FSEC赛车动力电池箱内部结构布置与优化设计

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0141

摘要/Abstract

摘要：

在中国大学生电动方程式大赛(简称FSEC)中，动力电池箱作为赛车的核心，其内部的结构布置与整体设计尤为重要。在选取新箱体材料的基础上，利用Simulink对赛车进行动力系统仿真确定电池模组容量，然后用CATIA对赛车动力电池箱内部各部件进行精确建模，并且通过ANSYS对电池箱产热散热进行分析，最后再利用CATIA电池箱进行整体设计并优化内部布置。并对成品电池箱进行强度、散热、动力性、耐久性等试验测试，验证了设计的有效性。通过以上过程在确保动力电池系统的散热效率及可靠性和安全性的基础上，改进了动力电池箱内部结构的布局使得动力电池箱的空间利用率大大提高，电池包成组效率达到了0.723，实现了对动力电池包乃至整车的轻量化设计。

关键词: 动力电池箱, 方程式赛车, 动力电池系统, 结构设计, 轻量化

Abstract:

In Formula Student Electric China (referred to as FSEC), the power battery box is the core of the car and its internal structural layout and design are very important. Based on selecting the new box material, Simulink was used to simulate the power system of the racing car to determine the capacity of the battery module, followed by the use of CATIA to accurately model the internal components of the racing car power battery box and to analyze the heat generation and heat dissipation of the battery box through ANSYS. Finally, CATIA battery box was manipulated to carry out the overall design and optimize the internal layout. The strength, heat dissipation, power, and durability of the finished battery box were tested to verify the effectiveness of the design. Based on ensuring the heat dissipation efficiency, reliability, and safety of the power battery system, the layout of the internal structure of the power battery box are improved through exploiting the above procedures so that the space utilization rate of the power battery box is greatly improved and the group efficiency of the battery pack reaches 0.723; realizing the lightweight design of the power battery pack and even the whole vehicle.

Key words: power battery box, FSEC, power battery system, structural design, lightweight

中图分类号:

U 469.72+2

沈剑, 黄碧雄, 谢兆康, 李嘉寅, 刘宁宁, 贾志强. FSEC赛车动力电池箱内部结构布置与优化设计[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(S1): 31-38.

Jian SHEN, Bixiong HUANG, Zhaokang XIE, Jiayin LI, Ningning LIU, Zhiqiang JIA. Internal structure layout and optimization design of FSEC racing power battery box[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(S1): 31-38.

图/表 20

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参考文献 15

1	孙昱晗. 一种动力电池箱结构设计优化[D]. 长沙: 湖南大学, 2018.
	SUN Yihan. Design and optimization of a power battery box[D]. Changsha: Hunan University, 2018.
2	WANG Yanning. Power battery performance detection system for electric vehicles[J]. Procedia Computer Science, 2019, 154: 759-763.
3	LU Mengyao, ZHANG Xuelai, JI Jun, et al. Research progress on power battery cooling technology for electric vehicles[J]. Journal of Energy Storage, 2020, 27: doi: 10.1016/j.est.2019.101155.
4	FENG Shouhua. System dynamics model for battery recycling of electric vehicles in Anylogic simulation[J]. International Journal of Internet Manufacturing and Services, 2018, 5(4): 405-418.
5	刘成武, 念健. 纯电动汽车动力系统参数匹配及动力性能仿真[J]. 海峡科学, 2010(12): 68-71.
	LIU Chengwu, NIAN Jian. Parameter matching and dynamic functions simulation of electric vehicle power system[J]. Channel Science, 2010(12): 68-71.
6	李浩燃. FSEC纯电动赛车动力系统参数匹配与性能优化研究[D]. 西安: 长安大学, 2019.
	LI Haoran. Study on matching and optimization for power system parameters of FSEC pure electric vehicle[D]. Xi'an: Chang'an University, 2019.
7	刘峰云, 谭子胡, 李学博, 等. 基于EKF的电动方程式赛车动力电池容量试验研究[J]. 汽车实用技术, 2018, 44(11): 9-12.
	LIU Fengyun, TAN Zihu, LI Xuebo, et al. Experimental research on the power battery capacity of an electric formula based on EKF[J]. Automobile Technology, 2018, 44(11): 9-12.
8	何国新. PHEV动力电池系统安全设计与试验研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2016.
	HE Guoxin. Battery system safety design and test study of a PHEV vehicle[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2016.
9	朱楚梅, 康森源. 电动汽车动力电池系统电连接的研究[J]. 汽车电器, 2020(1): 22-24.
	ZHU Chumei, KANG Senyuan. Study on electric connection of EV traction battery system[J]. Auto Electric Parts, 2020(1): 22-24.
10	Formula Student Germany GmbH. Formula Student Rules 2020[EB/OL]. 2020, https://www.formulastudent.de/.
11	蒋正禹, 黄碧雄, 刘宁宁. 方程式赛车动力电池箱结构设计与分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2019, 33(1): 41-46.
	JIANG Zhengyu, HUANG Bixiong, LIU Ningning. Structural design and analysis of formula racing power battery box[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2019, 33(1): 41-46.
12	汪佳农, 赵晓昱. 碳纤维环氧树脂复合材料电池箱的轻量化研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016(12): 99-102+33.
	WANG Jianong, ZHAO Xiaoyu. Lightweight research of carbon fiber/epoxy battery box[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2016(12): 99-102+33.
13	BENABDELAZIZ K, LEBROUHI B, MAFTAH A, et al. Novel external cooling solution for electric vehicle battery pack[J]. Energy Reports, 2020, 6(S3): 262-272.
14	车杜兰, 周荣, 乔维高. 电动汽车电池包热管理系统设计方法[J]. 汽车工程师, 2009(10): 28-30.
	CHE Dulan, ZHOU Rong,QIAO Weigao. Design method of battery thermal management system on EV[J]. Auto Engineer, 2009(10): 28-30.
15	冯勇, 阳林, 邓仲卿, 等. FSE电动赛车动力电池组温度场仿真与分析[J]. 机械与电子, 2015(1): 29-32.
	FENG Yong, YANG Lin, DENG Zhongqing, et al. Simulation and analysis of FSE electric racing car battery pack temperature field[J]. Machinery & Electronics, 2015(1): 29-32.

