基于ANSYS 的電動方程式賽車動力電池耦合分析

李萍，張寶玉

（1.223003 江蘇省 淮安市 江蘇電子信息職業學院 汽車工程學院；2.223003 江蘇省 淮安市 江蘇食品藥品職業技術學院 智能制造學院）

0 引言

電池箱體作為動力電池的載體，其設計直接影響著動力電池系統的工作安全和良好性能的發揮，在設計箱體結構時要充分考慮耐震動強度、耐沖擊性能、防護性能、散熱性能以及輕量化等因素[1-2]。楊勇[3]設計了FSEC 電池風冷散熱系統，通過仿真與試驗驗證了單體電池熱模型的可靠性和準確性，為純電動賽車的進一步設計提供了參考；崔登杰等[4]對電池箱的結構進行了設計和強度分析，結果表明所設計結構工作安全可靠，符合賽事規則；何興等[5]選取了典型的軟包與方形動力電池模組，研究了自然冷卻情況下動力電池在不同充放電條件和不同位置下的溫度特性，為電動方程式賽車在設計電池組/電池包熱管理方案提供了參考；郭陽東等[6]基于Comsol 建立了某電動汽車動力電池電化學-熱耦合模型與典型工況下的電池溫度場仿真，仿真結果為電動汽車以及動力電池的熱管理系統提供了更為實際的參考依據。目前針對電動方程式賽車動力電池結構設計和溫度場的研究還略顯不足，充分考慮方程式賽車與普通電動汽車工作條件的區別，對動力電池進行結構改進設計，使其發揮更優越的競賽性能。

本文設計了一種新型電動方程式賽車動力電池箱結構，通過有限元建模進行了耐久工況下的動力電池耦合分析，以驗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

高壓電氣系統元件主要包括高壓繼電器、熔斷器、預充電組、電流傳感器、電壓傳感器高壓線纜、高壓接插件等。其基礎功能是實現高壓電的分配和管理，對高壓系統電路進行過流保護，檢測絕緣性能，對容性負載進行預充電，對電路進行緊急分斷和檢測電流等。

1.1 熔斷器選型

熔斷器的功能是當高壓回路出現短路或者過載時，能夠斷開高壓回路，保護電氣部件，防止部件過熱起火爆炸。熔斷器的額定電壓要大于動力電池的最大電壓，熔斷器分斷電流要大于所保護電路的預期短路電流，防止分斷能力不足造成熔斷器損壞甚至爆炸，其額定電流計算公式[7]為

式中：In——熔斷器的額定電流，A；Ib——負載額定電流，A；K——負載修正系數；Kt——環境溫度修正系數；Kf——頻率修正系數；Kv——風冷修正系數；Ke——熱連接修正系數；Ka——海拔修正系數；Kb——熔斷器殼體修正系數。

參考熔斷器使用手冊可確定修正系數的取值，代入相應參數計算選擇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，實物及結構示意圖如圖1、圖2 所示，具體參數如表1 所示。

表1 熔斷器參數Tab.1 Fuse parameters

圖1 RS95L 熔斷器Fig.1 RS95L fuse

圖2 熔斷器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of fuse structure

1.2 高壓繼電器選型

高壓繼電器用來接通和切斷高壓回路，保證電池系統正常上下電。方程式賽車的動力電池系統有3 個繼電器，分別負責主正回路、主負回路及預充電回路的通斷控制，其上電順序由電池管理系統控制。繼電器的主要指標有電壓等級、電流承受能力、循環次數，滅弧能力、輔助觸點功能、安裝方式等。繼電器的額定電壓要大于系統的最大電壓，電流要大于系統的最大電流，其他參數按照所應用的系統適當選取。本文選取泰科電子生產的EV200HAANA 型繼電器，如圖3 所示，參數如表2 所示，其中繼電器觸點形式為1 Form C (SPDT-NO,NC)，觸點材料為銀（Ag），觸點端接為Quick Connect。

表2 EV200HAANA 型繼電器參數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。這些元件都應滿足最大電流強度、電壓等級和溫度的要求。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，對動力電池系統的安全性有重大影響。

2 動力電池箱結構設計

2.1 電動方程式賽車電池箱設計要求

為了保證賽車在比賽中的安全，組委會制定了2018 年中國大學生方程式汽車大賽規則，對賽車電池箱體的設計有明確的要求。

（1）材料方面。明確規定電池箱的材質為鋼材、鋁材或復合材料，并對材料厚度、固定方式、固定點個數、模塊劃分等都有具體要求；

（2）防護方面。為防止賽車在惡劣天氣因雨水滲入導致電池系統短路，規則要求電池箱必須防水，電池箱只允許有為線束、通風設備、冷卻及緊固件而開的孔，電池箱外部的開孔必須要進行密封；

