學(xué)位論文--車輛電動(dòng)賽車獨(dú)立模塊式電池裝置研制

廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：“鹿山2號(hào)（E）”純電動(dòng)賽車獨(dú)立模塊式電池裝置研制系別：汽車工程系專業(yè)班級(jí)：車輛101班二〇一四年三月二十日 緒論1.1課題背景FSAE是由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)在1979年創(chuàng)辦的，自1981年創(chuàng)辦以來(lái)，F(xiàn)SAE已發(fā)展成為每年由7個(gè)國(guó)家舉辦的9場(chǎng)賽事所組成并有數(shù)百支來(lái)自全球頂級(jí)高校的車隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)，本項(xiàng)賽事不僅是一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)汽車競(jìng)技比賽，更是一項(xiàng)車輛性能設(shè)計(jì)的比賽。中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（以下簡(jiǎn)稱“FSAE”）是中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日、德等國(guó)家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事FSAE。[2]活動(dòng)由各高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。2013年大賽參賽隊(duì)伍已經(jīng)高達(dá)60多支。圖1―1為3013年中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽集體照。圖1―12013年參賽隊(duì)集體照1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展2010年開始中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)聯(lián)合中國(guó)20多所高校在上海舉辦了首屆方程式汽車大賽。到2013年舉辦了第四屆屆大賽時(shí)，已囊括全國(guó)所有汽車專業(yè)王牌院校，50多支車隊(duì)，參賽學(xué)生已經(jīng)接近上千人，并吸引了多只國(guó)外車隊(duì)前來(lái)參賽。[3]早在2011年的10月，北京理工大學(xué)率先推出了國(guó)內(nèi)首輛FSEC純電動(dòng)方程式賽車，并于2011賽季中國(guó)FSAE上海國(guó)際賽場(chǎng)上展示在國(guó)人的眼前，這標(biāo)志著純電動(dòng)方程式賽車開始踏入中國(guó)的大賽上。于是中國(guó)FSAE大賽組委會(huì)在2013賽季推出中國(guó)FSEC首屆全國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)方程式汽車大賽。標(biāo)志著中國(guó)的大學(xué)生的純電動(dòng)賽車之路正式啟程。參加隊(duì)伍達(dá)到了10支，其中包括坐擁中國(guó)電動(dòng)汽車三大巨頭的北京理工大學(xué)的“銀沙”，還有合肥工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院等等……同時(shí)也有來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)車隊(duì)。最后合肥工業(yè)大學(xué)斬獲冠軍，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院摘下季軍。由于國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)尚未成熟，相關(guān)專業(yè)技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)外的發(fā)展水平，所以在賽車場(chǎng)國(guó)內(nèi)9支電動(dòng)賽車都出現(xiàn)了很多臨場(chǎng)故障。最終有5駕賽車在賽車上出現(xiàn)故障而無(wú)法完成比賽，問(wèn)題大都出現(xiàn)在電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。類似于武漢理工大學(xué)由于電池包溫度過(guò)高，電池管理系統(tǒng)對(duì)電池包進(jìn)行保護(hù)，而賽車無(wú)法正常完成耐久賽項(xiàng)目。因此，也讓我對(duì)新能源汽車能源系統(tǒng)充滿了無(wú)限的憧憬和興趣。原來(lái)電池裝置對(duì)于電動(dòng)賽車如此重要，一個(gè)參數(shù)采集的變化就可能造成整車無(wú)法運(yùn)行。1.3電池裝置的類型和特點(diǎn)德國(guó)早在2010年舉辦了首屆全國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)方程式汽車大賽。由于擁有深厚的新能源汽車底蘊(yùn)新能源行業(yè)的穩(wěn)固發(fā)展，他們所設(shè)計(jì)的賽車也得到了加速的發(fā)展，在輕量化方面如今已經(jīng)將整車控制在200KG左右，圖1-2為斯圖加特大學(xué)電車,。而2013賽季我們的賽車整備質(zhì)量高達(dá)399KG（圖1-3），圖1―2斯圖加特大學(xué)電車圖1―3鹿山電動(dòng)1號(hào)經(jīng)過(guò)我們隊(duì)2013年的賽車各大系統(tǒng)重量進(jìn)行分析對(duì)比，我們使用的能源系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都已經(jīng)高達(dá)200多公斤，這兩大系統(tǒng)的重量已經(jīng)達(dá)到國(guó)外賽車的整車重量。所以在動(dòng)態(tài)比賽中，很大程度上限制了我們的加速性能。在電池的選擇上，我國(guó)的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到歐美國(guó)家，同樣特性的電池，國(guó)外的水平可以在質(zhì)量方面僅為國(guó)內(nèi)的1/3。圖1―4為美國(guó)A123電池，圖1―5為“鹿山電動(dòng)1號(hào)”電池單體。圖1―4A123電池圖1―5磷酸鐵鋰電池在這種能量比條件下的賽車，我們就收到了太多的限制，以至于處于被動(dòng)局勢(shì)。單體的結(jié)構(gòu)和體積也大體決定了電池箱體的大小。2013年，“鹿山電動(dòng)2號(hào)賽車”的容量高達(dá)119L，鐵箱的重量也達(dá)到了近30KG。這無(wú)疑給增加了整車重量。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)參考分析，原來(lái)在國(guó)外連電池箱體材料的選擇都與我們不同。圖1-6為西澳大利亞大學(xué)賽車電池箱，他們所使用的材料為工業(yè)PC板（聚碳酸酯），圖1―6西澳大利亞電池箱圖1―7斯圖加特大學(xué)電池箱圖1―7為德國(guó)斯圖加特大學(xué)賽車電池箱，由聚碳酸酯鑄造而成。重量?jī)H為鐵的1/3。而且體積很小。這樣給整車其他系統(tǒng)的布置節(jié)省了足夠多空間的同時(shí)，又提高了輕量化。1.4課題的目的和意義雖然目前我國(guó)汽車工業(yè)達(dá)到生產(chǎn)大國(guó)地位，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到是強(qiáng)國(guó)的發(fā)展水平。想從汽車制造國(guó)向工業(yè)化已經(jīng)成為我們中國(guó)汽車人的共同目標(biāo)，而人才的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)的基本保證，競(jìng)賽主席將為我們的大學(xué)生有這樣高水平的事件：一是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)，制造成本，控制能力。