FSEC 赛车电池热管理系统的优化设计

买嘉诚，黄碧雄，谢兆康，贾志强

（1.201620 上海市 上海工程技术大学；2.130000 吉林省 长春市 长春世恒科技有限公司）

0 引言

随着国家经济的发展和人们生活水平的提高，机动车的数量持续增长,石油等不可再生能源消耗量急剧增加，能源紧缺和环境污染等已经成为全球迫切解决的重大问题。近年来，为了可持续发展和平衡节约不可再生能源，大力发展新型节能与新能源汽车也已经提上了各大企业的日程。而对于纯电动汽车来说，电池又是其中的重中之重，又因为温度对电池性能的影响较为显著，所以我们更加需要对电池的热管理系统进行改进和优化。为推动新能源汽车的发展，第一届大学生电动方程式赛车大赛（FSEC）于 2013 年应运而生，它是由各大高等院校汽车工程或者相关专业在校生组队，利用一年时间制作一辆赛车进行各类性能上的比拼来促进各学校学生的学习交流和实践。因此，想要更好地参赛，必须对现有技术进行改进，而电池热管理系统的优化设计又是其中的重要部分。

电池热管理系统的优化设计。电池正常工作时，内部产生的热量通过热传导传给电池模组外壳，再与空气对流换热，最终通过电池箱内空气流动带走热量达到散热效果。但由于内部元器件密集，发热量大，对环境温度要求严格，为了及时将热量排出，确保电子元器件在规定温度下正常工作，我们本着生热与散热平衡的原则，从散热出发，采用强迫风冷的方式进行散热，当自然对流无法满足散热需求时，可通过调整散热风扇风力，电池箱开孔位置以及电池模组的间隔，并采用正交测试的方法优化和改进系统设计方案，从而使得电池工作于更加合适的温度范围，保证能量效率最佳[1]。本文采用CATIA 对电池箱进行精准建模，用ANSYS ICEPAK 进行模拟分析验证方案合理性，对电池箱散热系统进行优化设计。

1 参数设置

首先确定电池的容量，达到以完成比赛为第一目的，并在此基础上尽可能做到轻量化[2]。本文采用多个电池单体通过串并联搭建组成电池模组的方式，经过分析和研究之前的参赛数据，得到的动力电池最佳容量为7.15 kW·h 左右，因此决定采用明逹的 EPC070180SP 作为动力电池的电池单体如图1，其产品主要参数见表1。

图1 单个电池结构图Fig.1 Structure diagram of a single battery

表1 动力电池单体主要参数Tab.1 Main parameters of single power battery

根据电池参数，经计算选用108 个电池单体，将 108 个电池单体通过螺栓连接方式串联在一起分为6 组，每组串联方式通过CATIA 进行建模，如图2 所示。整个动力电池模组额定电压为 399.6 V，最高电压为 453.6 V。108 串一并合计最大容量为 7.2 kW·h，符合动态仿真所得的最低容量限制。

图2 单个电池模组Fig.2 Single battery module

然后设计散热孔数目、散热风扇、散热孔位置和电池模组间距。因为散热需要大量流动空气带走电池箱内部热量，以保证电池工作在适宜温度，保证电池放电效率，所以在电池箱上增加散热孔的同时还有散热风扇来保证热量散失。我们可以通过公式（1）[3]来确定最佳散热风量从而挑选适当的散热风扇和箱体散热孔数目。

式中：CFM——冷却所需空气流量；Qp——工况点最大散热量；Cp——空气定压比热容；ρ——空气密度；ΔT——温度差。

电池热模型的本质是电池内部微元体的能量守恒方程[4]。假设组成电池各种材料介质均匀，密度一致，同一材料比热容相同，同一方向各处导热率相等；电池充放电时，电池内部各处电流密度均匀[5]。基于这些假设,可得电池的生热模型如下[6]：

式中：ρ——电池平均密度；CP ——电池的质量定压热容；T ——温度；t ——时间；Kx，Ky，Kz——电池内部沿 x 轴，y 轴，z 轴方向的热导率；q ——单位体积热量产生速率。

通过以上模型可以对电池进行更准确可靠的仿真分析。

2 电池箱的结构

用CATIA 精准建模，去掉上盖的电池箱如图3 所示。电池箱由主箱体、箱体盖、电池模组、隔板、离心风扇、BMS、霍尔等元器件组成，箱体采用厚度为6 mm 的碳纤维材料，总体外形尺寸481 mm×388 mm×255 mm。内部动力电池箱采用108 串一并的Pack 策略，将108 个电芯单体均匀分置为6 个电池模组，如图4 所示，使得单一模组的电压不大于120 V。电池箱前部分为上下两区域，其中，下部区域安装固定主继电器、分流器、预充电阻以及熔断器，上部区域安装BMS 从控及主控。前部区域跟电池包之间使用横向隔板分隔开。

