基于某動力電池防水透氣防爆閥的仿真研究

付一民 周健 盛軍 李彥良 袁格年 馬凱

摘 要：文章對某汽車動力電池所使用的防水透氣防爆閥進行結構上的說明，并從流體及結構兩方面對防爆閥進行仿真分析，以研究防爆閥在工作過程中結構的變化，最終得到了滿足設計要求的結論，為設計電池包防爆閥提供了一種可行的研究方法。關鍵字：動力電池;防爆閥;仿真分析中圖分類號：U473 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）01-01-03

Simulation Research on Waterproof and Ventilation Explosion-Proof Valve Basedon a Power Battery

Fu Yimin， Zhou Jian， Sheng Jun， Li Yanliang， Yuan Genian， Ma Kai

（ Beijing New Energy Automobile Co.， Ltd.， Beijing 102206 ）

Abstract：?This paper describes the structure of the waterproof-ventilate anti-explosion valve in an autocar power battery， and simulate the anti-explosion valve based on fluid and structure aspects， to research the structural change of the anti-?explosion valve during its working process， and finally meets the design， the coclusions provide a viable research methord for designing anti-explosion valve used in battery pack.Keywords： power battery;?anti-explosion valve;?simulation analysisCLC NO.： U473 ?Document Code： B??Article ID：?1671-7988（2019）01-01-03

前言

從國內外有關電動汽車的研發計劃可以看出，電動汽車是當今汽車發展的熱點^[1]。動力電池作為電動汽車的核心部件，是各汽車公司的主要研究對象，而動力電池安全技術一直是人們關注的重點^[2]。作為動力來源的電池容易發生熱失控，而導致其發生熱失控的原因千奇百怪^[3]。防水透氣防爆閥是安裝在動力電池上的一種安全裝置，主要作用是當電池包內氣壓過大時能通過防爆閥實現泄壓，以維持電池與外界的氣壓平衡^[4]，且不會對電池的密封產生影響。本文通過有限元仿真分析的方法研究防水透氣防爆閥^[5]的工作狀態，為動力電池用防爆閥的設計提供一種思路。

1 防水透氣防爆閥主要結構及工作原理

???

圖1 ?某動力電池防水透氣防爆閥 ????圖2 ?防爆閥零件爆炸圖

所研究的防爆閥如圖1所示，由主體、上防護蓋、膜紙、彈簧、密封條、O型圈、固定環、塑膠塊、保護罩等構成，爆炸圖如圖2所示。該防爆閥防護等級為IP67^[6]，溫度適用范圍為-40℃-125℃。該防爆閥工作原理為，當PACK內有小于12KPa壓差時，通過膜紙平衡內外壓差^[7]如圖3所示;當PACK內氣壓達到12-18KPa時，防護蓋彈開快速泄壓如圖4所示，氣壓降低通過彈簧拉力恢復如圖3狀態;當PACK發生異常氣壓達到25-40KPa時，膜紙破開防護蓋彈開如圖2快速泄壓，氣壓降低通過彈簧拉力恢復如圖3所示狀態。

2 防水透氣防爆閥仿真研究

2.1 防爆閥CFD分析假設與仿真模型的建立

防爆閥實際工作情況較復雜，為了便于搭建CFD仿真模型，提出如下假設：

①電池包內氣體為電池包內揮發的物質與空氣的混合物，本文僅研究防爆閥上防護蓋所受壓力，故將混合氣體當做單一氣體，且該氣體物性參數可以獲取;

②氣體為各向同性均勻流體;

③氣體為不可壓縮流體;

④氣體的物性參數不隨溫度的變化而變化;

⑤電池包內爆炸是一個氣體壓強逐漸增大的過程，在臨界狀態下防爆閥膜紙內外表面氣壓一致;

⑥氣體流動方式為湍流，強度為5%;

⑦上防護蓋在閉合狀態下，其所承受Y向（彈簧拉伸方向）壓力的部位僅為橢圓孔部位（如圖5所示）。

根據上述內容，搭建防爆閥CFD仿真分析模型，如圖6所示。邊界條件將入口設置為“pressure-inlet”，出口設置為壓力“pressure-outlet”，將橢圓孔處設置為單獨的考察對象，并定義為“wall”，爆炸混合氣體物性參數如表1所示。

2.2 防爆閥流體仿真分析

爆炸氣體通過防爆閥膜紙進入防爆閥后，由于防爆閥內部構造較復雜，氣體流動方向與流速發生變化，本文主要考察防爆閥上防護蓋所受壓力，結果云圖如圖7：

通過分析結果可以看出，當入口壓力為12Kpa時，上防護蓋所受壓力在9-13Kpa范圍內，且大部分都在12Kpa左右，與入口壓力差別不大，在進行靜力分析時，取上防護蓋壓力為12Kpa。

2.3 防爆閥靜力分析假設與仿真模型建立

防爆閥的工作過程中結構發生很大的變化，主要表現為膜紙的變形與上防護蓋的彈開，為了更好地研究膜紙和上防護蓋的變化，現對有限元模型做如下假設：

①膜紙所用的e-ptfe材料為各向線彈性材料，變形前后材料主軸保持垂直，計算涉及幾何非線性;