當(dāng)然還有加強(qiáng)與團(tuán)隊(duì)溝通能力，使我們能夠更快的適應(yīng)企業(yè)專業(yè)技術(shù)需求，給企業(yè)選擇優(yōu)秀人才提供的良好平臺(tái)；二是通過(guò)大賽的激烈競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為各參賽車隊(duì)隊(duì)員交流提供平臺(tái)，推動(dòng)學(xué)科教育建設(shè)的發(fā)展；大賽在檢驗(yàn)和提高汽車行業(yè)各大院校學(xué)生的綜合素質(zhì)的同時(shí)，也為我國(guó)汽車工業(yè)健康、快速發(fā)展積蓄和培養(yǎng)人才人才,具有促進(jìn)生產(chǎn)十分廣泛的意義，學(xué)習(xí)和研究，三方的交流與合作。而對(duì)純電動(dòng)賽車獨(dú)立模塊式電池裝置的研制將成為大賽的一個(gè)重點(diǎn)設(shè)計(jì)，雖然我們國(guó)內(nèi)的電池單體設(shè)計(jì)方面有待于更深入的研究，但是就目前先階段，我們可以針對(duì)電池裝置進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從箱體材料選擇、分析、實(shí)物加工，不斷的培養(yǎng)我們的設(shè)計(jì)水平，同時(shí)對(duì)電池系統(tǒng)的研究有了更加深入的了解。在實(shí)物制作工程中，不斷的提高我們的動(dòng)手能力，不斷的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。對(duì)電池箱散熱系統(tǒng)的研制，讓我們加強(qiáng)了FLULT流體仿真分析的了解，而電池包的熱特性，給了我們更多的吸引力。參賽車輛將在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)評(píng)，包括：技術(shù)檢查、制造成本分析、營(yíng)銷報(bào)告、賽車設(shè)計(jì)、單項(xiàng)性能測(cè)試和良好的賽道耐久性。[4]表1―1純電動(dòng)賽車項(xiàng)目分值分配表項(xiàng)目?jī)?nèi)容分值靜態(tài)項(xiàng)目營(yíng)銷報(bào)告75工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目150成本分析100動(dòng)態(tài)項(xiàng)目高速避障測(cè)試75直線加速測(cè)試758字繞環(huán)測(cè)試100經(jīng)濟(jì)性測(cè)試100耐久性測(cè)試325總分10001.5本章小結(jié)本章主要對(duì)大學(xué)生方程式汽車大賽和中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的誕生以及國(guó)內(nèi)外賽事間的交流做了介紹，由此引出本文的設(shè)計(jì)方向——純電動(dòng)方程式賽車，這一國(guó)內(nèi)新興的賽事。2純電動(dòng)賽車電池裝置的概述、規(guī)則要求及選型模塊式電池裝置主要涵蓋電池單體、電池管理系統(tǒng)、電池箱體、散熱系統(tǒng)四大裝置，而獨(dú)立模塊式電池裝置的研制就是將這四大裝置獨(dú)立布置，充分利用空間使用率，在滿足規(guī)則的前提下，實(shí)現(xiàn)裝置輕量化設(shè)計(jì)，提高散熱效果且方便拆裝、更換！2.1動(dòng)力電池蓄電裝置（蓄能電動(dòng)汽車）是指新能源汽車安裝可以儲(chǔ)存電能的裝置，包括所有動(dòng)力蓄電池、超級(jí)電容、飛輪電池和燃料電池等或其組合。提高新能源汽車的電池性能已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。它既是目前普及應(yīng)用電動(dòng)汽車的瓶頸，也是電動(dòng)汽車能否與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車競(jìng)爭(zhēng)的重要因素之一。近幾年來(lái)世界各國(guó)對(duì)其十分重視，投入了大量的財(cái)力，加大各方面人力，同時(shí)取得了很好的進(jìn)展。但要大規(guī)模普及推廣應(yīng)用，在性價(jià)比上還有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。2.1.1純電動(dòng)賽車電池系統(tǒng)對(duì)電池的要求具備大功率充放電的性能。體積及質(zhì)量的比功率是衡量電池能否迅速放電能力的硬性指標(biāo)。而電動(dòng)賽車由于在賽道上的不定時(shí)加減速（經(jīng)常會(huì)過(guò)載）以及快速充電能力（3h達(dá)95%）往往要求較高的充放電能力。充放電效率。電動(dòng)賽車中動(dòng)力電池的高充放電效率是對(duì)保證整個(gè)項(xiàng)目正常的一個(gè)重要指標(biāo)。使用壽命。由于鋰電池的價(jià)格比較昂貴，所以要求電池的充放電最少達(dá)1500次。容量。由于電動(dòng)賽車多數(shù)都是在賽道上跑，經(jīng)過(guò)各種工況下的計(jì)算確定電池的容量。相對(duì)穩(wěn)定性。電動(dòng)汽車電池應(yīng)該表現(xiàn)在快速充放電和相對(duì)穩(wěn)定的充放電過(guò)程變量的條件。FSE電動(dòng)賽車與市場(chǎng)上電動(dòng)汽車不同，根據(jù)2014的中國(guó)學(xué)生組織委員會(huì)頒發(fā)的中國(guó)學(xué)生汽車方程組的純電動(dòng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則的公式，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的最大輸出功率不超過(guò)85千瓦；耐久賽續(xù)航里程為22km；動(dòng)力電池允許的最大輸出電壓為600V；綜合目前國(guó)內(nèi)外大賽的電動(dòng)賽車設(shè)計(jì)參數(shù)，整車整備質(zhì)量處于150～400kg左右。2.1.2電池材料選型、計(jì)算電池材料選型高比功率電動(dòng)汽車的電源的主要要求（在大電流條件下放電平穩(wěn)，全面提高爬坡性能和加速性能）、延長(zhǎng)賽車?yán)m(xù)駛里程、循環(huán)壽命、保證電池安全可靠、避免維護(hù)、對(duì)使用環(huán)境溫度要求較低、能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境污染小以及制作電池的原材料豐富等。新能源汽車在未來(lái)發(fā)展很多方面于電池能源系統(tǒng)的性能。表2—1目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)各類電池的性能對(duì)比電池類型單體電池電壓V比能量W.h/kg比功率W/kg壽命/次優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鉛酸蓄電池2.035~4050400~1000技術(shù)成熟、價(jià)格低、溫度特性好比能量和比功率較低、壽命短鋰離子電池3.61103001000以上比能量大、壽命長(zhǎng)成本高聚合物鋰電池3.8150315大于300比能量大、電壓高、超薄化成本高磷酸鐵鋰電池3.2100——可達(dá)2000壽命長(zhǎng)、安全性好體積大超級(jí)電容——小1000萬(wàn)次以上比功率大、壽命超長(zhǎng)比能量小根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以知道鋰電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，而相對(duì)來(lái)說(shuō)磷酸鐵鋰電池更適合在純電動(dòng)方程式賽車中使用，其具有質(zhì)量輕、對(duì)環(huán)境好、放電倍率大、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。