图3 电池箱总体结构Fig.3 Overall structure of battery box

图4 整体模组排列放置Fig.4 Overall module arrangement

3 电池模组进行热仿真分析和改进实验

3.1 初步热仿真分析

将已经建好的几何模型导入ANSYS 的Geometry 中，再使用Electronics 将CAD 图形转换为icepak 可识别的图形格式。由于机箱较封闭，电子元器件密度大，不考虑内部的自然对流和辐射换热[7]，在电池系统主要的产热元器件是电池。其他的一些次要元器件如导线、保险、开关、电池管理系统、霍尔、继电器、分流器、预充电阻以及熔断器，他们体积都很小且发热量很小，对整个热场影响可以忽略不计。对导入icepak 中的整个电池箱各个部分元器件进行材料选择，由上面公式计算出的电池发热功率，修改特征尺寸满足icepak 的分析要求。对整体建立assembly，因导入的是CAD 图形需采用Mesher-HD，在允许划分多级网格的前提下进行网格划分，最终划分的网格数量为156 518，节点数量为166 213，质量检测结果Face alignment＞0.034，0.0 001 655＞Volume＞1.763 72,经检查，网格质量良好，图形没有失真。选择推荐的湍流模型。设置收敛的标准，Flow 项设为 1e-3，Energy 项设为 1e-7，迭代次数为 200，其它设置保持默认。在出风口、进风口、中间电池单体设置监测点。所有工作做好后，开始求解。

经查阅资料得知，计算分析收敛[8]需收敛残差必须达到特定值，并且收敛趋势好，通过监测点来监测计算是否达到物理收敛2 方面来判断，如图5 所示。

对电池箱内部电池模组进行温度云图查看如图6 所示。经仿真发现，电池模块发热部位主要在电池极耳处，电池模组各个部分温度分布不合理，且温度过高，不能满足元器件正常工作的温度需求，容易造成元器件损坏以及电池过热寿命降低，严重影响电池的放电效率 。

图5 监测点残差曲线图Fig.5 Residual curve of monitoring points

图6 初步仿真电池温度云图Fig.6 Preliminary simulation battery temperature cloud map

3.2 改进实验

FESC 纯电动式方程式赛车在行驶时，电池模组会产生大量热量，需通过更换离心风扇的型号与功率，改变进出口风速，提高电池箱内空气的流动速度，从而提高电池箱的散热能力，达到降低箱内的空气温度的目的。通过正交实验[9]在结构上改变模组与模组间的间隙，改变开孔的数量与位置的措施来改变电池箱内部的流场。经过大量实验，对改进过的电池箱电池模组再次进行热分析。Z 方向的温度云图和风扇位置处切面上的温度云图如图7 所示。从图中可以看出，风扇两端温度较低，靠近中间局域温度慢慢升高，靠近进风口温度较低，出风口温度相对较高，高温多集中在中间局域模组；电池模组顶端温度最高37 ℃，最低34 ℃，差值不大，温度的分布均匀，满足各元器件工作温度要求。

图7 Z 方向的电池温度云图和风扇位置温度切面云图Fig.7 Z-direction battery temperature cloud diagram and fan position temperature slice cloud diagram

对电池箱内部和周围冷却环境进行分析。从图8 中可以看出，电池箱中空气流动均匀，空气从右端入风口由风机吹入，再从左端由抽风机抽出，电池箱箱体上的各个小孔均有稳定空气流出，内部各个部位也均有空气流动，这样就可以较好地通过空气流动带走电池模组正常工作时产生的热量，避免某个部位温度过高而出现散热不均的问题，在一定程度上提高电池箱的散热能力。

图8 电池箱内部迹线图和外部的速度云图Fig.8 Internal trace of battery box and external velocity cloud

4 实验设计与结果分析

4.1 实验设计

根据仿真分析选出最佳散热方案并进行实验，验证其准确度，评价实验结果。可以通过实验室的快速温度变化湿热试验箱为电池包提供温湿度变化环境，用于测试判定动力锂离子电池包是否满足各种温度、湿度试验的要求。安装 BMS模块及线束，在测试时将传感器贴于电池包中的各个位置，将温度信息传递到 BMS 上。将搭好的电池模组放入实验室的快速温度变化湿热试验箱，模拟电池模组工作时的环境温度，用4 A 恒流对动力电池进行充电，充电至最高，电芯电压为4.2 V，静置1 h，随后电池在模拟的耐久赛工况下运行，运行时对电池进行间断的充电放电。模拟工况如图9 所示。以108 块电芯分为6 个模组，每组模组检测6 个电芯的方式，通过记录BMS 发出的CAN 信号，得到电芯的温度数据，经数据分析得出，温度集中分布在位于中心位置的电芯处。

图9 模拟工况Fig.9 Simulation conditions

4.2 结果分析

通过读取 BMS 报文信息，实时记录不同工况条件下的温度信息。然后根据结果分析评价。

由BMS 发出的CAN 信号得出：电池模组贴近两边风口处的温度较低，中间温度较高。对中间模组温度进行统计分析，做出统计图如图10所示，最低温度25 ℃，最高温度38 ℃，满足各元器件工作要求，与仿真分析结果符合一致。

图10 中心位置处电池温度曲线Fig.10 Battery temperature curve at the center

5 结语

本文以优化电池箱散热系统为目的，借助CATIA 进行建模，再通过ANSYS Icepak 对电池箱强迫风冷散热系统进行分析，得到电池箱正常工作时的温度、迹线、速度云图，通过改进风道间隙、风扇功率、开孔位置大小，得出设计方案，并对方案进行大量实验验证，进行数据分析。优化后的电池箱与原电池箱相比模组温度降低50%左右。又对成品电池箱进行强度、散热、动力性、耐久性等实验测试，验证了设计的有效性。由大量数据分析证明，方案设计合理，电池模块最高温度 40 ℃，各电池模块均未超出最高温度要求，温度分布均匀，满足赛车电池箱的散热需求。