一种大学生电动方程式赛车的碳纤维复合材料电池箱

1.本发明涉及大学生方程式赛车领域，具体为一种大学生电动方程式赛车的碳纤维复合材料电池箱。


背景技术：

2.中国大学生电动方程式汽车大赛面向国内外高校，要求大学生在一年的时间里，自主设计并制造一台电动方程式赛车，并参加高校之间的竞技比赛。由于比赛注重赛车的及车手的安全性，因此对电池箱的基本要求如下：箱体坚固、高压绝缘以及具备有效的散热方式。由于电池箱内、外的空间有限，应合理设计电池箱电芯模组成组方式，并且合理安排各高压附件的位置，从而提高空间利用率。
3.对于普通乘用车来说，电池箱倾向于高续航的设计目标，并根据车型设计电池箱体形状。而对于大学生电动方程式赛车来说，为了同时满足大功率放电以及高能量密度的需求，参与该赛事的国内外车队通常选用钴酸锂软包电芯作为动力源，根据该种电芯的形状和极耳位置设计出符合赛车需求的电池箱。
4.传统的电池箱的设计：采用金属材料制作成为电池箱体和顶盖，箱体形状一般为长方体或者在长方体结构上进行局部优化。箱体内部放置若干模组，每个模组含有一定数目的电芯，这些电芯通过串或并联后，引出两根高压线作为主正、负极，再经由继电器连接至主插头，从而能够在电池管理系统(bms)的控制下，为外部用电部件供电。由于比赛工况条件较为恶劣，因此需要采取一定的散热措施，通常采用小型风机进行强制风冷散热，从而防止电芯因温度过高而影响赛车性能，避免造成电池箱起火等危险。
5.专利cn110112338a公开了一种电动赛车用电池箱，包括设有箱盖的箱体，箱体内前后依次设有由主隔板分隔开的电器区和电池区，电器区和电池区的上方区域相连通，电池区内前后依次设有若干个电池组，相邻电池组之间由辅隔板相隔开；所述电器区在箱体的两侧壁上设有进风口，电器区在进风口处设有散热风扇，电池区在箱体的后端面上设有出风口，散热风扇由从控模块控制通断，所述主隔板和辅隔板的上部设有同一轴线上的通风孔。该技术存在的问题如下：电器区和电池区为前后分布的方式，因此散热风扇的风道路径是先对电器区进行散热，再对电池区进行散热，无法专门对电池区进行散热，导致对电池区的散热效果不佳，且电池箱如果发生热失控不能及时进行热阻断。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有传统的大学生电动方程式赛车电池箱不能对电芯等产热部件进行专门的散热，且电池箱如果发生热失控不能及时进行热阻断的问题。
7.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
8.一种大学生电动方程式赛车的碳纤维复合材料电池箱，包括箱体、电池包、电器组件和散热风扇；所述电池包设置在所述箱体内部；所述电器组件设置在所述电池包上方；所
述散热风扇与所述电器组件电连接；
9.所述箱体一侧开设有进风口，所述箱体另一侧开设有第一出风口和第二出风口；所述进风口、第一出风口和第二出风口处均设置有散热风扇；
10.所述电池包包括若干个电池模组，且每个所述电池模组均包括smc外壳、电芯和石墨翅片；每个所述smc外壳均上开设有通风孔，所述通风孔将所述进风口与所述第一出风口和第二出风口连通并形成散热风道；所述电芯设置在所述smc外壳内，所述电芯的连接方式为先并联后串联，且呈两列排布，相邻的两块所述电芯的前后方向留有2mm空隙，相邻的两块所述电芯的左右方向留有8mm间隙，所述间隙与所述散热风道连通；每个所述电芯外包裹有一层石墨翅片。
11.本发明将电池包设置在箱体内部，将电器组件设置在电池包上方，电器组件和电池包呈上下分布的方式，利用电池模组的smc外壳上的通风孔，将开设在箱体一侧的进风口和另一侧的第一出风口和第二出风口连通并形成散热风道，并在相应的进出风口处设置有散热风扇，可用于对电池模组内的电芯进行专门的散热；并且相邻的两块所述电芯的左右方向留有8mm 间隙并与散热风道连通，每个电芯外包裹有一层石墨翅片，石墨翅片可热阻断相邻电芯，同时在其它两个方向具备良好导热性，可将内部热量传递至侧面间隙处，用于换热，进而提高对电芯的散热效果；且由于石墨翅片自身的片层状结构可很好地适应电芯表面，当电芯因为热失控局部起火时，可隔绝热量，避免破坏其它电芯，起到很好的热阻断作用。
