基于某动力电池防水透气防爆阀的仿真研究

付一民 周健 盛军 李彦良 袁格年 马凯

摘 要：文章对某汽车动力电池所使用的防水透气防爆阀进行结构上的说明，并从流体及结构两方面对防爆阀进行仿真分析，以研究防爆阀在工作过程中结构的变化，最终得到了满足设计要求的结论，为设计电池包防爆阀提供了一种可行的研究方法。关键字：动力电池;防爆阀;仿真分析中图分类号：U473  文献标识码：B  文章编号：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

從国内外有关电动汽车的研发计划可以看出，电动汽车是当今汽车发展的热点^[1]。动力电池作为电动汽车的核心部件，是各汽车公司的主要研究对象，而动力电池安全技术一直是人们关注的重点^[2]。作为动力来源的电池容易发生热失控，而导致其发生热失控的原因千奇百怪^[3]。防水透气防爆阀是安装在动力电池上的一种安全装置，主要作用是当电池包内气压过大时能通过防爆阀实现泄压，以维持电池与外界的气压平衡^[4]，且不会对电池的密封产生影响。本文通过有限元仿真分析的方法研究防水透气防爆阀^[5]的工作状态，为动力电池用防爆阀的设计提供一种思路。

1 防水透气防爆阀主要结构及工作原理

   

图1  某动力电池防水透气防爆阀     图2  防爆阀零件爆炸图

所研究的防爆阀如图1所示，由主体、上防护盖、膜纸、弹簧、密封条、O型圈、固定环、塑胶块、保护罩等构成，爆炸图如图2所示。该防爆阀防护等级为IP67^[6]，温度适用范围为-40℃-125℃。该防爆阀工作原理为，当PACK内有小于12KPa压差时，通过膜纸平衡内外压差^[7]如图3所示;当PACK内气压达到12-18KPa时，防护盖弹开快速泄压如图4所示，气压降低通过弹簧拉力恢复如图3状态;当PACK发生异常气压达到25-40KPa时，膜纸破开防护盖弹开如图2快速泄压，气压降低通过弹簧拉力恢复如图3所示状态。

2 防水透气防爆阀仿真研究

2.1 防爆阀CFD分析假设与仿真模型的建立

防爆阀实际工作情况较复杂，为了便于搭建CFD仿真模型，提出如下假设：

①电池包内气体为电池包内挥发的物质与空气的混合物，本文仅研究防爆阀上防护盖所受压力，故将混合气体当做单一气体，且该气体物性参数可以获取;

②气体为各向同性均匀流体;

③气体为不可压缩流体;

④气体的物性参数不随温度的变化而变化;

⑤电池包内爆炸是一个气体压强逐渐增大的过程，在临界状态下防爆阀膜纸内外表面气压一致;

⑥气体流动方式为湍流，强度为5%;

⑦上防护盖在闭合状态下，其所承受Y向（弹簧拉伸方向）压力的部位仅为椭圆孔部位（如图5所示）。

根据上述内容，搭建防爆阀CFD仿真分析模型，如图6所示。边界条件将入口设置为“pressure-inlet”，出口设置为压力“pressure-outlet”，将椭圆孔处设置为单独的考察对象，并定义为“wall”，爆炸混合气体物性参数如表1所示。

2.2 防爆阀流体仿真分析

爆炸气体通过防爆阀膜纸进入防爆阀后，由于防爆阀内部构造较复杂，气体流动方向与流速发生变化，本文主要考察防爆阀上防护盖所受压力，结果云图如图7：

通过分析结果可以看出，当入口压力为12Kpa时，上防护盖所受压力在9-13Kpa范围内，且大部分都在12Kpa左右，与入口压力差别不大，在进行静力分析时，取上防护盖压力为12Kpa。