表2—2鋰電池的幾種典型正極材料的特性比較鈷酸鋰鎳鈷錳錳酸鋰磷酸鐵鋰振實(shí)密度g/2.8~3.02.0~2.32.2~2.41.0~1.4比表面積/g0.4~0.60.2~0.40.4~0.812~20克容量mA.h/g135~140155~165100~115130~140電壓平臺(tái)V3.63.53.73.2原材料，成本缺乏，很高缺乏，高很豐富，很低很豐富，低廉安全性能差較好良好優(yōu)秀適用領(lǐng)域小電池小電池/小型動(dòng)力電池動(dòng)力電池動(dòng)力電池/超大容量電源根據(jù)表2—2中的數(shù)據(jù)可知，磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池是最適合使用在電動(dòng)汽車上的，它具有安全性好、成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電特性好、環(huán)保性好、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。所以在純電動(dòng)方程式賽車蓄電池的選擇上，我們選擇了磷酸鐵鋰電池。電池容量的計(jì)算根據(jù)方程式汽車大賽規(guī)則可知，賽車需參與的動(dòng)態(tài)項(xiàng)目分別為：八字繞環(huán)、直線加速、耐久賽以及制動(dòng)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試，總的行駛里程大約為25km。但為保證賽車能順利完成所有的比賽項(xiàng)目以及考慮電池壽命、整車重量，蓄電池必須能提供賽車不低于60km續(xù)駛里程的能量?？紤]賽道上的不確定性工況，所以我們將以最大工況去選擇的電池容量。賽車以最高時(shí)速行駛60km所需的時(shí)間為0.375h。由2.2.1.1可知賽車以120km/h行駛時(shí)所需的功率P為12.44KW。所以：I=PV=12240312=39.87A賽車行駛60KM所需的電池容量為：（2―2）賽車行駛60km所需的電池總能量為：W=P×T=P×ST=12.44×60120=6.22kwh電池?cái)?shù)目的選擇根據(jù)電機(jī)電壓、所需電池容量，初步選擇了質(zhì)量輕、體積小、放電電流大的F12體系電池中的63155225P作為純電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力電池。圖2―163155225P電池●額定電壓：3.2V；

●額定容量：12Ah；

●電池質(zhì)量：370g；

●內(nèi)阻(1kHzAC)：2mΩ；

●最大持續(xù)放電電流：120A；

●脈沖放電：180A，10s；

●1C放電，100％DOD：循環(huán)壽命超1000次；

●存儲(chǔ)溫度：－10～60℃；

●工作溫度：－20～60℃；

●單體脈沖充電/放電截止電壓：3.65~2.5V；純電動(dòng)方程式賽車電池組的選擇需要滿足電機(jī)額定電壓、賽車行駛所需的電量以及賽車動(dòng)力性。電機(jī)額定電壓為312V，電池組的總電壓應(yīng)該與之相匹配；賽車行駛所需電量為19.94Ah，電池組的總電量必須大于它；考慮到賽車啟動(dòng)、加速所需的電流非常的大，特別是電機(jī)的啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的4~7倍，所以電池組的持續(xù)最大放電電流必須達(dá)到電機(jī)的啟動(dòng)電流。綜合考慮，我們選擇使用196個(gè)63155225P單體電池，通過(guò)每2個(gè)單體并聯(lián)成一個(gè)小電池模塊，再串聯(lián)起來(lái)的連接方式，組成整個(gè)電池組。這種連接方式可以較好的減低某一電池單體損壞而導(dǎo)致整個(gè)電池模塊不工作的風(fēng)險(xiǎn)（全串聯(lián)）。2.2BMS電池管理系統(tǒng)2.2.1BMS系統(tǒng)概述鋰電池具有能量密度高、功率密度大和循環(huán)使用壽命方長(zhǎng)三大方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使其成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)純電動(dòng)汽車動(dòng)力能源的首要選擇選。鋰電池現(xiàn)在的循環(huán)壽命，很多公司都可以穩(wěn)定的設(shè)計(jì)到1500次以上，但由于在新能源汽車中電池單體串并聯(lián)成組使用時(shí)，所有單體動(dòng)態(tài)性能的具有一定的差異性，使得各單體電池在工程運(yùn)用中工作電壓變化、容量、能量、內(nèi)阻等方面在使用過(guò)程中慢慢產(chǎn)生性能差別，而最后導(dǎo)致實(shí)際使用壽命不到該單體原來(lái)循環(huán)壽命的二分之一。確保鋰電池各方面性能穩(wěn)定，保證電池絕對(duì)的使用壽命。必須通過(guò)BMS電池管理系統(tǒng)對(duì)電池單體進(jìn)行合理化、實(shí)用化管理和控制。電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，從而預(yù)測(cè)電池的容量，避免電池出現(xiàn)過(guò)放電、過(guò)充電、過(guò)熱和單體電池之間嚴(yán)重不平衡等狀況。[2]電池管理系統(tǒng)影響著電池組的優(yōu)化使用、性能安全可靠、整車的安全行駛，電池能量管理策略，充電方式的選擇，以及汽車運(yùn)行成本，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分之一。當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所有新能源汽車都安裝有BMS電池管理系統(tǒng)。2.2.2純動(dòng)電動(dòng)汽車大賽對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求：電池管理系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作或動(dòng)力電池充電時(shí)，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行監(jiān)控。電池管理系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量每塊電池電壓，從而保證電壓處于動(dòng)力電池的參數(shù)表中合理數(shù)值。如果是并聯(lián)電路的話，只需要測(cè)量一個(gè)電池單體的電壓；電池管理系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量動(dòng)力電池的臨界溫度值；電池管理系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的電池或電池組溫度，被監(jiān)測(cè)單體數(shù)目必須達(dá)到30%，監(jiān)測(cè)的電池單體已被均勻地分布在電池盒；電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到動(dòng)力電池達(dá)到臨界溫度值時(shí)，必須馬上切斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?？紤]到電池的不一致性和汽車電池箱布局的動(dòng)態(tài)性能，結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則，每個(gè)電池堆電壓必須低于120VDC，同時(shí)需要對(duì)不少于30%的電池單體（均布于電池箱內(nèi)）進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。2.2.3BMS功能與技術(shù)指標(biāo)要求表2—3編號(hào)項(xiàng)目參數(shù)1電池組容量24Ah2串并聯(lián)形式串聯(lián)（2并*98串/3箱）3電池額定電壓313.6V（單體3.2V）4電池箱數(shù)3箱（共98串，中間箱1#箱26串；左邊箱2#箱36串；右邊3#箱36串。）左邊2#箱放主控盒，出電池組總正，右邊3#箱出電池組總負(fù)。