FSEC电动赛车动力电池热管理系统研究

近几年随着全球范围内新能源汽车发展的新形势,大学生纯电动方程式汽车大赛(Formula Student Electric China,FSEC)逐渐在赛车运动中得到广泛的推广,尤其在高校中最为流行。纯电动赛车因运动的极限性和极端恶劣的赛事工况,其动力电池系统极易出现过热或散热不良现象,而电池热管理的研究与应用正好可有效的改善这一问题,提高赛车安全性和可靠性。而这之前,很少有结合FSEC的动态工况对电动赛车的电池系统进行深入的研究。因此本文将以纯电动赛车的钴酸锂动力电池系统为研究对象,结合FSEC动态赛况,通过设计合理的电池热管理系统,确保电池始终工作于能量利用率最高的温度范围内,从而提高赛车的安全性。本文首先从电池的生热机理研究入手,分析了电池生热量的来源,并建立了三维电池热模型和简化的Bernardi生热速率模型,采用理论估算手段获取了电池等效热物性参数。搭建了电池内阻试验平台,通过试验测试获取了电池的等效内阻数据,为后文的电池热特性的分析奠定了基础。基于传热与散热基本理论定性的分析了电池内部生热的换热过程,利用ANSYS/thermal有限元热分析软件对电池单体在FSEC动态工况下的温度特性进行了仿真分析。自主设计了温度采集系统,并搭建电池组温度测试实验台用来监测电池表面的温度变化情况。对比分析仿真结果与试验测试数据,结果表明温度的变化过程吻合良好,最大误差不超过8%,验证了本文建立的电池热模型以及热参数的准确性和适应性。以节能与轻量化为原则,对电动赛车动力电池系统完成了容量需求与参数匹配的计算。根据热力学理论确定了电池组在FSEC动态赛工况的散热需求,并基于FSEC规则要求以及整车布置完成了电池箱散热系统的初步设计。采用了正交试验设计法以散热风机位置、电池组排布等为主要影响因素,以降低电池箱内最高温度为前提,最大化降低温差为目标优化了电池散热系统的结构,并建立了ANSYS/Icepak参数化的电池箱仿真模型,仿真结果表明本文的最大温差减小了40%。最后进行了实体的加工与制造并完成了电池箱的组装,对比试验测试数据与仿真结果发现吻合良好,最大误差不超过2℃,表明本文设计的电池箱散热系统可保证赛车的电池系统在FSEC中散热性能良好,同时满足了赛车安全性要求,对未来方程式电动赛车的设计与开发具有一定的指导意义。