12.优选地，所述电池包包括六个电池模组，六个所述电池模组包括284 块电芯，其中四个所述电池模组设置有56块电芯、一个所述电池模组设置有28块电芯、另一个所述电池模组设置有32块电芯。
13.优选地，每个所述电池模组还包括底座和顶部支架，所述底座顶部四周与所述smc外壳底部固定连接；所述顶部支架固定在所述smc外壳外壁上；所述smc外壳的材料为不饱和聚酯团状模塑料；所述底座和顶部支架的材料均为尼龙材料；采用尼龙材料进行3d打印的底座和顶部支架，从而实现电芯底部的固定以及顶部电芯极耳的隔离，底座、顶部支架和smc 外壳形成一个整体，起固定保护作用。
14.优选地，所述石墨翅片为槽型薄片结构，所述石墨翅片内壁与所述电芯外壁紧密贴合，且所述石墨翅片的厚度为2mm；由于石墨翅片具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，可将电池包热量从内部传导至散热风道处，且石墨翅片具有耐酸耐腐蚀性，可以有效应对电解液泄露。
15.优选地，还包括小二层板，所述小二层板设置在所述散热风道上方，且所述小二层板与所述smc外壳外壁固定连接。
16.优选地，所述电器组件包括bms主控制模块、bms从控制模块、继电器模块、dcdc转换器、熔断器和预充电阻；所述bms主控制模块和 bms从控制模块分别设置在所述电池包上方；所述继电器模块集成在所述小二层板上方；所述dcdc转换器、熔断器和预充电阻设置在所述小二层板下方；所述继电器模块、dcdc转换器、熔断器和预充电阻由所述bms 主控制模块控制。
17.优选地，所述散热风扇与所述bms从控制模块电连接，所述散热风扇由所述bms主控制模块控制通断。
18.优选地，所述散热风扇设置有六个，其中四个所述散热风扇排列在所述进风口处；另外两个所述散热风扇分别设置在所述第一出风口处和第二出风口处。
19.优选地，每个所述散热风扇上均设置有防水除尘过滤网。
20.优选地，还包括ntc电阻，所述ntc电阻设置在所述电池模组内部，所述ntc电阻与所述bms从控制模块电连接；所述ntc电阻监控所述电池模组内部电池状态及温度，并将信号输送至bms从控制模块，bms从控制模块输出信号控制散热风扇进行散热；当电池模组内某一点温度高于 45℃时，将控制该散热风扇进行低功率散热，当电池模组内温差大于10℃时，将控制散热风扇进行高功率散热。
21.本发明的优点在于：
22.1、本发明将电池包设置在箱体内部，将电器组件设置在电池包上方，电器组件和电池包呈上下分布的方式，利用电池模组的smc外壳上的通风孔，将开设在箱体一侧的进风口和另一侧的第一出风口和第二出风口连通并形成散热风道，并在相应的进出风口处设置有散热风扇，可用于对电池模组内的电芯进行专门的散热；并且相邻的两块所述电芯的左右方向留有 8mm间隙并与散热风道连通，每个电芯外包裹有一层石墨翅片，石墨翅片可热阻断相邻电芯，同时在其它两个方向具备良好导热性，可将内部热量传递至侧面间隙处，用于换热，进而提高对电芯的散热效果；且由于石墨翅片自身的片层状结构可很好地适应电芯表面，当电芯因为热失控局部起火时，可隔绝热量，避免破坏其它电芯，起到很好的热阻断作用。
23.2、本发明采用尼龙材料进行3d打印的底座和顶部支架，从而实现电芯底部的固定以及顶部电芯极耳的隔离，底座、顶部支架和smc外壳形成一个整体，起固定保护作用。
24.3、石墨翅片为槽型薄片结构，其内壁与电芯外壁紧密贴合，由于石墨翅片具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，可将电池包热量从内部传导至散热风道处，且石墨翅片具有耐酸耐腐蚀性，可以有效应对电解液泄露。
25.4、本发明通过在电池模组内部置ntc电阻，ntc电阻监控电池模组内部电池状态及温度，并将信号输送至bms从控制模块，bms从控制模块输出信号控制散热风扇进行散热，当电池模组内某一点温度高于45℃时，将控制该散热风扇进行低功率散热，当电池模组内温差大于10℃，将控制散热风扇进行高功率散热。
