基于某動(dòng)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(dòng)力電池所使用的防水透氣防爆閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的說明，并從流體及結(jié)構(gòu)兩方面對防爆閥進(jìn)行仿真分析，以研究防爆閥在工作過程中結(jié)構(gòu)的變化，最終得到了滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論，為設(shè)計(jì)電池包防爆閥提供了一種可行的研究方法。關(guān)鍵字：動(dòng)力電池;防爆閥;仿真分析中圖分類號(hào)：U473 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(nèi)外有關(guān)電動(dòng)汽車的研發(fā)計(jì)劃可以看出，電動(dòng)汽車是當(dāng)今汽車發(fā)展的熱點(diǎn)^[1]。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，是各汽車公司的主要研究對象，而動(dòng)力電池安全技術(shù)一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)^[2]。作為動(dòng)力來源的電池容易發(fā)生熱失控，而導(dǎo)致其發(fā)生熱失控的原因千奇百怪^[3]。防水透氣防爆閥是安裝在動(dòng)力電池上的一種安全裝置，主要作用是當(dāng)電池包內(nèi)氣壓過大時(shí)能通過防爆閥實(shí)現(xiàn)泄壓，以維持電池與外界的氣壓平衡^[4]，且不會(huì)對電池的密封產(chǎn)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(tài)，為動(dòng)力電池用防爆閥的設(shè)計(jì)提供一種思路。

1 防水透氣防爆閥主要結(jié)構(gòu)及工作原理

???

圖1 ?某動(dòng)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(hù)蓋、膜紙、彈簧、密封條、O型圈、固定環(huán)、塑膠塊、保護(hù)罩等構(gòu)成，爆炸圖如圖2所示。該防爆閥防護(hù)等級(jí)為IP67^[6]，溫度適用范圍為-40℃-125℃。該防爆閥工作原理為，當(dāng)PACK內(nèi)有小于12KPa壓差時(shí)，通過膜紙平衡內(nèi)外壓差^[7]如圖3所示;當(dāng)PACK內(nèi)氣壓達(dá)到12-18KPa時(shí)，防護(hù)蓋彈開快速泄壓如圖4所示，氣壓降低通過彈簧拉力恢復(fù)如圖3狀態(tài);當(dāng)PACK發(fā)生異常氣壓達(dá)到25-40KPa時(shí)，膜紙破開防護(hù)蓋彈開如圖2快速泄壓，氣壓降低通過彈簧拉力恢復(fù)如圖3所示狀態(tài)。

2 防水透氣防爆閥仿真研究

2.1 防爆閥CFD分析假設(shè)與仿真模型的建立

防爆閥實(shí)際工作情況較復(fù)雜，為了便于搭建CFD仿真模型，提出如下假設(shè)：

①電池包內(nèi)氣體為電池包內(nèi)揮發(fā)的物質(zhì)與空氣的混合物，本文僅研究防爆閥上防護(hù)蓋所受壓力，故將混合氣體當(dāng)做單一氣體，且該氣體物性參數(shù)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(shù)不隨溫度的變化而變化;

⑤電池包內(nèi)爆炸是一個(gè)氣體壓強(qiáng)逐漸增大的過程，在臨界狀態(tài)下防爆閥膜紙內(nèi)外表面氣壓一致;

⑥氣體流動(dòng)方式為湍流，強(qiáng)度為5%;

⑦上防護(hù)蓋在閉合狀態(tài)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(jù)上述內(nèi)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(shè)置為“pressure-inlet”，出口設(shè)置為壓力“pressure-outlet”，將橢圓孔處設(shè)置為單獨(dú)的考察對象，并定義為“wall”，爆炸混合氣體物性參數(shù)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(jìn)入防爆閥后，由于防爆閥內(nèi)部構(gòu)造較復(fù)雜，氣體流動(dòng)方向與流速發(fā)生變化，本文主要考察防爆閥上防護(hù)蓋所受壓力，結(jié)果云圖如圖7：

通過分析結(jié)果可以看出，當(dāng)入口壓力為12Kpa時(shí)，上防護(hù)蓋所受壓力在9-13Kpa范圍內(nèi)，且大部分都在12Kpa左右，與入口壓力差別不大，在進(jìn)行靜力分析時(shí)，取上防護(hù)蓋壓力為12Kpa。

