电动赛车电池箱通风冷却结构设计方法及应用*

范健文 蒙志攀

（广西科技大学鹿山学院）

为了加快我国电动汽车高效良性的可持续发展，中国汽车工程学会于2013年举办了首届中国大学生方程式电车大赛（简称FSEC），广西科技大学鹿山学院是十所参赛大学之一。参赛的电动赛车要完成75m直线加速、8字环绕、高速避障赛及耐久赛的全部动态比赛。以前无法完成比赛的国外电动赛车其技术故障集中体现在电池系统和驱动系统，尤其是在耐久赛中由于电池包温度过高，散热系统无法迅速有效地排出热量而导致电池管理系统对电池包进行保护，赛车因此停止运行。所以通过从散热系统采集电池单体工作时温度，并通过空气、水或相变介质对电池包进行通风散热，来保障电池系统正常温度运行，发挥电池最佳性能和寿命就显得尤为重要。通过对电动赛车电池箱通风冷却结构的设计与应用，运用理论与实践相结合的研究方法证实了采用先确定电池箱的通风冷却结构再结合Fluent软件进行模拟分析能够达到优化设计的效果，还能达到电动赛车轻量化的目的，对现在轻量化的汽车设计开辟了新的方法和手段。

1 电池箱通风冷却结构设计方法

1.1 电池箱通风冷却结构设计

电池散热传热介质主要分为：气体、液体及相变材料3种。采用气体（空气）作为传热介质的主要优点：结构简单且质量轻，有害气体产生时能有效通风，成本较低；缺点：与电池壁面之间换热系数低、冷却速度慢且效率低。这就意味着采用通风冷却结构作为电池箱的散热系统存在着影响电动赛车质量的致命性缺点是散热系统无法迅速有效地排出热量。

以空气为介质的散热结构示意图，如图1所示。赛车选择的SD3016-24-30散热器性能参数，如表1所示。

表1 SD3016-24-30散热器性能参数

为了减小电池箱容积且保证电池单体与管理系统的简便布置，使用的电池箱布置形式是长方体类型。根据电池管理系统（BMS）和电池包采集线束的实际规格长度，将主接触器、霍尔传感器、保险丝及预充电元件布置在侧面，将BMS的主控模块和从控模块单独布置在支撑板上面，这样电池箱的高度为270mm。根据电池箱轻量化的设计理念，选择通风冷却结构的散热方式为并行强制风冷的散热方式，如图2所示。这更有利于减轻整车质量，且便于电池装置的维护和拆装。

图3示出电池箱底部散热进风孔位置示意图，进风孔规格为Ф5的通孔，共计92个，大大提高了散热效率；图4示出电池箱通风冷却结构出风口位置示意图。

图5示出电动赛车电池包内分别分布在电池单体两侧的散热道设计图，这种类似于导流槽式的散热道在电池系统散热时，可以提高3倍以上的散热速度，并且两侧的散热道相当于电池箱侧板固定在电池箱上的安装卡槽，类似于给电池侧板加上了众多的加强肋，从而大大提高了电池箱的抗压和碰撞强度。同时为了充分利用电池箱的空间使用率，将风扇布置在电池箱的底部。

1.2 流体仿真分析软件的分析

运用Fluent软件模拟电动赛车在不同工况下的电池箱散热系统的性能，其与实际工作下的性能相似程度是决定电动赛车比赛成绩的重要因素，因为电池箱散热系统的性能好坏将影响到电动赛车的行驶性能。

电池箱通风冷却系统通过Fluent软件分析后可以达到如下目的。

1）当电池箱在炎热环境下工作时，电池组能达到平均散热的要求；

2）平均功率下，工作和环境温差低于5℃，峰值功率下低于10℃，箱内温差低于3℃；

3）研究电池组在平均和峰值功率下所需风量，分别针对电池组在不同充放电倍率和不同风速下，对电池组进行散热研究，使电池组在峰值功率下工作不至于过热；

4）所选散热风扇能满足使用要求。

电动赛车行驶工况选择针对2013年中国大学生方程式襄阳赛道路况：耐久赛总行驶里程为22 km，赛道设有13个弯道，弯道总长1 440m。电动赛车最高车速为120 km/h，完成比赛需要的时间大致是1 631 s。已知电池的额定电压为312 V，在动态比赛中直接加速脉冲放电电流为160 A，耐久赛所消耗的电荷量为25%，耐久赛所消耗的容量为6 A·h，得出耐久赛平均放电电流为13.3 A，耐久赛电池平均输出功率为4.15 kW。图6示出电池以13.3 A放电时电池箱内部的温度压力云图；图7示出电池单体表面温度超过4级警告值温度压力云图。从图6和图7可知，在电池以13.3 A放电及电池单体表面温度超过4级警告条件下，电池箱内部温度场变化均匀且温度压力分布均匀，较大处为进口附近区域，压力系数满足设计要求。

图8～10分别示出出风口风速为1，3，5m/s时速度流线图。由图8～10可以看出，当速度为5m/s时，空气流动密集，电池箱内散热效果较好。

经过仿真验证电池箱散热系统使用风速为5m/s的风扇能满足散热系统的性能要求。所选风扇风量（CFM/（m3/h））的计算公式[1]：

式中：A——常数，取35.314 6；

B——60 s；

S——圆形出风口的面积，m2；

V——散热出风口圆形面积中各点的平均风速，取5m/s。

代入数值得：

（注：cfm是流量单位，1 cfm=1立方英尺/分钟=0.028 3m3/min≈1.7m3/h）

实际分散风量：CFM实=CD

式中：C——SD3016-24-30散热器风量，24.3 cfm≈41.31m3/h；

D——安装SD3016-24-30散热器的数量，3个。

代入数值得：CFM实=41.31m3/h×3=123.93m3/h

因CFM实＞CFM，故所选散热风扇满足电池散热要求。

2 电池箱通风冷却结构在电动赛车上的应用

将电池组布置在驾驶舱的两侧及驾驶员后部是相对较合理的位置。因为比赛规则中规定每个电池组的电压不能超过120 V，因此把电池分别装配在3个箱体中，简称A，B，C箱，布置位置，如图11所示。

3 应用效果

合肥工业大学、华南农业大学、斯图加特大学（德国）、广东工业大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、北京航空航天大学、武汉理工大学、西华大学及广西科技大学鹿山学院参与了我国首届电动赛车比赛。在这次比赛中，鹿山学院获得总成绩第2名。其中，在静态项目中：制造成本获第4名、营销报告获第2名、赛车设计获第3名；在动态项目中：直线加速获第2名、8字环绕获第1名、高速避障获第4名、耐久性获第3名。

4 结论

1）电池箱采用以空气为介质的通风冷却结构，此结构节约成本卓效，但存在散热速度慢、效率低的缺点。运用逆向构思法进行设计，遵循原型—反向思考—创造发明的思维模式，巧用反向探求，顺序和位置颠倒等设计方法转换角度，开阔思路，进行了新的产品价值创新，在节约成本的前提下，大大提高了散热速度和效率。

2）通过采用Fluent软件对电池箱通风冷却结构进行分析，表明仿真分析与实际基本吻合，因此计算机仿真分析已经成为确定设计结构性能的重要方法和手段。