附图说明
26.图1为本发明一种大学生电动方程式赛车的碳纤维复合材料电池箱的结构示意图；
27.图2为本发明实施例的电池箱的立体结构的结构示意图；
28.图3为本发明实施例的箱体和smc外壳的连接结构示意图；
29.图4为本发明实施例的箱体的立体结构示意图；
30.图5为本发明实施例的箱体的俯视结构示意图；
31.图6为本发明实施例的电池包和散热风扇的结构示意图；
32.图7为本发明实施例的电池模组的结构示意图；
33.图8为本发明实施例的smc外壳的结构示意图；
34.图9为本发明实施例的电芯和石墨翅片的连接结构示意图。
35.附图标号说明：
36.1、箱体；11、进风口；12、第一出风口；13、第二出风口；2、电池包；21、电池模组；211、smc外壳；2111、通风孔；212、电芯；213、石墨翅片；214、底座；215、顶部支架；3、电器组件；31、bms主控制模块；32、bms从控制模块；33、继电器模块；34、dcdc转换器；35、熔断器； 36、预充电阻；4、散热风扇；5、小二层板；6、ntc电阻。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例一
39.如图1、图2所示，本实施例公开了一种大学生电动方程式赛车的碳纤维复合材料电池箱，包括箱体1、电池包2、电器组件3、散热风扇4、小二层板5和ntc电阻6(图中未示出)。
40.如图1、图2所示，本实施例的箱体1为现有技术的碳纤维复合材料制备而成的内部中空的矩形体结构；
41.如图2、图3所示，并具体以图3的方位为参照，本实施例的箱体1的前侧壁上开设有进风口11，该进风口11包括若干个水平排列的矩形结构的开口，若干个矩形开口共同形成进风口11；箱体1的左侧壁后端和右侧壁后端分别开设有一个第一出风口12和第二出风口13。
42.如图1所示，电池包2设置在箱体1内部；
43.如图1、图2、图6和图7所示，本实施例的电池包2包括若干个电池模组21，且每个电池模组21均包括有smc外壳211、电芯212、石墨翅片 213、底座214和顶部支架215；
44.本实施例的电池模组21之间通过维护插头和高压线缆连接正负极，实现电气连接；
45.其中，smc外壳211的材料为不饱和聚酯团状模塑料，底座214和顶部支架215的材料均为尼龙材料，smc外壳211为内部中空、上、下开口，四面闭合的矩形筒结构，smc外壳211的底部四周与底座214的顶部四边胶粘固定，也可以是一体成型的，顶部支架215胶粘在smc外壳211的外壁上端；
46.如图2、图3和图8所示，并具体以图3的方位参照，本实施例的每个 smc外壳211的前后侧壁上均开设有通风孔2111；
47.如图3
‑
5所示，这些通风孔2111可将进风口11与第一出风口12和第二出风口13连通形成散热风道，如图2可以看出，该散热风道贯通所有电池模组21；
48.如图6、图7所示，电芯212放置在smc外壳211内，底座214和smc 外壳211对电芯212起到支撑和限位的作用，本实施例的电芯212的连接方式为先并联后串联，且呈两列排布，相邻的两块电芯212的前后方向留有2mm空隙，相邻的两块电芯212的左右方向留有8mm间隙，间隙与散热风道连通；
49.如图6
‑
8所示，每个电芯212外包裹有一层石墨翅片213，石墨翅片213 可热阻断相邻电芯212，同时在其它两个方向具备良好导热性，可将内部热量传递至侧面间隙处，用于
换热；本实施例的石墨翅片213为槽型薄片结构，石墨翅片213内壁与电芯212外壁紧密贴合，且石墨翅片213的厚度为2mm，由于石墨翅片213具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，可将电池包2热量从内部传导至散热风道处，且石墨翅片213具有耐酸耐腐蚀性，可以有效应对电解液泄露。
50.如图1所示，并具体以图1的方位为参照，本实施例的小二层板5安装在散热风道上方，且小二层板5的一端与smc外壳211外壁可以通过胶粘固定，也可以采用螺栓或者螺钉固定连接。