5BMS防護(hù)等級(jí)防塵、防潮、IP326電氣原理圖見(jiàn)附件17BMS供電電源DC24V（－20%，＋20％）8溫度采樣點(diǎn)數(shù)3個(gè)\每從控模塊9溫度傳感器布局3個(gè)按從控模塊分配分布在電池箱體內(nèi)10電流檢測(cè)范圍-300A~+300A（最大持續(xù)輸出電流90A，最大輸出電流180A/30S）11總電壓檢測(cè)精度<±1V12單體電壓精度<±5mV13溫度檢測(cè)精度<±1℃14電流檢測(cè)精度≤1%（20%-100%量程范圍）/≤2%（0-20%量程范圍）15SOC估算精度≤6%（SOC：0-30%和80%-100%）/≤8%（SOC：30%-80%）/≤2%（實(shí)驗(yàn)）16均衡電流0-5A（可設(shè)定,系統(tǒng)出廠已設(shè)定為2A）17BMS電源極性反接有保護(hù)，電源激活18單體電壓采樣周期≤100ms19溫度采樣周期≤500ms20電流采樣周期≤100ms21通信接口支持與整車和鐵城充電機(jī)的CAN通信及電池管理系統(tǒng)自身診斷。整車通訊協(xié)議鹿山學(xué)院與科列直接對(duì)接。預(yù)留鐵城和普天充電機(jī)通訊協(xié)議。22電池輸出端口同口，充電和放電共同使用電池的一個(gè)輸出端圖2—2磷酸鐵鋰電池組電池組由98串兩并通過(guò)這樣的連接方式，整個(gè)電池組的總電壓為：V=3.2×98=313.6v（2―4）電池容量為：C=Q×n=12×2=24Ah（2―5）最大持續(xù)放電電流為：I=i×n=120×2=240A（2―6）電池組總能量為：W=V×C=313.6×24=7.52kwh（2―7）經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，電池組的放電電流基本達(dá)到了賽車瞬間啟動(dòng)的高速要求，總能量也能保證順利完賽。2.3電池箱體2.3.1電池箱概述可以容納多個(gè)電池單體的部件,且具有絕緣、防水、抗壓、防碰撞、通風(fēng)散熱等功能的裝置我們稱之為電池箱。電池箱體的要求為了實(shí)現(xiàn)能源管理，電池，電池組件必須安裝在電池箱體內(nèi)部，電池箱體應(yīng)該滿足以下條件：電池箱表面必須保證絕對(duì)密封。除了必要的散熱進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口外，箱體其他部分都不能與外部空氣相通。對(duì)于電池箱顳部的要求主要考慮電池箱冷卻系統(tǒng)氣流的走向問(wèn)題，不能再某個(gè)位置，避免冷卻系統(tǒng)工作是造成電池箱內(nèi)部模塊間工作溫度不一樣，從而導(dǎo)致電池單體性能進(jìn)一步的惡化；電池箱體設(shè)設(shè)計(jì)布置應(yīng)該與電池模塊設(shè)計(jì)布置箱配合。當(dāng)散熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，冷卻風(fēng)扇能夠充分對(duì)電池箱內(nèi)部各個(gè)模塊進(jìn)行散熱，箱體內(nèi)不能存在氣流的“死區(qū)”和構(gòu)成渦流狀況，確保電池箱內(nèi)個(gè)模塊工作過(guò)程中溫度均衡、性能溫度，防止出現(xiàn)電池箱體內(nèi)部分模塊提早損壞；電池箱應(yīng)絕緣實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部電池，絕緣本體，以防止電池體與絕緣電阻低，影響系統(tǒng)運(yùn)行，不安全的事故；降低電池自放電條件下電池模塊的安裝條件；電池箱要由機(jī)械性能強(qiáng)的材料制做；電池箱材料必須要防火，達(dá)到UL94-V0，F(xiàn)AR25或同等認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。2.3電池箱體材料的選型圖2―3工業(yè)PC材料(1)工業(yè)PC耐沖擊性：耐力板的沖擊力最大達(dá)到3kg/cm，PC耐力板的沖擊強(qiáng)度是普通玻璃的250-300倍，是亞克力板材的20-30倍，是鋼化玻璃的2倍，幾乎沒(méi)有斷裂的危險(xiǎn)性。用3kg錘以下兩米墜下也無(wú)裂痕，有“不碎玻璃”和“響鋼”的美稱。耐燃性：耐力板本身不自燃并具有的自熄性。符合歐盟ROHS指令及嚴(yán)格的UL安裝規(guī)范，UL94防火等級(jí)達(dá)到V0級(jí)、V2級(jí)、HB級(jí)。PC板自身燃點(diǎn)是580攝氏度，離火后自熄，燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，不會(huì)助長(zhǎng)火勢(shì)的蔓延。耐熱性、耐寒性：在攝氏度-40至+130溫度范圍內(nèi)不會(huì)引起變形等品質(zhì)劣化。PC板在-100時(shí)不會(huì)發(fā)生冷脆，在137.3時(shí)不會(huì)軟化，在惡劣的環(huán)境中其中力學(xué)，機(jī)械性能等均無(wú)明顯變化。輕硬性：重量輕，只有玻璃的一半，丙烯酸板的1/3，良好的適應(yīng)性和安全性，便于搬運(yùn)、鉆孔、截?cái)喟惭b時(shí)，不易斷裂，施工簡(jiǎn)便安全。(2)鋁合金材料特性圖2―4工業(yè)鋁板質(zhì)輕且柔軟。鋁的實(shí)際密度是2171g/cm3,大概是三分之一的鋼才密度(7187g/cm3);楊氏模量也約為鋼的三分之一。強(qiáng)度好。純鋁的抗拉強(qiáng)度約為80MN/m2，是低碳鋼的五分之一。但經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化及合金化強(qiáng)化,其強(qiáng)度會(huì)大幅增加。如鋁合金車體常用的材質(zhì)6005A—T6，它的最低抗拉強(qiáng)度為360MN/m2,能達(dá)到低碳鋼相應(yīng)的強(qiáng)度值。耐蝕性能好。鋁合金的特性之一是接觸空氣時(shí)表面會(huì)形成一層致密的氧化膜，這層膜能防止腐蝕，,所以耐蝕性能好。若再對(duì)其實(shí)施“氧化鋁膜處理法，就可以全面防止腐蝕。根據(jù)電池箱的性能要求，對(duì)于材料的選擇達(dá)到以下條件：eq\o\ac(○,1)輕量級(jí)的考慮，強(qiáng)度，可焊性，擠出加工，維護(hù)好；eq\o\ac(○,2)使用壽命達(dá)到耐腐蝕，高表面處理要求；eq\o\ac(○,3)從生產(chǎn)效率考慮，焊接，高的成型加工。圖2―5工業(yè)PC材料（3）鐵板特性鐵的相對(duì)原子質(zhì)量56純鐵具有銀白色金屬光澤；有良好的延展性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；密度為7.86克/厘米3；熔點(diǎn)為1535℃，沸點(diǎn)為2750℃；比熱容為460J/（Kg*℃）；純鐵是軟的，但如果是鐵和其他金屬或雜質(zhì)摻雜鐵合金，低熔點(diǎn)，硬度增加，在雜質(zhì)或合金性能的具體外觀。在干燥的空氣和氧氣反應(yīng)的鐵是很困難的，但它在潮濕的空氣中易受腐蝕，如果酸氣或在鹽水或鹵素蒸氣大氣腐蝕速度。綜合工業(yè)PC板、鋁板、鐵板的各方面性能及滿足2014年大賽規(guī)則的前提下，“鹿山電動(dòng)2號(hào)”所選用的電池單體材料為工業(yè)PC板。2.4散熱系統(tǒng)2.4.1散熱系統(tǒng)的概述動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主要儲(chǔ)能元件，由于汽車上的裝載空間有限，在使用大容量、高功率電池時(shí)。車輛在運(yùn)行速度高，加速，減速和其他的駕駛條件下，在不同的放電率的蓄電池放電，產(chǎn)生大量的熱量。由于電池單體密集布置，導(dǎo)致中間區(qū)域聚集熱量，使電池包單體之間溫度不均衡。長(zhǎng)時(shí)間累積，會(huì)導(dǎo)致部分電池單體過(guò)充電或者過(guò)放電，影響電池的整體壽命。從散熱系統(tǒng)通過(guò)采集電池單體工作時(shí)溫度，通過(guò)空氣、水或者相變介質(zhì)對(duì)電池包進(jìn)行通風(fēng)散熱，保障電池系統(tǒng)正常溫度運(yùn)行，使電池發(fā)揮最佳性能和壽命。2.4.2散熱介質(zhì)目前國(guó)內(nèi)電池散熱傳熱介質(zhì)主要分為三種：氣體、液體、相變材料。