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[电池材料] 新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置设计

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发表于 2021-11-23 14:59:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
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新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置设计
郝卓1 马洋洋2 张政3
(1.长安大学汽车学院;2.汽车仿真与控制国家重点实验室;3.陕西法士特汽车传动集团公司)
摘要:针对现有燃料电池保护装置保护能力和散热效果不强的不足,通过对电池散热和保护装置的理论以及现有装置的不足进行介绍,设计了一种新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置。基于CAD 软件示出了该装置的结构示意图,并介绍其结构组成、工作原理与实施方式。所设计的新型装置结构简单、造价较低、实用性强,并且具有稳定的保护固定效果和良好的导热散热能力,能为设计和生产提供一定的参考依据。
关键词:新型;方便散热;燃料电池;固定保护;装置设计

燃料电池汽车因其零排放、高效率、低噪音及使用能源可再生而逐渐被重视起来[1],各国政府随之出台氢能与燃料电池汽车发展的相关政策,科研院所也在持续攻关燃料电池汽车的关键技术[2]。其中,燃料电池为燃料电池汽车提供了主要的动力来源,是燃料电池汽车的核心部件,直接影响到汽车的运行性能和使用寿命。燃料电池在储存、运输和使用的过程中,对其应有的减振和保护必不可少[3];特别是在使用过程中,应对燃料电池进行固定保护以适应多变的路面工况和有效散去热量。然而,普通的固定和保护装置在散热方面不够完善,难以保证燃料电池组的寿命和性能的一致性。为了解决上述问题,设计了一种方便散热的汽车燃料电池用保护装置,能够实现对燃料电池的稳定保护和有效散热。

1 理论研究1.1 电池散热装置的理论研究

对于电池的散热,通常有风冷、液冷和相变冷却3种方式。国内外学者提出了较多新颖的结构用于液体冷却和相变冷却,如液体冷却结构,可以提高冷却性能,已经为特斯拉所应用;又如相变冷却结构,是一种较为新颖的结构设计[4]。虽然液体冷却的冷却性能好,但在使用时显著增加了整车质量,降低了整个电池组的能量密度;同时,相变材料潜热有限,应用起来较为困难,目前仍停留在实验室阶段。由于风冷方式的结构简单、价格低廉、质量轻等优点,目前国内新能源汽车普遍采用风冷结构,因此本设计采取最为常用的风冷散热方式,即采取设置散热扇以提高空气流动速度,用强制风冷对电池进行散热。强制风冷又可分为串行风冷和并行风冷2 种方式,其原理和结构,如图1 所示[5]。因并行风冷能同时对所有的部件进行散热,因此其散热效果更好,更可保持电池组的温度均匀一致性。部分学者针对并行风冷结构进行了一定的研究,文献[6]对并行风冷结构的冷却性能进行研究和优化设计,文献[7]验证并行风冷结构冷却性能的有效性,并对结构进行设计以提高冷却性能。

图1 风冷原理和结构示意图

1.2 电池保护装置的理论研究

对于电池的保护,有减振保护和固定保护等方式。减振保护即采用特殊材质的减振材料,以达到吸能、减振和缓冲的目的。固定保护即将电池本体进行固定,以减少电池本体与保护壳体的碰撞。因此,文章在结构设计时综合采用减振和固定2 种保护方式,以确保装置能最大限度保护电池。减振方面,采用缓冲垫片,以达到缓冲吸能目的;固定方面,采用多组弹簧及护板完成固定。国内外针对电池保护装置的研究主要以专利的形式展现,文献[8]提出了一种电池保护装置,可以使汽车在复杂路况上行驶时保持电池稳定以及在发生碰撞时电池保持架不发生变形。文献[9]提出使用减振装置,以达到对电池的减振和加强振动保护功能。文献[10]设计了一种用于新能源电池的保护装置,以加强新能源汽车电池的保护。

2 现有装置的不足

关于汽车用燃料电池的保护装置,文献[11]和文献[12]设计了具有散热功能的保护装置,经过分析,现有的汽车用燃料电池保护装置主要存在以下2 个方面的问题:

1)燃料电池在储存、运输及使用过程中,需要应对复杂多变的路面工况,使燃料电池不与其他部件发生碰撞,达到保护燃料电池的目的;然而,当前的保护装置,保护和固定作用不强,难以满足保护与固定的需求,因此,燃料电池的保护和固定有待加强。

2)燃料电池在使用过程中,其工作温度应处于一定范围内,以使燃料电池的寿命长并处于高效率区工作;过多热量会影响燃料电池组的寿命及性能的一致性。然而,目前的散热装置在燃料电池散热方面存在不均匀、效果不好等问题,因此,燃料电池的导热能力及散热效果有待提高。

3 新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置

基于上述技术背景、理论研究基础和现有燃料电池保护装置的弊端,设计了一种新型汽车燃料电池用保护装置,以改善燃料电池在储存、运输及使用过程中的固定保护及通风散热能力。