51.如图1、图2所示，本实施例的电器组件3包括bms主控制模块31、 bms从控制模块32、继电器模块33、dcdc转换器34、熔断器35和预充电阻36；bms主控制模块31和bms从控制模块32分别装配在电池包2 上方，用于采集电芯212单体电压、温度数据，并将数据实时显示在bms 上位机，方便检测电池包2在不同工况下的工作状态；继电器模块33由 bms主控制模块31控制，继电器模块33包括预充继电器、主正继电器、主负继电器，预充继电器、主正继电器、主负继电器几种安装在小二层板5 上方，方便高压线路经过并共同引出至插头处；dcdc转换器34、熔断器 35和预充电阻36装配在小二层板5下方，如图3所示，本实施例的继电器模块33与dcdc转换器34、熔断器35和预充电阻36的安装位置靠近第二出风口13处，第二出风口13处的散热风扇4便于使气流在该区域形成流场，从而为继电器模块33、dcdc转换器34、熔断器35和预充电阻36 等电器进行散热。
52.如图1、图2和图6所示，本实施例的散热风扇4设置有若干个，散热风扇4与bms从控制模块32电连接，散热风扇4由bms主控制模块31 控制通断；如图5所示，每个散热风扇4上均设置有防水除尘过滤网；其中一部分散热风扇4共同安装在进风口11处，用于向电池包2内部鼓风，另外两个散热风扇4一个安装在第一出风口12处，另一个安装在第二出风口13处，用于向外部抽风，当电池包2内温度较高时，可将所有的散热风扇4启动，进风口11处的散热风扇4向电池包2内部鼓风，第一出风口12 和第二出风口13处的散热风扇4向外抽风，冷风沿着散热风道流动，同时经过电芯212之间的间隙带走热量。
53.本实施例的ntc电阻6(图中未示出)设置在电池模组21内部ntc 电阻6与bms从控制模块32电连接；ntc电阻6监控电池模组21内部电池状态及温度，并将信号输送至bms从控制模块32，bms从控制模块32 输出信号控制散热风扇4进行散热；当电池模组21内某一点温度高于45℃时，将控制该散热风扇4进行低功率散热，当电池模组21内温差大于10 摄氏度时，将控制散热风扇4进行高功率散热。
54.本实施例的工作原理是：本发明提供一种大学生电动方程式赛车的碳纤维复合材料电池箱，ntc电阻6监控电池包2的电池模组21内部电池状态及温度，并将信号输送至bms从控制模块32，bms从控制模块32接受 ntc电阻6采集的温度信号，并将数据实时显示在bms上位机，当电池模组21的某一点温度高于45℃时，bms从控制模块32将控制该散热风扇4 进行低功率散热，当电池模组21内温差大于10摄氏度时，bms从控制模块32将控制散热风扇4进行高功率散热，散热风扇4启动，进风口11处的散热风扇4通过smc外壳211上的通风孔2111向电池模组21内部的电芯212鼓风，一方面冷风通过散热风道带走大部分的热量，另一方面冷风经过相邻两个电芯212之间的间隙处时与电芯212外的石墨翅片213进行换热，换热后的热风再分别通过第一出风口12和第二出风口13处的散热风扇4抽至箱体1外部两侧，这样不仅能提高散热效果，且第二出风口13 处的散热风扇4便于使气流在该区域形成流
场，从而为继电器模块33、 dcdc转换器34、熔断器35和预充电阻36等电器进行散热。
55.本发明相比现有技术存在以下优点：其一、本发明将电池包2设置在箱体1内部，将电器组件3设置在电池包2上方，电器组件3和电池包2 呈上下分布的方式，利用电池模组21的smc外壳211上的通风孔2111，将开设在箱体1一侧的进风口11和另一侧的第一出风口12和第二出风口 13连通并形成散热风道，并在相应的进出风口处设置有散热风扇4，可用于对电池模组21内的电芯212进行专门的散热；并且相邻的两块电芯212 