2.4.3散熱方式的選擇以空氣作為傳熱介質(zhì)以空氣作為介質(zhì)對(duì)電池組進(jìn)行散熱，是通過(guò)氣體和電池表面進(jìn)行對(duì)流換熱，對(duì)流換熱分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱，自然對(duì)流散熱是通過(guò)空氣的自然流動(dòng)和電池表面進(jìn)行交換熱量，強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式是通過(guò)風(fēng)扇等措施來(lái)強(qiáng)迫電池表面空氣流動(dòng)，對(duì)電池進(jìn)行散熱，為了增加散熱效果，有些通過(guò)抽取車廂內(nèi)的冷空氣對(duì)電池進(jìn)行散熱，圖2―6是以空氣為介質(zhì)的散熱結(jié)構(gòu)示意圖。圖2―6空氣介質(zhì)散熱結(jié)構(gòu)液體作為散熱介質(zhì)液體作為傳熱介質(zhì)分為兩類：一類是直接與電池表面進(jìn)行接觸，這種液體是不具導(dǎo)電性，如油等；一類是不直接與電池接觸，和電池之間有管道，里面的物質(zhì)可以使導(dǎo)電的，如防凍液等。直接與電池的接觸的物質(zhì)，一般粘度較大，需要較高的傳動(dòng)功率使其流動(dòng)，不直接與電池接觸，就會(huì)降低傳熱效率，同時(shí)也增加了重量，圖2―7是液體作為傳熱介質(zhì)的示意圖。圖2―7液體散熱結(jié)構(gòu)圖相變材料作介質(zhì)相變材料作為冷卻介質(zhì)，相變材料上涂覆表面的電池，電池表面溫度較高時(shí)，當(dāng)相變材料，相變，熱的吸收，降低電池的表面溫度，實(shí)踐證明，當(dāng)電池表面溫度在40-45℃，利用相變材料作為散熱介質(zhì)，其散熱效果比空氣要好，目前所使用的相變材料是石蠟添加些添加劑，石蠟的相變溫度在電池工作溫度附近，且成本較為低廉，但是石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低。圖2―8是相變材料圖，表2―3總結(jié)了不同散熱介質(zhì)的散熱特點(diǎn)。圖2―8是相變材料圖表2―4為不同散熱介質(zhì)的特點(diǎn)散熱介質(zhì)粘度系數(shù)接觸與否難易程度散熱效果成本液體（接觸）高是難較高較高空氣底是容易較低低液體（不接觸）較低否難高高相變材料是容易較高較高國(guó)內(nèi)目前電池裝置常用的有兩種散熱方式：并行散熱方式和串行散熱方式。它們結(jié)構(gòu)如圖2―9、2―10。圖2―9為并行通風(fēng)形式圖2―10為串行通風(fēng)形式進(jìn)氣口BMS電池管理系統(tǒng)，它在充電、放電過(guò)程中都會(huì)存在工作狀態(tài)的可能，就是它應(yīng)該具備全面工作的條件。所以針對(duì)電池管理系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的空氣入口，它的選擇是非常重要的。它即要保證進(jìn)入電池裝置內(nèi)的空氣保持干凈清潔。如果在防塵和防水相關(guān)措施做得不夠完善，那么會(huì)有灰塵顆粒和雨水將會(huì)進(jìn)入電池箱內(nèi)部，這樣會(huì)造成電池模塊間的漏電的可能性，電池箱與帶電底盤的絕緣阻值的下降，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)情況下會(huì)造成電池模塊間出現(xiàn)短路故障，這種情況是非常危險(xiǎn)的。此時(shí)電池管理系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出相關(guān)命令，迫使賽車停止行駛或停止充方電，從而影響車輛的運(yùn)行。排氣口電池裝置冷卻系統(tǒng)排氣口的選擇非常重要的，因?yàn)榕艢饪谀芊窈侠淼牟贾弥苯佑绊戨姵叵鋬?nèi)散熱風(fēng)扇的工作性能，我們需要選擇得正確會(huì)并能夠充分發(fā)揮冷卻風(fēng)扇的性能。散熱系統(tǒng)根據(jù)傳熱學(xué)理論，固體與氣體，固體與液體接觸產(chǎn)生傳熱現(xiàn)象。氣體的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有液體的對(duì)流換熱系數(shù)大，液體和固體接觸對(duì)流換熱能力更強(qiáng)。[5]傳熱系數(shù)越大所交換的熱量越多，換熱效果就越明顯，因此要選擇合適的傳熱介質(zhì)。[5]各種傳熱現(xiàn)象的傳熱系數(shù)范圍如表2―5所示。表2―5傳熱現(xiàn)象的傳熱系數(shù)范圍對(duì)流散熱問(wèn)題的類型h/[w/(m*m*k)]自然對(duì)流換熱：氣體2-25液體50-1000強(qiáng)迫對(duì)流換熱：氣體20-250液體50-25000相變對(duì)流換熱：沸騰2000-50000凝結(jié)2000-100000使用液體作為傳熱介質(zhì)，需要考慮導(dǎo)電性，安全性，還有密封性，以及以后的維修方便性，還要考慮到電池包整體的重量。相變材料(例如液體石蠟)的傳熱蓄熱能力最強(qiáng)，且在達(dá)到相變溫度時(shí)可以大量吸熱或放熱而不升溫降溫。通過(guò)選用合適的相變材料能夠使電池單體有效地達(dá)到熱平衡，很好地控制電池溫度上下限，避免產(chǎn)生溫度過(guò)高過(guò)低現(xiàn)象。但是考慮到材料的研發(fā)、制造成本等問(wèn)題，目前最有效且最常用的還是采用空氣作為散熱介質(zhì)。目前多采用的空冷主要有并行和串行兩種通風(fēng)方式，如圖2―9圖2―10所示。這就要求在電池包結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)相應(yīng)導(dǎo)風(fēng)口，盡量減小空氣流動(dòng)阻力，保證氣流的均勻性。串行情況下一般是使空氣從電池包一側(cè)流往另外一側(cè)，從而達(dá)到帶走熱量的效果。因此氣流會(huì)將先流過(guò)的地方的熱量帶到后流過(guò)的地方，從而導(dǎo)致兩處溫度不一致且溫差較大。而并行情況下模塊間空氣都是直立上升氣流。這樣能夠更均勻地分配氣流，從而保證電池包中各處散熱一致。在設(shè)計(jì)電池包散熱加熱系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮各因素?？梢钥闯觯翰捎脷怏w(空氣)作為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)，成本較低；不足之處在于：與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻速度慢，效率低。目前應(yīng)用較多。采用液體作為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快；不足之處在于：密封性要求高，重量相對(duì)較大，維修和保養(yǎng)復(fù)雜，需要水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。采用相變材料的主要優(yōu)點(diǎn)有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快，效率高，還能一定程度上控制溫度上下限；不足之處在于：研發(fā)制造成本高。2.5本章小結(jié)本章主要對(duì)電池裝置部件的概述及“鹿山電動(dòng)2號(hào)”賽車電池裝置的相關(guān)選型，通過(guò)參考及收集國(guó)內(nèi)外資料，讓我對(duì)電池裝置有了更深入的了解和認(rèn)識(shí)，更加堅(jiān)定的確定自己的設(shè)計(jì)思路。3獨(dú)立模塊式電池裝置的設(shè)計(jì)3.1方案論證：3.1.1FSEC電池裝置方案對(duì)比分析純電動(dòng)方程式賽車獨(dú)立模塊式電池裝置研制主要考慮箱體材料、絕緣、放水及散熱充分的同時(shí)，使電池包、電池管理系統(tǒng)獨(dú)立布置，方便拆裝、更換。以國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)方程式賽車電池裝置比較，從前確定獨(dú)立模塊式電池裝置的布置方案。