新型方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置設計

郝卓 馬洋洋 張政

（1.長安大學汽車學院；2.汽車仿真與控制國家重點實驗室；3.陜西法士特汽車傳動集團公司）

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[1]，各國政府隨之出臺氫能與燃料電池汽車發展的相關政策，科研院所也在持續攻關燃料電池汽車的關鍵技術[2]。其中，燃料電池為燃料電池汽車提供了主要的動力來源，是燃料電池汽車的核心部件，直接影響到汽車的運行性能和使用壽命。燃料電池在儲存、運輸和使用的過程中，對其應有的減振和保護必不可少[3]；特別是在使用過程中，應對燃料電池進行固定保護以適應多變的路面工況和有效散去熱量。然而，普通的固定和保護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。為了解決上述問題，設計了一種方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置，能夠實現對燃料電池的穩定保護和有效散熱。

1 理論研究

1.1 電池散熱裝置的理論研究

對于電池的散熱，通常有風冷、液冷和相變冷卻3種方式。國內外學者提出了較多新穎的結構用于液體冷卻和相變冷卻，如液體冷卻結構，可以提高冷卻性能，已經為特斯拉所應用；又如相變冷卻結構，是一種較為新穎的結構設計[4]。雖然液體冷卻的冷卻性能好，但在使用時顯著增加了整車質量，降低了整個電池組的能量密度；同時，相變材料潛熱有限，應用起來較為困難，目前仍停留在實驗室階段。由于風冷方式的結構簡單、價格低廉、質量輕等優點，目前國內新能源汽車普遍采用風冷結構，因此本設計采取最為常用的風冷散熱方式，即采取設置散熱扇以提高空氣流動速度，用強制風冷對電池進行散熱。強制風冷又可分為串行風冷和并行風冷2 種方式，其原理和結構，如圖1 所示[5]。因并行風冷能同時對所有的部件進行散熱，因此其散熱效果更好，更可保持電池組的溫度均勻一致性。部分學者針對并行風冷結構進行了一定的研究，文獻[6]對并行風冷結構的冷卻性能進行研究和優化設計，文獻[7]驗證并行風冷結構冷卻性能的有效性，并對結構進行設計以提高冷卻性能。

圖1 風冷原理和結構示意圖

1.2 電池保護裝置的理論研究

對于電池的保護，有減振保護和固定保護等方式。減振保護即采用特殊材質的減振材料，以達到吸能、減振和緩沖的目的。固定保護即將電池本體進行固定，以減少電池本體與保護殼體的碰撞。因此，文章在結構設計時綜合采用減振和固定2 種保護方式，以確保裝置能最大限度保護電池。減振方面，采用緩沖墊片，以達到緩沖吸能目的；固定方面，采用多組彈簧及護板完成固定。國內外針對電池保護裝置的研究主要以專利的形式展現，文獻[8]提出了一種電池保護裝置，可以使汽車在復雜路況上行駛時保持電池穩定以及在發生碰撞時電池保持架不發生變形。文獻[9]提出使用減振裝置，以達到對電池的減振和加強振動保護功能。文獻[10]設計了一種用于新能源電池的保護裝置，以加強新能源汽車電池的保護。

2 現有裝置的不足

關于汽車用燃料電池的保護裝置，文獻[11]和文獻[12]設計了具有散熱功能的保護裝置，經過分析，現有的汽車用燃料電池保護裝置主要存在以下2 個方面的問題：

1）燃料電池在儲存、運輸及使用過程中，需要應對復雜多變的路面工況，使燃料電池不與其他部件發生碰撞，達到保護燃料電池的目的；然而，當前的保護裝置，保護和固定作用不強，難以滿足保護與固定的需求，因此，燃料電池的保護和固定有待加強。

2）燃料電池在使用過程中，其工作溫度應處于一定范圍內，以使燃料電池的壽命長并處于高效率區工作；過多熱量會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、效果不好等問題，因此，燃料電池的導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裝置