的左右方向留有8mm间隙并与散热风道连通，每个电芯212外包裹有一层石墨翅片213，石墨翅片213可热阻断相邻电芯212，同时在其它两个方向具备良好导热性，可将内部热量传递至侧面间隙处，用于换热，进而提高对电芯212的散热效果；且由于石墨翅片213自身的片层状结构可很好地适应电芯212表面，当电芯212因为热失控局部起火时，可隔绝热量，避免破坏其它电芯212，起到很好的热阻断作用；其二、本发明采用尼龙材料进行3d打印的底座214和顶部支架215，从而实现电芯212底部的固定以及顶部电芯212极耳的隔离，底座214、顶部支架215和smc外壳211形成一个整体，起固定保护作用；其三、石墨翅片213为槽型薄片结构，其内壁与电芯212外壁紧密贴合，由于石墨翅片213具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，可将电池包2热量从内部传导至散热风道处，且石墨翅片213具有耐酸耐腐蚀性，可以有效应对电解液泄露；其四、本发明通过在电池模组21内部置ntc电阻6，ntc电阻6监控电池模组21内部电池状态及温度，并将信号输送至bms从控制模块32，bms从控制模块 32输出信号控制散热风扇4进行散热，当电池模组21内某一点温度高于 45℃时，将控制该散热风扇4进行低功率散热，当电池模组21内温差大于 10℃，将控制散热风扇4进行高功率散热。
56.实施例二
57.本实施例与上述实施例的区别在于：本实施例的箱体1的材料为碳纤维复合材料，箱体1的加工步骤可分为：模具加工、复合材料铺层、复合材料粘接、钻孔和表面打磨清理。
58.模具加工：针对箱体1外形，设计出空心结构的模具，根据现场条件，使用梁板固定模具，并适当处理表面不平整。
59.复合材料铺层、粘接和钻孔：采用碳纤维
‑
pmi
‑
碳纤维夹心结构；在模具表面均匀涂抹底胶，并铺上一层玻璃纤维，使加工完成后易于拔模；选择合适的树脂和胶水的配比，通过搅拌均匀制成结构胶，用刷子将结构胶均匀涂抹在玻璃纤维上，然后立即铺设一层碳布，重复操作，铺设一定层数碳布，每次铺设后，均使用小型辊轮压紧碳布；使用抽真空泵对胶接的碳布层进行抽气，在碳布层和外界形成压差，从而将结构胶挤压进碳布，等待一段时间通常为24h待结构胶凝固后，使用线切割或者其它方式加工出预留孔；之后用刷子均匀地在碳布上涂抹结构胶，从而粘接同样加工出预留孔的3mm的pmi聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，然后采用同样的方法在pmi 上铺设、粘接一定数量的碳布。
60.箱体1可分为四个部分进行加工：底面、侧面、顶盖、内部隔板，均通过上述方法进行加工，具体步骤如下：
61.首先对箱体1底面进行碳纤维布层铺设，使用结构胶粘接一定层数的碳纤维和厚度3mm的pmi，使其形成碳纤维
‑
pmi
‑
碳纤维的夹心机构，从而实现机械连接和结构强化。
62.其次，对箱体1侧面进行制作：为了方便铺设和处理衔接面，将封闭的整体侧面分成两个非封闭的部分侧面进行加工，再用结构胶进行粘接，从而形成封闭的整体侧面。
63.之后采用相同的方法进行电池箱顶盖和内部隔板的加工。
64.最后用结构胶粘接底面、侧面、内部隔板。
65.由于对碳纤维复合材料进行打孔的时候很容易出现分层、撕裂、烧焦软化等现象，而侧面上孔位较多，因此在进行铺层的时候需要分步骤打孔，碳纤维铺层和pmi分别进行打孔。
66.表面打磨清理：每次粘接后，将边角多余的树脂去除，使后续粘接接触充分。
67.实施例三
68.本实施例与上述实施例的区别在于：如图6所示，本实施例的电池包2 包括六个电池模组21；该六个电池模组21内部的连接方式完全相同，仅在电芯212数量上存在差别，六个电池模组21包括284块电芯212，其中四个电池模组21设置有56块电芯212、一个电池模组21设置有28块电芯 212、另一个电池模组21设置有32块电芯212。
69.实施例四
70.本实施例与上述实施例的区别在于：如图2、图3和图6所示，本实施例工设置有六个散热风扇4，其中四个散热风扇4排列在进风口11处；另外两个散热风扇4分别设置在第一出风口12处和第二出风口13处。
71.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。