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(jìn)行保護(hù)，賽車因此停止運(yùn)行。所以通過從散熱系統(tǒng)采集電池單體工作時(shí)溫度，并通過空氣、水或相變介質(zhì)對電池包進(jìn)行通風(fēng)散熱，來保障電池系統(tǒng)正常溫度運(yùn)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(jì)與應(yīng)用，運(yùn)用理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方法證實(shí)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(jìn)行模擬分析能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，還能達(dá)到電動賽車輕量化的目的，對現(xiàn)在輕量化的汽車設(shè)計(jì)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(jì)方法

1.1 電池箱通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單且質(zhì)量輕，有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)，成本較低；缺點(diǎn)：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(diǎn)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(shí)際規(guī)格長度，將主接觸器、霍爾傳感器、保險(xiǎn)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(dú)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(jì)理念，選擇通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的散熱方式為并行強(qiáng)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(hù)和拆裝。

圖3示出電池箱底部散熱進(jìn)風(fēng)孔位置示意圖，進(jìn)風(fēng)孔規(guī)格為Ф5的通孔，共計(jì)92個(gè)，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(jì)圖，這種類似于導(dǎo)流槽式的散熱道在電池系統(tǒng)散熱時(shí)，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(qiáng)肋，從而大大提高了電池箱的抗壓和碰撞強(qiáng)度。同時(shí)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(yùn)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(shí)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?yàn)殡姵叵渖嵯到y(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(dá)到如下目的。

1）當(dāng)電池箱在炎熱環(huán)境下工作時(shí)，電池組能達(dá)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(jìn)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(gè)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(shí)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(shí)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(jìn)口附近區(qū)域，壓力系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

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

經(jīng)過仿真驗(yàn)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(jì)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(diǎn)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(shí)際分散風(fēng)量：CFM實(shí)=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(gè)。

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

因CFM實(shí)＞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?yàn)楸荣愐?guī)則中規(guī)定每個(gè)電池組的電壓不能超過120 V，因此把電池分別裝配在3個(gè)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(xiàng)目中：制造成本獲第4名、營銷報(bào)告獲第2名、賽車設(shè)計(jì)獲第3名；在動態(tài)項(xiàng)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(diǎn)。運(yùn)用逆向構(gòu)思法進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循原型—反向思考—?jiǎng)?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(jì)方法轉(zhuǎn)換角度，開闊思路，進(jìn)行了新的產(chǎn)品價(jià)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(jìn)行分析，表明仿真分析與實(shí)際基本吻合，因此計(jì)算機(jī)仿真分析已經(jīng)成為確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性能的重要方法和手段。