②彈簧用彈簧單元進行仿真，彈簧剛度已知，且只會發生Y方向上的位移;

③在12Kpa以內，上防護蓋所承受Y向壓力的部位僅為橢圓孔部位。

根據上述內容，搭建防爆閥靜力分析模型，如圖8所示。安裝部位通過MPC單元連接，膜紙通過打膠方式固定在防爆閥上，彈簧用SPRING單元模擬。約束防爆閥與電池包安裝點的6個方向自由度及上防護蓋X方向平動、Z方向平動、XY方向旋轉、YZ方向旋轉、ZX方向旋轉5個自由度，以便模型計算時收斂。研究膜紙時，在膜紙下表面分別施加12Kpa、18Kpa及25Kpa的壓力;研究上防護蓋時，對上防護蓋橢圓孔部位施加12Kpa壓力即可。

膜紙的載荷-應變曲線通過雙軸拉伸試驗得到，采用應變項殘差平方和最小的最小二乘法計算得到膜紙材料力學性能，計算步驟如下：

①假設膜材為正交各向異性彈性材料，本構關系式按式（1）確定。

式中N_X——膜材試樣經向載荷，KN?m;

N_Y——膜材試樣緯向載荷，KN?m;

ε_X——膜材試樣經向應變;

ε_Y——膜材試樣緯向應變;

E_X——膜材試樣經向彈性模量，N?mm²;

E_Y——膜材試樣緯向彈性模量，N?mm²;

v_X——膜材試樣經向泊松比;

v_Y——膜材試樣緯向泊松比;

t——膜材厚度，mm。

②按式（2）計算不同經、緯向載荷比例下得到的載荷-應變曲線的應變殘差平方和。

式中

式（2）的最后一項對應于載荷比例0：1的狀況，倒數第二項對應于載荷比例1：0的狀況，第一項平方和應對應于1：1、2：1、1：2三種雙軸拉伸狀態。

③E₁₁、E₁₂、E₂₂相互獨立，應用最小二乘法，根據式（3）計算E₁₁、E₁₂、E₂₂。

④根據式（4）計算E_X、E_Y、ε_X、ε_Y。

由雙軸拉伸試驗得到膜紙材料E-ptfe的彈性模量和泊松比，其他材料如ADC12、阻燃硅膠參數已知，各材料參數見表2。

2.4 防爆閥靜力仿真分析

膜紙下表面受電池包內部氣體壓力，力學表現為向上鼓起。當膜紙受到12Kpa壓力時，中心部位Y向位移為4.442mm，沒有觸到頂針，不會發生破裂;當膜紙受到18Kpa壓力時，中心部位Y向位移為6.663mm，沒有觸到頂針，不會發生破裂;當膜紙受到25Kpa壓力時，中心部位Y向位移為9.254mm，觸到頂針，發生破裂。具體分析結果見表3。

上防護蓋下表面受氣體壓力作用，力學表現為帶動彈簧向上位移，由于上防護蓋與防爆閥主體之間有“0”型圈結構，當上蓋位移大于0.1mm時，認為彈簧彈開，防爆閥通過彈開縫隙泄壓。通過仿真分析結果可知，當電池包內氣體壓力到

達12Kpa時，上防護蓋Y向位移為0.107mm，大于要求的0.1mm，結果云圖如圖9所示。

3 結語

文中用CFD與靜力學仿真分析方法研究了電池包防爆閥隨工作狀態變化產生的結構變化。結果表明，在電池包內氣壓小于12Kpa時，防爆閥通過膜紙及上防護蓋上預留小孔緩慢排氣;當氣壓大于12Kpa小于18Kpa時，防爆閥通過膜紙及上防護蓋彈開進行泄壓;當氣壓大于25Kpa時，膜紙破開，防爆閥通過防護蓋彈開泄壓。該防爆閥滿足電池包安全性能的要求。為設計電池包防爆閥提供了一種可行的研究方法。

參考文獻

[1] 麻友良.新能源汽車動力電池技術[M].北京：北京大學出版社，2016. 10-19.

[2] 王芳，夏軍等.電動汽車動力電池系統安全分析與設計[M].北京：科學出版社， 2016. 32-36.

[3] 王麗娟.車用動力電池包結構CAE分析優化研究[D].南京：南京理工大學，2014.8-15.

[4] Birk A M， VanderSteen J D J. The effect of pressure relief valve blowdown and fire conditions on the thermo-hydraulics with in a pressure vessel[J]. Journal of Pressure Vessel Technology， 2006.128?（3）：465-475.

[5] 白秀茹.防水透氣閥在密封結構中的應用[J].無線電工程，2017.47 （1）：76-78.

[6] 高素欣，羅玉淋，言艷毛.電機控制器用防水透氣閥的計算及選型方法[J].客車技術與研究， 2016.9（6）：36-38.

[7] 王亞琴.PTFE膜材力學性能試驗研究[D].上海：同濟大學，2009. 54-63.