3.1 结构

所设计的新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置主要由保护壳体、缓冲垫片、散热扇、放置内槽、散热块、散热栅、内防护管、散热孔等组成。基于CAD 软件绘制出所设计新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置,如图2 所示。该保护装置包括保护壳体,保护壳体的外表面固定连接有缓冲垫片且四周上沿设置有散热孔,一侧侧壁底部设置有散热扇,顶部设置有顶盖,顶盖的表面也固定连接有缓冲垫片且在中间位置设置有散热孔。保护壳体内部空心且设置有放置内槽,放置内槽的外侧固定连接有散热块,散热块设置有散热栅;放置内槽的内侧固定连接有安装块,安装块固定连接有第一弹簧,第一弹簧固定连接有护板,护板固定连接有内防护管,内防护管的外侧连接有第二弹簧,第二弹簧固定连接有支撑底座。基于CAD 软件绘制出内防护管的结构示意图,如图3 所示,第3 弹簧的顶部设置有矩形块,矩形块的外表面固定连接有导向杆。内防护管的数量为3 个,且3 个内防护管平行设置在支撑底座的外表面。

图2 新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置图

图3 内防护管的结构示意图
1.保护壳体;2.缓冲垫片;3.顶盖;4.散热扇;5.放置内槽;6.散热块;7.散热栅;8.安装块;9.第一弹簧;10.护板;11.内防护管;12.第二弹簧;13.支撑底座;14.第三弹簧;15.矩形块;16.导向杆;17.散热孔。

3.2 实施方式

保护壳体的外表面固定连接有缓冲垫片,保护壳体的顶部设置有顶盖,顶盖的表面固定连接有缓冲垫片,缓冲垫片可以对外力进行缓冲。保护壳体的一侧侧壁底部设置有散热扇,散热扇可以散去保护壳体内的热量,保护壳体的四周侧壁上沿设置有散热孔,且顶盖的中间位置设置有散热孔,便于将保护壳体内的热量散去。

保护壳体的内部空心并设置有放置内槽,放置内槽的外侧固定连接有散热块,散热块设置有散热栅,散热块和散热栅可以散去放置内槽内的热量;放置内槽的内侧固定连接有安装块,安装块固定连接有第1 弹簧,第1 弹簧的数量为6 个,且第1 弹簧固定连接有护板,对燃料电池本体保护固定。

护板固定连接有内防护管,内防护管的数量为3个,且3 个内防护管平行设置在支撑底座的外表面;内防护管的外侧连接有第2 弹簧,第2 弹簧的数量为6个;第2 弹簧固定连接有支撑底座,内防护管的内部设置有第3 弹簧,第3 弹簧的数量为6 个,第3 弹簧的顶部设置有矩形块,矩形块的外表面固定连接有导向杆。

3.3 结构特点

基于以上结构设计和实施方式分析,得出该方便散热的汽车燃料电池用保护装置具有以下结构特点:

1)该方便散热的汽车燃料电池用保护装置,通过散热块和散热栅的设置,可以将放置内槽里燃料电池的热量导出,并且散热扇和散热孔可以将保护壳体内的热量有效散去,进而完善了散热性能。

2)该方便散热的汽车燃料电池用保护装置,通过保护壳体和缓冲垫片的设置,当受到外力时,对燃料电池进行缓冲保护,并且通过第一弹簧和护板的设置,对燃料电池本体进行固定,起到第二重防护固定的作用,从而达到了有效保护的目的。

4 结论

基于电池的散热和保护装置的理论研究,制定该新型方便散热的汽车燃料电池用保护装置的结构设计准则,并基于CAD 软件绘制出其基本结构。该新型装置结构在前人设计基础上加以优化改进,创新性地提出并采用散热栅、内防护管等结构设计,以使其保护固定和散热导热能力都得到一定提升。本新型装置的设计结构简单、成本较低、实用性强,为燃料电池的保护和散热装置设计和生产提供了参考依据。与此同时,本设计也存在着未对具体构件的材料及型号进行选择、未进行实际生产、未获得有效试验数据等缺陷,后续可进一步深入研究加以完善。

参考文献

[1] JUNKER M, BOCQUET L, BENDIF M, et al. Hydrogen for road transportation:achievements and developments[J].Annales De Chimie-Science Des Materiaux,2001,26(4):117-130.

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[4] 朱晖,张逸成,朱昌平,等.电动汽车电池组热管理系统的研究[J].实验室研究与探索,2011,30(6):8-10.

[5] 陈诚.新能源汽车方形动力锂电池散热及优化设计研究[D].上海:上海应用技术大学,2020:5.

[6] PAN Shuai, JI Changwei, WANG Shuofeng, et al. Study on the Performance of Parallel Air-Cooled Structure and Optimized Design for Lithium-ion Battery Module[J].Fire Technology,2020,56:2623-2647.

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[9] CLAYTON T J,CHRISTIAN T B.Battery with Integrated Shock and Vibration Protection Features.US:2019031671.W[P].2019-11-14.

[10]许树龙,张业松.一种用于新能源电池的保护装置:202020610729.1[P].2020-10-27.

[11]李发强,杨朋,杨磊,等.一种具有散热功能的燃料电池保护装置:201822033729.5[P].2019-08-23.

[12] 田伟,张凯威. 一种方便散热的汽车燃料电池用保护装置:201922241812.6[P].2020-10-23.



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