圖3―1德國(guó)斯圖加特大學(xué)電池裝置圖3―2德國(guó)斯圖加特大學(xué)高壓附件布置這種布置方案是將電池包、電池單體采集模塊、高壓側(cè)布獨(dú)立布置。而箱體的制作時(shí)采用工業(yè)PC材料通過(guò)熔模鑄造而成。它的優(yōu)點(diǎn)是模塊獨(dú)立分開，方便拆裝維護(hù)，減少高低及通訊干擾，而用工業(yè)PC材料可以輕量化的目的。但唯一不足就是電池箱箱的制造成本過(guò)高，就目前國(guó)內(nèi)技術(shù)制造單個(gè)箱體費(fèi)用高達(dá)2萬(wàn)元人民幣。圖3―3西澳大利亞大學(xué)純電動(dòng)方程式賽車電池裝置這種布置方案是直接用鋁制角鋼及工業(yè)PC板加工而成，它同樣擁有斯圖加特大學(xué)電池裝置輕量化、獨(dú)立式、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，且制造成本方面充分降低！圖3―4“鹿山電動(dòng)1號(hào)”賽車電池箱圖3―5“鹿山電動(dòng)1號(hào)”賽車采集模塊由于國(guó)內(nèi)再電池、電池管理系統(tǒng)方面的技術(shù)尚未成熟，存在著電池體積過(guò)大，重量重、采集模塊過(guò)多等特點(diǎn)，而這次密集的布置方案的缺點(diǎn)是占用空間過(guò)多、各模塊之間未獨(dú)立分開，導(dǎo)致維護(hù)及拆裝的困難。而且用1.5mm厚度的鋼板折邊焊接而成，雖然再一定程度上提高了電池箱的碰撞、抗壓強(qiáng)度，但相比PC、鋁板而言，卻但來(lái)了2倍以上的重量，這無(wú)疑給整車的輕量化方面帶來(lái)負(fù)擔(dān)。由于中國(guó)首屆FSC大賽在2013年才開始舉辦，各方面的設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)相比落后于美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家。國(guó)外設(shè)計(jì)的電池模塊體積空間小，并將電池管理系統(tǒng)控制模塊分開布置在電池箱內(nèi)，即保證了結(jié)構(gòu)分布的合理性，而他們所選擇的電池箱材料是工業(yè)PC復(fù)合材料，具有良好的韌性、強(qiáng)度，并且具有良好的絕緣性能、阻燃性。密度是鋼的1/3，很大程度提高賽車的輕量化設(shè)計(jì)。3.2確定獨(dú)立模塊式電池裝置方案我們?cè)O(shè)計(jì)的純電動(dòng)方程式賽車獨(dú)立模塊式電池裝置的研制，在箱體的材料上面我們使用日本進(jìn)口的工業(yè)PC耐力板，電池包、BMS主控模塊、采集模塊與高壓側(cè)獨(dú)立開來(lái)，而我們所選的散熱系統(tǒng)散熱方式為并行強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱方式。這樣更有利于整車重量的減輕，而且便于電池裝置的維護(hù)、拆裝。3.3電池箱體設(shè)計(jì)今年的電池箱體設(shè)計(jì)方面，再滿足規(guī)則的前提下我們既要保證電池箱體絕緣、防水、密封等問(wèn)題，也要充分考慮到電池箱體的空間使用率，減小電池箱體容積且保證電池單體與管理系統(tǒng)的簡(jiǎn)便布置。3.3.1A、B箱設(shè)計(jì)（1）箱體外形設(shè)計(jì)2013年首屆純電動(dòng)方程式汽車大賽，我們使用的電池箱布置形式是長(zhǎng)方體類型，并將主接觸器、霍爾傳感器、預(yù)充電電路與采集模塊一起布置于采集模塊支撐板上方，模塊的實(shí)際高度尺寸為40mm,而主接觸器的實(shí)際高度達(dá)到74mm,就直接加大了電池箱的高度，這樣直接影響電池框的實(shí)際尺寸和車身側(cè)翼的空間，所以我們?cè)诮衲甑脑O(shè)計(jì)方案上，根據(jù)BMS電池管理系統(tǒng)和電池包采集線束的實(shí)際規(guī)格長(zhǎng)度，將主接觸器、霍爾傳感器、保險(xiǎn)絲、預(yù)充電元件布置在側(cè)面，將BMS電池管理系統(tǒng)的主控模塊、從控模塊單獨(dú)布置在支撐板上面。這樣相對(duì)2013年的電池箱高度上可以直接降低35mm。實(shí)際高度:345mm實(shí)際高度:310mm實(shí)際高度:270mm實(shí)際高度:345mm實(shí)際高度:310mm實(shí)際高度:270mm圖3―62013年箱體圖3―72014A箱設(shè)計(jì)實(shí)際高度:310mm實(shí)際高度:270mm實(shí)際高度:310mm實(shí)際高度:270mm圖3―82014B箱設(shè)計(jì)（2）電池管理系統(tǒng)模塊布置設(shè)計(jì)圖3―9原箱模塊布置形式圖3―102014年A、B箱模塊布置形式高壓側(cè)模塊設(shè)計(jì)圖3―11B箱高壓側(cè)模塊設(shè)計(jì)圖3―12A箱高壓側(cè)模塊設(shè)計(jì)3.3.2C箱設(shè)計(jì)箱體外形設(shè)計(jì)實(shí)際長(zhǎng)度:424mm實(shí)際長(zhǎng)度:500mm實(shí)際長(zhǎng)度:424mm實(shí)際長(zhǎng)度:500mm圖3―132013年C箱圖3―142014C箱設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)模塊布置設(shè)計(jì)圖3―152013年C箱模塊布置形式圖3―162014年C箱模塊布置形式3.4空間使用率在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要考慮箱體輕量化，而且必須考慮箱體空間使用率，充分理由箱體的有效空間進(jìn)行布置，保證電池裝置安裝工作的情況下，盡量簡(jiǎn)化箱體的空間。圖3-1為原裝電池箱。圖3―172013電池箱原裝A\B箱容量V1=SH=54.9cm*22.6cm*34.3cm=42557ml=42.6L（3―1）本設(shè)計(jì)A/B電池箱實(shí)際容積:V2=SH=V1+V2=S1H2+S2H2=61.1cm*20.8cm*27.0cm+1/2(10.5cm+208cm)*40=34939mL=34.9L（3―2）容積優(yōu)化：V1-V2=42.6-34.9=7.7L（3―3）圖3―182013年電池裝置C箱原裝C箱容量V1=SH=49.7cm×29.7cm×22.6cm=33359mL≈33.4L（3―4）本設(shè)計(jì)C電池箱實(shí)際容積:V2=SH=49.7cm×29.7cm×22.6cm=30860.94mL≈30.86L（3―5）容積優(yōu)化：V1-V2=33.4-30.86=2.54L（3―6）分析計(jì)算“鹿山電動(dòng)2號(hào)”電池裝置同比2013年賽車電池裝置空間使用率方面明顯提高?？傮w節(jié)省容量：V3=7.7×2+2.54=17.94L（3―7）3.5輕量化設(shè)計(jì)“鹿山電動(dòng)2號(hào)”獨(dú)立模塊式電池裝置在今年設(shè)計(jì)方面，在充分利用空間使用率的同時(shí)，在輕量化方面，我們對(duì)箱體材料進(jìn)行更換。在滿足2014年大賽規(guī)則的前提下，我們使用了日本進(jìn)口的工業(yè)PC板，密度僅為鐵的1/3,經(jīng)過(guò)對(duì)箱體進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和實(shí)物制作，我們的電池裝置同比去年賽車在輕量化方面有了顯著地提高。以下是2013年及2014年電池裝置的實(shí)際重量。圖3―192013年C箱電池裝置重量2013年A/B箱體的實(shí)際重量實(shí)際測(cè)量值為：11.6kg2014年A/B箱體的實(shí)際重量，經(jīng)過(guò)材料的更換及結(jié)構(gòu)上的系統(tǒng)規(guī)劃，2014年賽車電池裝置的重量明顯降低。