng)扇，通過(guò)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單體溫度，當(dāng)某一單體溫度超過(guò)設(shè)置的溫度門(mén)檻值，便啟動(dòng)風(fēng)扇，強(qiáng)制風(fēng)冷為箱體降溫，提高使用安全性。

具體散熱方案如圖6 和圖7 所示。進(jìn)出風(fēng)口全部為風(fēng)扇，4 個(gè)5.7 CFM 的蝸牛風(fēng)扇將箱體內(nèi)部的熱量傳至外部，箱體用于存儲(chǔ)空氣，而外部的4個(gè)25.2 CFM 的風(fēng)扇將空氣吸入箱體內(nèi)部，開(kāi)設(shè)的豎向條孔作為空氣流動(dòng)的通道，通過(guò)強(qiáng)制風(fēng)冷達(dá)到散熱目的。模組之間的橫向散熱風(fēng)道，風(fēng)扇不直接接觸模組，而是設(shè)置前后風(fēng)腔，吸入的空氣進(jìn)入風(fēng)腔中，避免局部電芯散熱不充分。前后風(fēng)扇布置位置存在高度差，一端風(fēng)扇位于電芯極耳位置，一端位于電芯根部位置，最大程度使其散熱均勻、充分。

圖6 外部風(fēng)扇Fig.6 External fan

圖7 內(nèi)部風(fēng)扇Fig.7 Internal fan

3.2 散熱仿真與分析

為檢驗(yàn)電池箱散熱設(shè)計(jì)是否合理，使用ANSYS 進(jìn)行電池箱流固熱耦合分析，選定耐久賽、持續(xù)放電電流50 A 工況進(jìn)行分析。首先，簡(jiǎn)化電池箱模型，然后通過(guò)ICEM 和Mesh 分別繪制規(guī)則網(wǎng)格和進(jìn)出風(fēng)口的不規(guī)則網(wǎng)格，將網(wǎng)格整合到一起。最終網(wǎng)格數(shù)量為482 萬(wàn)個(gè)，導(dǎo)入Fluent 中求解，選定的初始溫度為25 ℃，風(fēng)扇的速度為10 m/s。電池溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分析結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 電池溫度場(chǎng)云圖Fig.8 Battery temperature field cloud image

圖9 電池流場(chǎng)云圖Fig.9 Battery flow field cloud image

結(jié)果顯示，在高強(qiáng)度的耐久賽工況下，電芯最高溫度29.7 ℃，單體之間的最大溫差4.7 ℃，均滿足電池最佳使用溫度范圍，且不同單體之間溫度分布相對(duì)均勻，不存在局部過(guò)熱的情況，可以保證單體一致性；同時(shí)單個(gè)電芯的上下部位溫差小，以防止電芯局部過(guò)熱導(dǎo)致整個(gè)電芯發(fā)生不可逆的損傷，整體溫度在電池可承受的范圍之內(nèi)，可大大提高電池的效率；氣流走向更加符合設(shè)計(jì)需求，散熱風(fēng)扇作用更加明顯。證明散熱通道布置及風(fēng)扇選擇合理。

4 結(jié)論

（1）對(duì)高壓元件做了選型分析，為后期電池箱設(shè)計(jì)與分析奠定基礎(chǔ)；

（2）設(shè)計(jì)了前后風(fēng)腔，包括4 個(gè)內(nèi)部5.7 CFM 的蝸牛風(fēng)扇和4 個(gè)外部25.2 CFM 的風(fēng)扇對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，實(shí)現(xiàn)了散熱的目的，設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池箱總質(zhì)量58 kg，模組的成組效率為87%，整箱能量密度為140 (W·h)/kg；

（3）仿真結(jié)果顯示，在高強(qiáng)度耐久賽工況下，電芯最高溫度29.7 ℃，單體之間的最大溫差4.7 ℃，均滿足電池最佳使用溫度范圍。