项目	参数
电池单体额定容量	18 A·h
最高电压	4.2 V
额定电压	3.7 V
最小电压	3.0 V
最大输出电流	540 A
最大充电电流	270 A
电池单体最高温度(未充电时)	60 ℃
电池单体最高温度(充电时)	45 ℃
电池单体的化学物质	钴酸锂

项目	参数
最大电压	453.6 V
额定电压	399.6 V
最低电压	324 V
最大输出电流	540 A
最大充电电流	90 A
电池单体总数	108
电池模组连接形式	螺栓连接
总容量	7.1928 kW·h
电池模块数量	6块

零部件名称	材料	数量 /个	长度 /mm	宽度 /mm	高度 /mm	厚度/mm	施加载荷/Pa		承载最大应力/Pa	最大变形位移/mm	是否合格
零部件名称	材料	数量 /个	长度 /mm	宽度 /mm	高度 /mm	厚度/mm	水平方向	竖直方向	承载最大应力/Pa	最大变形位移/mm	是否合格
底板	铝合金	1	495.4	330.4	—	3.2	—	6.47×10³	5.47×10⁶	6.69×10^-2	是
箱体	铝合金	1	500	335	237.7	2.3	1.38×10⁴	—	4.57×10⁷	1.5	是
箱盖	铝合金	1	504.6	339.4	—	2.3	—	7.33×10³	1.21×10⁷	4.33×10^-1	是
固定支架	铝合金	10	20	20	20	3.2	4.38×10⁶	—	2.96×10⁵	2.51×10^-4	是
固定支架	铝合金	10	20	20	20	3.2	—	3.42×10⁶	8.44×10⁴	2.11×10^-5	是
吊环	铝合金	3	50	40	—	3.2	—	1.38×10⁵	8.93×10⁶	1.61×10^-2	是
电池箱	铝合金	1	500	335	240	—	—	—	—	—	是

材质	Q235钢	碳纤维/环氧树脂复合材料
最大应力/MPa	73.1	81.0
应力集中区域	电池箱底部中心	电池箱底部中心
最大形变/mm	1.22	1.63
主要变形位置	电池箱底部中心	电池箱底部中心
电池箱质量/kg	35.2	12.4
减轻质量/%	0.64	—

[1]	孔为, 金劲涛, 陆西坡, 孙洋. 对称蛇形流道锂离子电池冷却性能[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2258-2265.
[2]	杨春燕, 马云龙, 冯小琼, 张世英, 安长胜, 李劲风. 碳基材料在铝离子电池中的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 432-439.
[3]	张志鸿, 牟俊彦, 孟玉发. 风冷圆柱形锂离子电池系统热失控扩展特性[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 658-663.
[4]	樊彬, 姜成龙, 林春景, 李玉鹏, 余八一, 张晋杰, 张良, 高孟洋, 王伟, 解坤, 常宏. 电动汽车用动力电池系统循环寿命试验[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 671-678.
[5]	杨续来, 张峥, 曹勇, 刘成士, 艾新平. 高能量密度锂离子电池结构工程化技术探讨[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(4): 1127-1136.
[6]	李文俊, 徐航宇, 杨琪, 李久铭, 张振宇, 王胜彬, 彭佳悦, 张斌, 陈相雷, 张臻, 杨萌, 赵言, 耿瑶瑶, 黄文师, 丁泽鹏, 张雷, 田启友, 俞会根, 李泓. 高能量密度锂电池开发策略[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(2): 448-478.
[7]	王超1，戴兴建2，汪勇2，李玺1，钟国彬1. 储能复合材料飞轮力学研究进展[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(5): 1076-1083.