實(shí)際測(cè)量值為4.8kg同比2013年降低：G1=（11.6-4.8）×2=13.6kg（3―8）圖3―202014年A/B箱電池裝置重量2013年C箱體實(shí)際重量：實(shí)際測(cè)量值：10.3kg圖3―212014年A/B箱電池裝置重量2014年電池裝置的實(shí)際重量：實(shí)際測(cè)量值為：3.2kg，同比2013年降低：G2=10.3-3.2=7.1kg（3―9）圖3―222014年A/B箱電池裝置重量2014年總體重量減輕：G3=13.6+7.1=20.7kg（3―10）3.6散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)2013年“鹿山電動(dòng)1號(hào)”賽車在所有項(xiàng)目中的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，以及后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)所根據(jù)賽車在動(dòng)態(tài)比賽中的數(shù)據(jù)分析，當(dāng)賽車在直線加速動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中，瞬間電池輸出電流高達(dá)154A，而電池管理系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到溫度值僅為24°C-26°C,未達(dá)到電池管理系統(tǒng)所設(shè)置的告警值，而以8A電流充電時(shí)，電池包的溫度也是在27°C-28°C中之間跳動(dòng)。在過(guò)將近去一年的時(shí)間內(nèi)，“鹿山電動(dòng)1號(hào)”賽車的電池裝置也從未因?yàn)殡姵販囟冗^(guò)高而使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此我們結(jié)合去年的后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，在充放電的時(shí)候，電池系統(tǒng)都能正常運(yùn)行。而去年我們所使用的散熱方式正式并行散熱。結(jié)合前面2.4散熱系統(tǒng)系統(tǒng)分析，綜合考慮成本、根據(jù)電池單體發(fā)熱量，保障電池及電池管理系統(tǒng)正常運(yùn)行。2014年“鹿山電動(dòng)2號(hào)”的電池箱散熱方式還是選擇以空氣為介質(zhì)的并行散熱方式。3.6.1“鹿山電動(dòng)2號(hào)”散熱系統(tǒng)排布圖為2014A/B電池箱底部散熱進(jìn)風(fēng)孔，規(guī)格為R2.5*88。結(jié)合去年結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在底座的兩邊各設(shè)計(jì)兩排進(jìn)風(fēng)孔，同比去你多加了40個(gè)進(jìn)風(fēng)孔，提高了散熱系統(tǒng)的散熱效率。圖3-12為A、B箱進(jìn)風(fēng)口（電池箱底部）。圖3―232014年A/B電池箱散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)圖3―242014年A/B電池箱散熱系統(tǒng)出風(fēng)口設(shè)計(jì)圖3―14為“鹿山電動(dòng)2號(hào)”電池包上面的散熱道及電池單體，這種類似于導(dǎo)流糟式的散熱道在電池系統(tǒng)散熱時(shí)，可以充分提高散熱速度，而兩邊的散熱道同時(shí)挺住電池箱體側(cè)板，等同于給電池側(cè)板增加加強(qiáng)肋，提高了電池箱的抗壓強(qiáng)度和碰撞強(qiáng)度。圖3―252014年電池包散熱道設(shè)計(jì)以下為“鹿山電動(dòng)1號(hào)”所使用的動(dòng)力能源--山東潤(rùn)風(fēng)磷酸鐵鋰電池,該電池的在比賽中充分發(fā)揮了其性能，為我們的在比賽中提供了充足的能源保障。它的性能如下表：表2―6電池單體規(guī)格、性能結(jié)合2013年賽車電池箱體所選用的散熱器及在比賽時(shí)的散熱效果，我們“鹿山電動(dòng)2號(hào)”針對(duì)散熱器的選擇還是使用去年的散熱系統(tǒng)，它的各方面性能參數(shù)如下表：表SD3016―24―30性能參數(shù)型號(hào)SD3106-24-30噪音25dba尺寸80*80*15mm重量50g電壓24v壽命40000h功率2.4W接口C出線式風(fēng)量24.30cfm轉(zhuǎn)速2000rmp圖3―26散熱風(fēng)扇3.7放電回路設(shè)計(jì)根據(jù)2014年大賽規(guī)則對(duì)放電回路的要求：如果安全回路斷開，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須通過(guò)斷開所有的AIR來(lái)斷開驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓要在5s內(nèi)（時(shí)間安全回路斷開后算起）降到40VDC或25VACRMS以下。主要是為了保護(hù)車手和艙外人員的安全。電池的額定電壓為312V，高壓從312V降到40V，等于下降87.2%。我們今年所選用的放電電阻是100W，2500Ω的電阻，電機(jī)控制內(nèi)部電容為750μF根據(jù)等效換路定律得：VC(t)=V0(e^-t/RC)（3―11）假設(shè)放電時(shí)間為4S,推出VC(t)=312×e^(-4÷2500×750×10^-6)VC(t)≈37V根據(jù)P=U2/R,求出所需電阻功率為：P=U2/R≈39（3―12）結(jié)論：所選擇的電阻能夠滿足規(guī)則要求，在四秒之內(nèi)是電壓從312V下降到40V以下。圖3―27放電回路原理圖圖3―27放電電阻、繼電器3.8本章小結(jié)本章進(jìn)行了課題的相關(guān)方案論證，通過(guò)對(duì)比確定設(shè)計(jì)方案。結(jié)合2013年大賽各車隊(duì)電池裝置的設(shè)計(jì)，確定了“鹿山電動(dòng)2號(hào)”獨(dú)立模塊電池裝置的布置、空間使用率、輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行具體的計(jì)算。4電池裝置有限元分析4．1電池裝置有限元分析的概述電池裝置散熱分析主要分為抗壓仿真分析、碰撞仿真分析、及流體散熱分析。電動(dòng)賽車電池裝置作為賽車的動(dòng)力能源，它承受著來(lái)自比賽賽道和賽車在各運(yùn)動(dòng)工況所產(chǎn)生的載荷作用，保護(hù)電池箱體已我們?cè)O(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。電池箱體的抗壓強(qiáng)度、碰撞強(qiáng)度也成為我們注意的首要問(wèn)題，而電池箱體內(nèi)部的散熱系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析更成為了我們電動(dòng)賽車領(lǐng)域的重中之重。它直接影響到賽車能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的因素。因此，設(shè)計(jì)出重量較輕又能滿足各方面性能要求的車架結(jié)構(gòu)是賽車設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。隨著賽車性能一年比一年的要求高，電池箱的仿真分析很大程度的影響賽車的行駛和安全性能。所以通過(guò)有限元分析的方法研究電池裝置的結(jié)構(gòu)性能。4.2賽車行駛工況分析行駛工況選擇針對(duì)2013年中國(guó)大學(xué)生方程式襄陽(yáng)賽道路況和“鹿山電動(dòng)2號(hào)”的性能特點(diǎn)，耐久賽總行駛里程為22km，賽道設(shè)有13個(gè)彎道，彎道總長(zhǎng)1440m，E10最高車速為120km/h，行駛期間停車1次，時(shí)間為180s，總花費(fèi)時(shí)間1631s。選擇合適的散熱結(jié)構(gòu)。當(dāng)電池箱在炎熱環(huán)境下工作時(shí)，使電池組在平均散熱。功率下工作溫度與環(huán)境溫差低于5℃，峰值功率下低于10℃，箱內(nèi)溫差低于3℃。研究電池組在平均功率及峰值功率下所需風(fēng)量。分別針對(duì)電池組在不同充放電倍率，不同風(fēng)速下，對(duì)電池組進(jìn)行散熱研究，使電池組在峰值功率下工作不至于過(guò)熱。根據(jù)“鹿山電動(dòng)2號(hào)”電池管理系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)分析，在動(dòng)態(tài)比賽中直接加速脈沖放電電流為160A。