FSEC 賽車電池熱管理系統的優化設計

買嘉誠，黃碧雄，謝兆康，賈志強

（1.201620 上海市 上海工程技術大學；2.130000 吉林省 長春市 長春世恒科技有限公司）

0 引言

隨著國家經濟的發展和人們生活水平的提高，機動車的數量持續增長,石油等不可再生能源消耗量急劇增加，能源緊缺和環境污染等已經成為全球迫切解決的重大問題。近年來，為了可持續發展和平衡節約不可再生能源，大力發展新型節能與新能源汽車也已經提上了各大企業的日程。而對于純電動汽車來說，電池又是其中的重中之重，又因為溫度對電池性能的影響較為顯著，所以我們更加需要對電池的熱管理系統進行改進和優化。為推動新能源汽車的發展，第一屆大學生電動方程式賽車大賽（FSEC）于 2013 年應運而生，它是由各大高等院校汽車工程或者相關專業在校生組隊，利用一年時間制作一輛賽車進行各類性能上的比拼來促進各學校學生的學習交流和實踐。因此，想要更好地參賽，必須對現有技術進行改進，而電池熱管理系統的優化設計又是其中的重要部分。

電池熱管理系統的優化設計。電池正常工作時，內部產生的熱量通過熱傳導傳給電池模組外殼，再與空氣對流換熱，最終通過電池箱內空氣流動帶走熱量達到散熱效果。但由于內部元器件密集，發熱量大，對環境溫度要求嚴格，為了及時將熱量排出，確保電子元器件在規定溫度下正常工作，我們本著生熱與散熱平衡的原則，從散熱出發，采用強迫風冷的方式進行散熱，當自然對流無法滿足散熱需求時，可通過調整散熱風扇風力，電池箱開孔位置以及電池模組的間隔，并采用正交測試的方法優化和改進系統設計方案，從而使得電池工作于更加合適的溫度范圍，保證能量效率最佳[1]。本文采用CATIA 對電池箱進行精準建模，用ANSYS ICEPAK 進行模擬分析驗證方案合理性，對電池箱散熱系統進行優化設計。

1 參數設置

首先確定電池的容量，達到以完成比賽為第一目的，并在此基礎上盡可能做到輕量化[2]。本文采用多個電池單體通過串并聯搭建組成電池模組的方式，經過分析和研究之前的參賽數據，得到的動力電池最佳容量為7.15 kW·h 左右，因此決定采用明逹的 EPC070180SP 作為動力電池的電池單體如圖1，其產品主要參數見表1。

圖1 單個電池結構圖Fig.1 Structure diagram of a single battery

表1 動力電池單體主要參數Tab.1 Main parameters of single power battery

根據電池參數，經計算選用108 個電池單體，將 108 個電池單體通過螺栓連接方式串聯在一起分為6 組，每組串聯方式通過CATIA 進行建模，如圖2 所示。整個動力電池模組額定電壓為 399.6 V，最高電壓為 453.6 V。108 串一并合計最大容量為 7.2 kW·h，符合動態仿真所得的最低容量限制。

圖2 單個電池模組Fig.2 Single battery module

然后設計散熱孔數目、散熱風扇、散熱孔位置和電池模組間距。因為散熱需要大量流動空氣帶走電池箱內部熱量，以保證電池工作在適宜溫度，保證電池放電效率，所以在電池箱上增加散熱孔的同時還有散熱風扇來保證熱量散失。我們可以通過公式（1）[3]來確定最佳散熱風量從而挑選適當的散熱風扇和箱體散熱孔數目。

式中：CFM——冷卻所需空氣流量；Qp——工況點最大散熱量；Cp——空氣定壓比熱容；ρ——空氣密度；ΔT——溫度差。

電池熱模型的本質是電池內部微元體的能量守恒方程[4]。假設組成電池各種材料介質均勻，密度一致，同一材料比熱容相同，同一方向各處導熱率相等；電池充放電時，電池內部各處電流密度均勻[5]。基于這些假設,可得電池的生熱模型如下[6]：

式中：ρ——電池平均密度；CP ——電池的質量定壓熱容；T ——溫度；t ——時間；Kx，Ky，Kz——電池內部沿 x 軸，y 軸，z 軸方向的熱導率；q ——單位體積熱量產生速率。

通過以上模型可以對電池進行更準確可靠的仿真分析。

2 電池箱的結構

用CATIA 精準建模，去掉上蓋的電池箱如圖3 所示。電池箱由主箱體、箱體蓋、電池模組、隔板、離心風扇、BMS、霍爾等元器件組成，箱體采用厚度為6 mm 的碳纖維材料，總體外形尺寸481 mm×388 mm×255 mm。內部動力電池箱采用108 串一并的Pack 策略，將108 個電芯單體均勻分置為6 個電池模組，如圖4 所示，使得單一模組的電壓不大于120 V。電池箱前部分為上下兩區域，其中，下部區域安裝固定主繼電器、分流器、預充電阻以及熔斷器，上部區域安裝BMS 從控及主控。前部區域跟電池包之間使用橫向隔板分隔開。

