郝卓 馬洋洋 張政

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院；2.汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司）

燃料電池汽車因其零排放、高效率、低噪音及使用能源可再生而逐漸被重視起來(lái)[1]，各國(guó)政府隨之出臺(tái)氫能與燃料電池汽車發(fā)展的相關(guān)政策，科研院所也在持續(xù)攻關(guān)燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)[2]。其中，燃料電池為燃料電池汽車提供了主要的動(dòng)力來(lái)源，是燃料電池汽車的核心部件，直接影響到汽車的運(yùn)行性能和使用壽命。燃料電池在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用的過(guò)程中，對(duì)其應(yīng)有的減振和保護(hù)必不可少[3]；特別是在使用過(guò)程中，應(yīng)對(duì)燃料電池進(jìn)行固定保護(hù)以適應(yīng)多變的路面工況和有效散去熱量。然而，普通的固定和保護(hù)裝置在散熱方面不夠完善，難以保證燃料電池組的壽命和性能的一致性。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃料電池的穩(wěn)定保護(hù)和有效散熱。

1 理論研究

1.1 電池散熱裝置的理論研究

對(duì)于電池的散熱，通常有風(fēng)冷、液冷和相變冷卻3種方式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了較多新穎的結(jié)構(gòu)用于液體冷卻和相變冷卻，如液體冷卻結(jié)構(gòu)，可以提高冷卻性能，已經(jīng)為特斯拉所應(yīng)用；又如相變冷卻結(jié)構(gòu)，是一種較為新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。雖然液體冷卻的冷卻性能好，但在使用時(shí)顯著增加了整車質(zhì)量，降低了整個(gè)電池組的能量密度；同時(shí)，相變材料潛熱有限，應(yīng)用起來(lái)較為困難，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。由于風(fēng)冷方式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)新能源汽車普遍采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，因此本設(shè)計(jì)采取最為常用的風(fēng)冷散熱方式，即采取設(shè)置散熱扇以提高空氣流動(dòng)速度，用強(qiáng)制風(fēng)冷對(duì)電池進(jìn)行散熱。強(qiáng)制風(fēng)冷又可分為串行風(fēng)冷和并行風(fēng)冷2 種方式，其原理和結(jié)構(gòu)，如圖1 所示[5]。因并行風(fēng)冷能同時(shí)對(duì)所有的部件進(jìn)行散熱，因此其散熱效果更好，更可保持電池組的溫度均勻一致性。部分學(xué)者針對(duì)并行風(fēng)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的研究，文獻(xiàn)[6]對(duì)并行風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的冷卻性能進(jìn)行研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[7]驗(yàn)證并行風(fēng)冷結(jié)構(gòu)冷卻性能的有效性，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以提高冷卻性能。

圖1 風(fēng)冷原理和結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電池保護(hù)裝置的理論研究

對(duì)于電池的保護(hù)，有減振保護(hù)和固定保護(hù)等方式。減振保護(hù)即采用特殊材質(zhì)的減振材料，以達(dá)到吸能、減振和緩沖的目的。固定保護(hù)即將電池本體進(jìn)行固定，以減少電池本體與保護(hù)殼體的碰撞。因此，文章在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)綜合采用減振和固定2 種保護(hù)方式，以確保裝置能最大限度保護(hù)電池。減振方面，采用緩沖墊片，以達(dá)到緩沖吸能目的；固定方面，采用多組彈簧及護(hù)板完成固定。國(guó)內(nèi)外針對(duì)電池保護(hù)裝置的研究主要以專利的形式展現(xiàn)，文獻(xiàn)[8]提出了一種電池保護(hù)裝置，可以使汽車在復(fù)雜路況上行駛時(shí)保持電池穩(wěn)定以及在發(fā)生碰撞時(shí)電池保持架不發(fā)生變形。文獻(xiàn)[9]提出使用減振裝置，以達(dá)到對(duì)電池的減振和加強(qiáng)振動(dòng)保護(hù)功能。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種用于新能源電池的保護(hù)裝置，以加強(qiáng)新能源汽車電池的保護(hù)。

2 現(xiàn)有裝置的不足

關(guān)于汽車用燃料電池的保護(hù)裝置，文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了具有散熱功能的保護(hù)裝置，經(jīng)過(guò)分析，現(xiàn)有的汽車用燃料電池保護(hù)裝置主要存在以下2 個(gè)方面的問(wèn)題：

1）燃料電池在儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用過(guò)程中，需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的路面工況，使燃料電池不與其他部件發(fā)生碰撞，達(dá)到保護(hù)燃料電池的目的；然而，當(dāng)前的保護(hù)裝置，保護(hù)和固定作用不強(qiáng)，難以滿足保護(hù)與固定的需求，因此，燃料電池的保護(hù)和固定有待加強(qiáng)。

2）燃料電池在使用過(guò)程中，其工作溫度應(yīng)處于一定范圍內(nèi)，以使燃料電池的壽命長(zhǎng)并處于高效率區(qū)工作；過(guò)多熱量會(huì)影響燃料電池組的壽命及性能的一致性。然而，目前的散熱裝置在燃料電池散熱方面存在不均勻、效果不好等問(wèn)題，因此，燃料電池的導(dǎo)熱能力及散熱效果有待提高。

