電動賽車電池箱通風冷卻結構設計方法及應用*

范健文 蒙志攀

（廣西科技大學鹿山學院）

為了加快我國電動汽車高效良性的可持續發展，中國汽車工程學會于2013年舉辦了首屆中國大學生方程式電車大賽（簡稱FSEC），廣西科技大學鹿山學院是十所參賽大學之一。參賽的電動賽車要完成75m直線加速、8字環繞、高速避障賽及耐久賽的全部動態比賽。以前無法完成比賽的國外電動賽車其技術故障集中體現在電池系統和驅動系統，尤其是在耐久賽中由于電池包溫度過高，散熱系統無法迅速有效地排出熱量而導致電池管理系統對電池包進行保護，賽車因此停止運行。所以通過從散熱系統采集電池單體工作時溫度，并通過空氣、水或相變介質對電池包進行通風散熱，來保障電池系統正常溫度運行，發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冷卻結構的設計與應用，運用理論與實踐相結合的研究方法證實了采用先確定電池箱的通風冷卻結構再結合Fluent軟件進行模擬分析能夠達到優化設計的效果，還能達到電動賽車輕量化的目的，對現在輕量化的汽車設計開辟了新的方法和手段。

1 電池箱通風冷卻結構設計方法

1.1 電池箱通風冷卻結構設計

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

以空氣為介質的散熱結構示意圖，如圖1所示。賽車選擇的SD3016-24-30散熱器性能參數，如表1所示。

表1 SD3016-24-30散熱器性能參數

為了減小電池箱容積且保證電池單體與管理系統的簡便布置，使用的電池箱布置形式是長方體類型。根據電池管理系統（BMS）和電池包采集線束的實際規格長度，將主接觸器、霍爾傳感器、保險絲及預充電元件布置在側面，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。根據電池箱輕量化的設計理念，選擇通風冷卻結構的散熱方式為并行強制風冷的散熱方式，如圖2所示。這更有利于減輕整車質量，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孔位置示意圖，進風孔規格為Ф5的通孔，共計92個，大大提高了散熱效率；圖4示出電池箱通風冷卻結構出風口位置示意圖。

圖5示出電動賽車電池包內分別分布在電池單體兩側的散熱道設計圖，這種類似于導流槽式的散熱道在電池系統散熱時，可以提高3倍以上的散熱速度，并且兩側的散熱道相當于電池箱側板固定在電池箱上的安裝卡槽，類似于給電池側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的性能好壞將影響到電動賽車的行駛性能。

電池箱通風冷卻系統通過Fluent軟件分析后可以達到如下目的。

1）當電池箱在炎熱環境下工作時，電池組能達到平均散熱的要求；

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

3）研究電池組在平均和峰值功率下所需風量，分別針對電池組在不同充放電倍率和不同風速下，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年中國大學生方程式襄陽賽道路況：耐久賽總行駛里程為22 km，賽道設有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域，壓力系數滿足設計要求。

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

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

式中：A——常數，取35.314 6；

B——60 s；

S——圓形出風口的面積，m2；

V——散熱出風口圓形面積中各點的平均風速，取5m/s。

代入數值得：

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

實際分散風量：CFM實=CD

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

D——安裝SD3016-24-30散熱器的數量，3個。

代入數值得：CFM實=41.31m3/h×3=123.93m3/h

因CFM實＞CFM，故所選散熱風扇滿足電池散熱要求。

2 電池箱通風冷卻結構在電動賽車上的應用

將電池組布置在駕駛艙的兩側及駕駛員后部是相對較合理的位置。因為比賽規則中規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 應用效果

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

4 結論

1）電池箱采用以空氣為介質的通風冷卻結構，此結構節約成本卓效，但存在散熱速度慢、效率低的缺點。運用逆向構思法進行設計，遵循原型—反向思考—創造發明的思維模式，巧用反向探求，順序和位置顛倒等設計方法轉換角度，開闊思路，進行了新的產品價值創新，在節約成本的前提下，大大提高了散熱速度和效率。

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