基于上述技術背景、理論研究基礎和現有燃料電池保護裝置的弊端，設計了一種新型汽車燃料電池用保護裝置，以改善燃料電池在儲存、運輸及使用過程中的固定保護及通風散熱能力。

3.1 結構

所設計的新型方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置主要由保護殼體、緩沖墊片、散熱扇、放置內槽、散熱塊、散熱柵、內防護管、散熱孔等組成。基于CAD 軟件繪制出所設計新型方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置，如圖2 所示。該保護裝置包括保護殼體，保護殼體的外表面固定連接有緩沖墊片且四周上沿設置有散熱孔，一側側壁底部設置有散熱扇，頂部設置有頂蓋，頂蓋的表面也固定連接有緩沖墊片且在中間位置設置有散熱孔。保護殼體內部空心且設置有放置內槽，放置內槽的外側固定連接有散熱塊，散熱塊設置有散熱柵；放置內槽的內側固定連接有安裝塊，安裝塊固定連接有第一彈簧，第一彈簧固定連接有護板，護板固定連接有內防護管，內防護管的外側連接有第二彈簧，第二彈簧固定連接有支撐底座。基于CAD 軟件繪制出內防護管的結構示意圖，如圖3 所示，第3 彈簧的頂部設置有矩形塊，矩形塊的外表面固定連接有導向桿。內防護管的數量為3 個，且3 個內防護管平行設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裝置圖

圖3 內防護管的結構示意圖

3.2 實施方式

保護殼體的外表面固定連接有緩沖墊片，保護殼體的頂部設置有頂蓋，頂蓋的表面固定連接有緩沖墊片，緩沖墊片可以對外力進行緩沖。保護殼體的一側側壁底部設置有散熱扇，散熱扇可以散去保護殼體內的熱量，保護殼體的四周側壁上沿設置有散熱孔，且頂蓋的中間位置設置有散熱孔，便于將保護殼體內的熱量散去。

保護殼體的內部空心并設置有放置內槽，放置內槽的外側固定連接有散熱塊，散熱塊設置有散熱柵，散熱塊和散熱柵可以散去放置內槽內的熱量；放置內槽的內側固定連接有安裝塊，安裝塊固定連接有第1 彈簧，第1 彈簧的數量為6 個，且第1 彈簧固定連接有護板，對燃料電池本體保護固定。

護板固定連接有內防護管，內防護管的數量為3個，且3 個內防護管平行設置在支撐底座的外表面；內防護管的外側連接有第2 彈簧，第2 彈簧的數量為6個；第2 彈簧固定連接有支撐底座，內防護管的內部設置有第3 彈簧，第3 彈簧的數量為6 個，第3 彈簧的頂部設置有矩形塊，矩形塊的外表面固定連接有導向桿。

3.3 結構特點

基于以上結構設計和實施方式分析，得出該方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置具有以下結構特點：

1）該方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置，通過散熱塊和散熱柵的設置，可以將放置內槽里燃料電池的熱量導出，并且散熱扇和散熱孔可以將保護殼體內的熱量有效散去，進而完善了散熱性能。

2）該方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置，通過保護殼體和緩沖墊片的設置，當受到外力時，對燃料電池進行緩沖保護，并且通過第一彈簧和護板的設置，對燃料電池本體進行固定，起到第二重防護固定的作用，從而達到了有效保護的目的。

4 結論

基于電池的散熱和保護裝置的理論研究，制定該新型方便散熱的汽車燃料電池用保護裝置的結構設計準則，并基于CAD 軟件繪制出其基本結構。該新型裝置結構在前人設計基礎上加以優化改進，創新性地提出并采用散熱柵、內防護管等結構設計，以使其保護固定和散熱導熱能力都得到一定提升。本新型裝置的設計結構簡單、成本較低、實用性強，為燃料電池的保護和散熱裝置設計和生產提供了參考依據。與此同時，本設計也存在著未對具體構件的材料及型號進行選擇、未進行實際生產、未獲得有效試驗數據等缺陷，后續可進一步深入研究加以完善。