由此推出：脈沖電流輸出情況下的功率為：W=UI（4―1）W=312X160=49kW（4―2）結(jié)合2013年耐久賽總花費(fèi)時(shí)間圖4-1并結(jié)合電池管理系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析：圖4―1耐久賽成績(jī)耐久賽所花費(fèi)時(shí)間為：T=1631S=1631÷60÷60=0.45h（4―3）耐久賽所消耗的電荷量為：SOC=100%-75%=25%（4―4）耐久賽所消耗的容量為：C=24Ah×25%=6Ah（4―5）由以上數(shù)據(jù)可推出耐久賽平均放電電流為：I=C÷T=6÷0.45≈13.3A（4―6）所以耐久賽電池平均輸出功率為：W=U×I=312×13.3≈4.15Kw（4―7）磷酸鐵鋰電池溫度特性如下表4―1：表4-1電池單體溫度特性磷酸鐵鋰電池?zé)嵩炊x：在研究電池常溫下恒流工作時(shí)，電池的內(nèi)阻變化范圍不大，接近常數(shù)，在本文中使用常熱源。在電池充電過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng);放電過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到電池充電的電池生熱功率。[6]Φ=I2RZ–IT(dE0/dT)（4―8）Φ=0.66×10-3I2-0.041I（4―9）圖4―2電池以13.3A放電時(shí)電池箱內(nèi)部的溫度云圖圖4―3電池單體表面溫度超過(guò)四級(jí)警告值溫度云圖圖4―4出風(fēng)口風(fēng)速為1m/S流道流線圖圖4―5出風(fēng)口風(fēng)速為3m/S流道流線圖圖4―5出風(fēng)口風(fēng)速為5m/S流道流線圖綜合2013年“鹿山電動(dòng)2號(hào)”在賽道上實(shí)際充放電情況，我們分別對(duì)電池箱在耐久賽中的平均放電電流13.3A，直線加速時(shí)的最大脈沖電流160A，進(jìn)行單體散熱分析。并通過(guò)ANSYS流體仿真進(jìn)行散熱出風(fēng)口風(fēng)速流線分析，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證“鹿山電動(dòng)2號(hào)”散熱系統(tǒng)使用風(fēng)速為5m/s的風(fēng)扇能滿足散熱系統(tǒng)的性能要求。所選風(fēng)扇風(fēng)量CFM的計(jì)算公式如下：[7]CFM=35.3146×60×S×V式中S為圓形出風(fēng)口的面積（m2）,V為散熱出風(fēng)口圓形面積中各點(diǎn)的平均風(fēng)速（m/s）,由以上公式可計(jì)算出散熱系統(tǒng)風(fēng)扇所需要的風(fēng)量為：CFM=35.3146×60×3.14×0.036×0.036×5=43cfm實(shí)際分散風(fēng)量為：24.3cfm×2=48.6cfm,所選散熱風(fēng)扇滿足電池散熱要求。4.3側(cè)邊碰撞強(qiáng)度校核：根據(jù)本電池箱體材料屬性，日本進(jìn)口的工業(yè)PC板的最大承受沖擊力可達(dá)到3kg/cm2電池箱的側(cè)面面積為：分別在箱體的端面和側(cè)面施加5000N的碰撞力F1，箱體未發(fā)生形變。證明箱體安全可靠。碰撞效果如圖4―6、4―7所示。圖4―6端面碰撞分析圖4―7側(cè)面碰撞分析4.4本章小結(jié)本章主要對(duì)電池裝置進(jìn)行散熱系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析及側(cè)邊防撞分析，通過(guò)仿真軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。5總結(jié)與展望5.1總結(jié)電池裝置承載著這個(gè)賽車的動(dòng)力能源，是保證賽車是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、是否能順利完成比賽的決定性因素。研究與設(shè)計(jì)電池裝置要滿足中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的規(guī)則要求，即要結(jié)合實(shí)際，保證電池裝置絕緣、防水、密封、碰撞強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，更要保障電池裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔獨(dú)立，方便日常維護(hù)和拆裝和良好的散熱性。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書主要完成了以下的研制與設(shè)計(jì)工作:第1章介紹大學(xué)生方程式汽車大賽的比賽性質(zhì)和發(fā)展歷史，同時(shí)引出了電動(dòng)方程式汽車大賽，其中我主要對(duì)目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)方程式賽車電池裝置的結(jié)構(gòu)、材料、輕量化、和散熱性能進(jìn)行對(duì)比分析。以及針對(duì)2013年首屆中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽中各賽車電池裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)目前市場(chǎng)現(xiàn)狀，在滿足規(guī)則的前提下，對(duì)幾種箱體材料進(jìn)行對(duì)比。并總結(jié)本次課題的意義。第2章研主要對(duì)電池裝置的概念、所包含的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。系統(tǒng)介紹2014年“鹿山電動(dòng)2號(hào)”電池單體的選型，根據(jù)賽車在比賽中的項(xiàng)目，和賽道的長(zhǎng)度，我們進(jìn)行了相關(guān)匹配。其次，我們也確定了2014年“鹿山電動(dòng)2號(hào)”電池管理系統(tǒng)的選型，前提是它滿足規(guī)則的要求，能夠比較穩(wěn)定的控制電池。接著國(guó)外一些車隊(duì)的電池裝置進(jìn)行分析對(duì)比，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)材料屬性進(jìn)行綜合評(píng)估，對(duì)“鹿山電動(dòng)2號(hào)”純電動(dòng)賽車中的研制一款全新的電池裝置，充分保證空間使用率、及實(shí)現(xiàn)箱體輕量化設(shè)計(jì)。第3章對(duì)獨(dú)立模塊式電池裝置的研制。首先進(jìn)行方案論證，結(jié)合去年的賽車進(jìn)行實(shí)際對(duì)比分析。從而確定了2014年“鹿山電動(dòng)2號(hào)”賽車獨(dú)立模塊式電池裝置的方案。針對(duì)對(duì)BMS采集模塊布置、電池包布置、繼電器高壓附件的布置、散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及風(fēng)扇的布置確定了新的方案。在滿足2014年中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽規(guī)則的前提下，保證電池裝置正常穩(wěn)定工作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)完善箱體空間使用率和電池裝置的輕量化設(shè)計(jì)。第4章針對(duì)所設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)、風(fēng)扇的布置位置，進(jìn)行了散熱系統(tǒng)有限元分析。并對(duì)電池裝置側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞強(qiáng)度校核分析。確定整個(gè)裝置安全可靠。本次對(duì)電池裝置進(jìn)行實(shí)物研制，讓我獲益匪淺。從鞏固了新能源電動(dòng)汽車能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)