3 新型方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置

基于上述技術(shù)背景、理論研究基礎(chǔ)和現(xiàn)有燃料電池保護(hù)裝置的弊端，設(shè)計(jì)了一種新型汽車燃料電池用保護(hù)裝置，以改善燃料電池在儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用過(guò)程中的固定保護(hù)及通風(fēng)散熱能力。

3.1 結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的新型方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置主要由保護(hù)殼體、緩沖墊片、散熱扇、放置內(nèi)槽、散熱塊、散熱柵、內(nèi)防護(hù)管、散熱孔等組成?；贑AD 軟件繪制出所設(shè)計(jì)新型方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置，如圖2 所示。該保護(hù)裝置包括保護(hù)殼體，保護(hù)殼體的外表面固定連接有緩沖墊片且四周上沿設(shè)置有散熱孔，一側(cè)側(cè)壁底部設(shè)置有散熱扇，頂部設(shè)置有頂蓋，頂蓋的表面也固定連接有緩沖墊片且在中間位置設(shè)置有散熱孔。保護(hù)殼體內(nèi)部空心且設(shè)置有放置內(nèi)槽，放置內(nèi)槽的外側(cè)固定連接有散熱塊，散熱塊設(shè)置有散熱柵；放置內(nèi)槽的內(nèi)側(cè)固定連接有安裝塊，安裝塊固定連接有第一彈簧，第一彈簧固定連接有護(hù)板，護(hù)板固定連接有內(nèi)防護(hù)管，內(nèi)防護(hù)管的外側(cè)連接有第二彈簧，第二彈簧固定連接有支撐底座?；贑AD 軟件繪制出內(nèi)防護(hù)管的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3 所示，第3 彈簧的頂部設(shè)置有矩形塊，矩形塊的外表面固定連接有導(dǎo)向桿。內(nèi)防護(hù)管的數(shù)量為3 個(gè)，且3 個(gè)內(nèi)防護(hù)管平行設(shè)置在支撐底座的外表面。

圖2 新型方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置圖

圖3 內(nèi)防護(hù)管的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 實(shí)施方式

保護(hù)殼體的外表面固定連接有緩沖墊片，保護(hù)殼體的頂部設(shè)置有頂蓋，頂蓋的表面固定連接有緩沖墊片，緩沖墊片可以對(duì)外力進(jìn)行緩沖。保護(hù)殼體的一側(cè)側(cè)壁底部設(shè)置有散熱扇，散熱扇可以散去保護(hù)殼體內(nèi)的熱量，保護(hù)殼體的四周側(cè)壁上沿設(shè)置有散熱孔，且頂蓋的中間位置設(shè)置有散熱孔，便于將保護(hù)殼體內(nèi)的熱量散去。

保護(hù)殼體的內(nèi)部空心并設(shè)置有放置內(nèi)槽，放置內(nèi)槽的外側(cè)固定連接有散熱塊，散熱塊設(shè)置有散熱柵，散熱塊和散熱柵可以散去放置內(nèi)槽內(nèi)的熱量；放置內(nèi)槽的內(nèi)側(cè)固定連接有安裝塊，安裝塊固定連接有第1 彈簧，第1 彈簧的數(shù)量為6 個(gè)，且第1 彈簧固定連接有護(hù)板，對(duì)燃料電池本體保護(hù)固定。

護(hù)板固定連接有內(nèi)防護(hù)管，內(nèi)防護(hù)管的數(shù)量為3個(gè)，且3 個(gè)內(nèi)防護(hù)管平行設(shè)置在支撐底座的外表面；內(nèi)防護(hù)管的外側(cè)連接有第2 彈簧，第2 彈簧的數(shù)量為6個(gè)；第2 彈簧固定連接有支撐底座，內(nèi)防護(hù)管的內(nèi)部設(shè)置有第3 彈簧，第3 彈簧的數(shù)量為6 個(gè)，第3 彈簧的頂部設(shè)置有矩形塊，矩形塊的外表面固定連接有導(dǎo)向桿。

3.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基于以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施方式分析，得出該方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1）該方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置，通過(guò)散熱塊和散熱柵的設(shè)置，可以將放置內(nèi)槽里燃料電池的熱量導(dǎo)出，并且散熱扇和散熱孔可以將保護(hù)殼體內(nèi)的熱量有效散去，進(jìn)而完善了散熱性能。

2）該方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置，通過(guò)保護(hù)殼體和緩沖墊片的設(shè)置，當(dāng)受到外力時(shí)，對(duì)燃料電池進(jìn)行緩沖保護(hù)，并且通過(guò)第一彈簧和護(hù)板的設(shè)置，對(duì)燃料電池本體進(jìn)行固定，起到第二重防護(hù)固定的作用，從而達(dá)到了有效保護(hù)的目的。

4 結(jié)論

基于電池的散熱和保護(hù)裝置的理論研究，制定該新型方便散熱的汽車燃料電池用保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并基于CAD 軟件繪制出其基本結(jié)構(gòu)。該新型裝置結(jié)構(gòu)在前人設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加以優(yōu)化改進(jìn)，創(chuàng)新性地提出并采用散熱柵、內(nèi)防護(hù)管等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使其保護(hù)固定和散熱導(dǎo)熱能力都得到一定提升。本新型裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)，為燃料電池的保護(hù)和散熱裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。與此同時(shí)，本設(shè)計(jì)也存在著未對(duì)具體構(gòu)件的材料及型號(hào)進(jìn)行選擇、未進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)、未獲得有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)等缺陷，后續(xù)可進(jìn)一步深入研究加以完善。