圖3 電池箱總體結構Fig.3 Overall structure of battery box

圖4 整體模組排列放置Fig.4 Overall module arrangement

3 電池模組進行熱仿真分析和改進實驗

3.1 初步熱仿真分析

將已經建好的幾何模型導入ANSYS 的Geometry 中，再使用Electronics 將CAD 圖形轉換為icepak 可識別的圖形格式。由于機箱較封閉，電子元器件密度大，不考慮內部的自然對流和輻射換熱[7]，在電池系統主要的產熱元器件是電池。其他的一些次要元器件如導線、保險、開關、電池管理系統、霍爾、繼電器、分流器、預充電阻以及熔斷器，他們體積都很小且發熱量很小，對整個熱場影響可以忽略不計。對導入icepak 中的整個電池箱各個部分元器件進行材料選擇，由上面公式計算出的電池發熱功率，修改特征尺寸滿足icepak 的分析要求。對整體建立assembly，因導入的是CAD 圖形需采用Mesher-HD，在允許劃分多級網格的前提下進行網格劃分，最終劃分的網格數量為156 518，節點數量為166 213，質量檢測結果Face alignment＞0.034，0.0 001 655＞Volume＞1.763 72,經檢查，網格質量良好，圖形沒有失真。選擇推薦的湍流模型。設置收斂的標準，Flow 項設為 1e-3，Energy 項設為 1e-7，迭代次數為 200，其它設置保持默認。在出風口、進風口、中間電池單體設置監測點。所有工作做好后，開始求解。

經查閱資料得知，計算分析收斂[8]需收斂殘差必須達到特定值，并且收斂趨勢好，通過監測點來監測計算是否達到物理收斂2 方面來判斷，如圖5 所示。

對電池箱內部電池模組進行溫度云圖查看如圖6 所示。經仿真發現，電池模塊發熱部位主要在電池極耳處，電池模組各個部分溫度分布不合理，且溫度過高，不能滿足元器件正常工作的溫度需求，容易造成元器件損壞以及電池過熱壽命降低，嚴重影響電池的放電效率 。

圖5 監測點殘差曲線圖Fig.5 Residual curve of monitoring points

圖6 初步仿真電池溫度云圖Fig.6 Preliminary simulation battery temperature cloud map

3.2 改進實驗

FESC 純電動式方程式賽車在行駛時，電池模組會產生大量熱量，需通過更換離心風扇的型號與功率，改變進出口風速，提高電池箱內空氣的流動速度，從而提高電池箱的散熱能力，達到降低箱內的空氣溫度的目的。通過正交實驗[9]在結構上改變模組與模組間的間隙，改變開孔的數量與位置的措施來改變電池箱內部的流場。經過大量實驗，對改進過的電池箱電池模組再次進行熱分析。Z 方向的溫度云圖和風扇位置處切面上的溫度云圖如圖7 所示。從圖中可以看出，風扇兩端溫度較低，靠近中間局域溫度慢慢升高，靠近進風口溫度較低，出風口溫度相對較高，高溫多集中在中間局域模組；電池模組頂端溫度最高37 ℃，最低34 ℃，差值不大，溫度的分布均勻，滿足各元器件工作溫度要求。

圖7 Z 方向的電池溫度云圖和風扇位置溫度切面云圖Fig.7 Z-direction battery temperature cloud diagram and fan position temperature slice cloud diagram

對電池箱內部和周圍冷卻環境進行分析。從圖8 中可以看出，電池箱中空氣流動均勻，空氣從右端入風口由風機吹入，再從左端由抽風機抽出，電池箱箱體上的各個小孔均有穩定空氣流出，內部各個部位也均有空氣流動，這樣就可以較好地通過空氣流動帶走電池模組正常工作時產生的熱量，避免某個部位溫度過高而出現散熱不均的問題，在一定程度上提高電池箱的散熱能力。

圖8 電池箱內部跡線圖和外部的速度云圖Fig.8 Internal trace of battery box and external velocity cloud

4 實驗設計與結果分析

4.1 實驗設計

根據仿真分析選出最佳散熱方案并進行實驗，驗證其準確度，評價實驗結果。可以通過實驗室的快速溫度變化濕熱試驗箱為電池包提供溫濕度變化環境，用于測試判定動力鋰離子電池包是否滿足各種溫度、濕度試驗的要求。安裝 BMS模塊及線束，在測試時將傳感器貼于電池包中的各個位置，將溫度信息傳遞到 BMS 上。將搭好的電池模組放入實驗室的快速溫度變化濕熱試驗箱，模擬電池模組工作時的環境溫度，用4 A 恒流對動力電池進行充電，充電至最高，電芯電壓為4.2 V，靜置1 h，隨后電池在模擬的耐久賽工況下運行，運行時對電池進行間斷的充電放電。模擬工況如圖9 所示。以108 塊電芯分為6 個模組，每組模組檢測6 個電芯的方式，通過記錄BMS 發出的CAN 信號，得到電芯的溫度數據，經數據分析得出，溫度集中分布在位于中心位置的電芯處。

圖9 模擬工況Fig.9 Simulation conditions

4.2 結果分析

通過讀取 BMS 報文信息，實時記錄不同工況條件下的溫度信息。然后根據結果分析評價。

由BMS 發出的CAN 信號得出：電池模組貼近兩邊風口處的溫度較低，中間溫度較高。對中間模組溫度進行統計分析，做出統計圖如圖10所示，最低溫度25 ℃，最高溫度38 ℃，滿足各元器件工作要求，與仿真分析結果符合一致。

圖10 中心位置處電池溫度曲線Fig.10 Battery temperature curve at the center

5 結語

本文以優化電池箱散熱系統為目的，借助CATIA 進行建模，再通過ANSYS Icepak 對電池箱強迫風冷散熱系統進行分析，得到電池箱正常工作時的溫度、跡線、速度云圖，通過改進風道間隙、風扇功率、開孔位置大小，得出設計方案，并對方案進行大量實驗驗證，進行數據分析。優化后的電池箱與原電池箱相比模組溫度降低50%左右。又對成品電池箱進行強度、散熱、動力性、耐久性等實驗測試，驗證了設計的有效性。由大量數據分析證明，方案設計合理，電池模塊最高溫度 40 ℃，各電池模塊均未超出最高溫度要求，溫度分布均勻，滿足賽車電池箱的散熱需求。