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

動力電池箱設計需要考慮電池的總體尺寸、模組尺寸、能量密度、機械強度、散熱要求、機械及電氣接口、線束布置、制造工藝、安全性能、成本等多方面因素。

2.2 電動方程式賽車電池箱設計

電池箱具體結構及裝配如圖4 所示。動力電池箱包括電池箱殼體、電池模組、電池管理系統（BMS）、繼電器、預充電阻、電壓指示器、散熱風扇、熔斷器、電流傳感器以及防護隔板等。其中電池組放在一側，電池管理系統以及其他相關電氣元件放在另一側，同時把高壓部件（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，動力電池箱由5 個模組組成，每個模組額定電壓100.8 V，最大能量1.63 kW·h，均小于規則里對最高電壓和最大能量的要求。在2 個電池模組之間使用小巧且有彈簧主動鎖緊機構的維護插頭進行連接，減少了高壓線束的連接布置，便于前期裝配及后期維護。為了提高電池箱的安全性，在箱體內部隔板全部粘貼防火等級為UL94-V0 的材料，降低箱體內部起火的風險。

圖5 電池模組Fig.5 Battery module

根據上文選型計算，設計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。該電池箱為左右結構，尺寸為529 mm×448 mm×223 mm。使用ANSYS 對電池箱進行結構優化與分析，在保證強度的前提下，將電池模組、電池管理系統及高壓電氣元件緊湊地布置于箱內。總布置規矩整潔，維護方便，而且節約加工成本，提高空間利用率和輕量化水平，最終動力電池箱總質量58 kg，模組的成組效率為87%，整箱能量密度為140 (W·h)/kg。

3 動力電池箱散熱分析

3.1 散熱方式

目前鋰電池已經成為汽車的主流動力電池，鋰電池的性能和壽命與電池溫度密切相關，電池溫度過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運行的環境溫度在15～20 ℃，考慮電池箱布置位置以及駕駛工況的需求，頻繁加減速勢必會造成電芯持續發熱，導致箱內溫度上升。因此，加裝風扇對其強制散熱，使電池工作在一個良好的溫度范圍，保證能量安全、高效輸出。各種冷卻方式中，各車隊普遍加裝散熱風扇，通過電池管理系統監測單體溫度，當某一單體溫度超過設置的溫度門檻值，便啟動風扇，強制風冷為箱體降溫，提高使用安全性。

具體散熱方案如圖6 和圖7 所示。進出風口全部為風扇，4 個5.7 CFM 的蝸牛風扇將箱體內部的熱量傳至外部，箱體用于存儲空氣，而外部的4個25.2 CFM 的風扇將空氣吸入箱體內部，開設的豎向條孔作為空氣流動的通道，通過強制風冷達到散熱目的。模組之間的橫向散熱風道，風扇不直接接觸模組，而是設置前后風腔，吸入的空氣進入風腔中，避免局部電芯散熱不充分。前后風扇布置位置存在高度差，一端風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 外部風扇Fig.6 External fan

圖7 內部風扇Fig.7 Internal fan

3.2 散熱仿真與分析

為檢驗電池箱散熱設計是否合理，使用ANSYS 進行電池箱流固熱耦合分析，選定耐久賽、持續放電電流50 A 工況進行分析。首先，簡化電池箱模型，然后通過ICEM 和Mesh 分別繪制規則網格和進出風口的不規則網格，將網格整合到一起。最終網格數量為482 萬個，導入Fluent 中求解，選定的初始溫度為25 ℃，風扇的速度為10 m/s。電池溫度場和流場分析結果如圖8、圖9 所示。

圖8 電池溫度場云圖Fig.8 Battery temperature field cloud image

圖9 電池流場云圖Fig.9 Battery flow field cloud image

結果顯示，在高強度的耐久賽工況下，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均勻，不存在局部過熱的情況，可以保證單體一致性；同時單個電芯的上下部位溫差小，以防止電芯局部過熱導致整個電芯發生不可逆的損傷，整體溫度在電池可承受的范圍之內，可大大提高電池的效率；氣流走向更加符合設計需求，散熱風扇作用更加明顯。證明散熱通道布置及風扇選擇合理。

4 結論

（1）對高壓元件做了選型分析，為后期電池箱設計與分析奠定基礎；

（2）設計了前后風腔，包括4 個內部5.7 CFM 的蝸牛風扇和4 個外部25.2 CFM 的風扇對電池進行強制風冷，實現了散熱的目的，設計的動力電池箱總質量58 kg，模組的成組效率為87%，整箱能量密度為140 (W·h)/kg；

（3）仿真結果顯示，在高強度耐久賽工況下，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。