2.3 防爆阀静力分析假设与仿真模型建立

防爆阀的工作过程中结构发生很大的变化，主要表现为膜纸的变形与上防护盖的弹开，为了更好地研究膜纸和上防护盖的变化，现对有限元模型做如下假设：

①膜纸所用的e-ptfe材料为各向线弹性材料，变形前后材料主轴保持垂直，计算涉及几何非线性;

②弹簧用弹簧单元进行仿真，弹簧刚度已知，且只会发生Y方向上的位移;

③在12Kpa以内，上防护盖所承受Y向压力的部位仅为椭圆孔部位。

根据上述内容，搭建防爆阀静力分析模型，如图8所示。安装部位通过MPC单元连接，膜纸通过打胶方式固定在防爆阀上，弹簧用SPRING单元模拟。约束防爆阀与电池包安装点的6个方向自由度及上防护盖X方向平动、Z方向平动、XY方向旋转、YZ方向旋转、ZX方向旋转5个自由度，以便模型计算时收敛。研究膜纸时，在膜纸下表面分别施加12Kpa、18Kpa及25Kpa的压力;研究上防护盖时，对上防护盖椭圆孔部位施加12Kpa压力即可。

膜纸的载荷-应变曲线通过双轴拉伸试验得到，采用应变项残差平方和最小的最小二乘法计算得到膜纸材料力学性能，计算步骤如下：

①假设膜材为正交各向异性弹性材料，本构关系式按式（1）确定。

式中N_X——膜材试样经向载荷，KN?m;

N_Y——膜材试样纬向载荷，KN?m;

ε_X——膜材试样经向应变;

ε_Y——膜材试样纬向应变;

E_X——膜材试样经向弹性模量，N?mm²;

E_Y——膜材试样纬向弹性模量，N?mm²;

v_X——膜材试样经向泊松比;

v_Y——膜材试样纬向泊松比;

t——膜材厚度，mm。

②按式（2）计算不同经、纬向载荷比例下得到的载荷-应变曲线的应变残差平方和。

式中

式（2）的最后一项对应于载荷比例0：1的状况，倒数第二项对应于载荷比例1：0的状况，第一项平方和应对应于1：1、2：1、1：2三种双轴拉伸状态。

③E₁₁、E₁₂、E₂₂相互独立，应用最小二乘法，根据式（3）计算E₁₁、E₁₂、E₂₂。

④根据式（4）计算E_X、E_Y、ε_X、ε_Y。

由雙轴拉伸试验得到膜纸材料E-ptfe的弹性模量和泊松比，其他材料如ADC12、阻燃硅胶参数已知，各材料参数见表2。

2.4 防爆阀静力仿真分析

膜纸下表面受电池包内部气体压力，力学表现为向上鼓起。当膜纸受到12Kpa压力时，中心部位Y向位移为4.442mm，没有触到顶针，不会发生破裂;当膜纸受到18Kpa压力时，中心部位Y向位移为6.663mm，没有触到顶针，不会发生破裂;当膜纸受到25Kpa压力时，中心部位Y向位移为9.254mm，触到顶针，发生破裂。具体分析结果见表3。

上防护盖下表面受气体压力作用，力学表现为带动弹簧向上位移，由于上防护盖与防爆阀主体之间有“0”型圈结构，当上盖位移大于0.1mm时，认为弹簧弹开，防爆阀通过弹开缝隙泄压。通过仿真分析结果可知，当电池包内气体压力到

达12Kpa时，上防护盖Y向位移为0.107mm，大于要求的0.1mm，结果云图如图9所示。

3 结语

文中用CFD与静力学仿真分析方法研究了电池包防爆阀随工作状态变化产生的结构变化。结果表明，在电池包内气压小于12Kpa时，防爆阀通过膜纸及上防护盖上预留小孔缓慢排气;当气压大于12Kpa小于18Kpa时，防爆阀通过膜纸及上防护盖弹开进行泄压;当气压大于25Kpa时，膜纸破开，防爆阀通过防护盖弹开泄压。该防爆阀满足电池包安全性能的要求。为设计电池包防爆阀提供了一种可行的研究方法。

参考文献

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