2.3 防爆閥靜力分析假設(shè)與仿真模型建立

防爆閥的工作過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化，主要表現(xiàn)為膜紙的變形與上防護(hù)蓋的彈開，為了更好地研究膜紙和上防護(hù)蓋的變化，現(xiàn)對有限元模型做如下假設(shè)：

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(jì)算涉及幾何非線性;

②彈簧用彈簧單元進(jìn)行仿真，彈簧剛度已知，且只會(huì)發(fā)生Y方向上的位移;

③在12Kpa以內(nèi)，上防護(hù)蓋所承受Y向壓力的部位僅為橢圓孔部位。

根據(jù)上述內(nèi)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(diǎn)的6個(gè)方向自由度及上防護(hù)蓋X方向平動(dòng)、Z方向平動(dòng)、XY方向旋轉(zhuǎn)、YZ方向旋轉(zhuǎn)、ZX方向旋轉(zhuǎn)5個(gè)自由度，以便模型計(jì)算時(shí)收斂。研究膜紙時(shí)，在膜紙下表面分別施加12Kpa、18Kpa及25Kpa的壓力;研究上防護(hù)蓋時(shí)，對上防護(hù)蓋橢圓孔部位施加12Kpa壓力即可。

膜紙的載荷-應(yīng)變曲線通過雙軸拉伸試驗(yàn)得到，采用應(yīng)變項(xiàng)殘差平方和最小的最小二乘法計(jì)算得到膜紙材料力學(xué)性能，計(jì)算步驟如下：

①假設(shè)膜材為正交各向異性彈性材料，本構(gòu)關(guān)系式按式（1）確定。

式中N_X——膜材試樣經(jīng)向載荷，KN?m;

N_Y——膜材試樣緯向載荷，KN?m;

ε_X——膜材試樣經(jīng)向應(yīng)變;

ε_Y——膜材試樣緯向應(yīng)變;

E_X——膜材試樣經(jīng)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(jīng)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(jì)算不同經(jīng)、緯向載荷比例下得到的載荷-應(yīng)變曲線的應(yīng)變殘差平方和。

式中

式（2）的最后一項(xiàng)對應(yīng)于載荷比例0：1的狀況，倒數(shù)第二項(xiàng)對應(yīng)于載荷比例1：0的狀況，第一項(xiàng)平方和應(yīng)對應(yīng)于1：1、2：1、1：2三種雙軸拉伸狀態(tài)。

③E₁₁、E₁₂、E₂₂相互獨(dú)立，應(yīng)用最小二乘法，根據(jù)式（3）計(jì)算E₁₁、E₁₂、E₂₂。

④根據(jù)式（4）計(jì)算E_X、E_Y、ε_X、ε_Y。

由雙軸拉伸試驗(yàn)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(shù)已知，各材料參數(shù)見表2。

2.4 防爆閥靜力仿真分析

膜紙下表面受電池包內(nèi)部氣體壓力，力學(xué)表現(xiàn)為向上鼓起。當(dāng)膜紙受到12Kpa壓力時(shí)，中心部位Y向位移為4.442mm，沒有觸到頂針，不會(huì)發(fā)生破裂;當(dāng)膜紙受到18Kpa壓力時(shí)，中心部位Y向位移為6.663mm，沒有觸到頂針，不會(huì)發(fā)生破裂;當(dāng)膜紙受到25Kpa壓力時(shí)，中心部位Y向位移為9.254mm，觸到頂針，發(fā)生破裂。具體分析結(jié)果見表3。

上防護(hù)蓋下表面受氣體壓力作用，力學(xué)表現(xiàn)為帶動(dòng)彈簧向上位移，由于上防護(hù)蓋與防爆閥主體之間有“0”型圈結(jié)構(gòu)，當(dāng)上蓋位移大于0.1mm時(shí)，認(rèn)為彈簧彈開，防爆閥通過彈開縫隙泄壓。通過仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)電池包內(nèi)氣體壓力到

達(dá)12Kpa時(shí)，上防護(hù)蓋Y向位移為0.107mm，大于要求的0.1mm，結(jié)果云圖如圖9所示。

3 結(jié)語

文中用CFD與靜力學(xué)仿真分析方法研究了電池包防爆閥隨工作狀態(tài)變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，在電池包內(nèi)氣壓小于12Kpa時(shí)，防爆閥通過膜紙及上防護(hù)蓋上預(yù)留小孔緩慢排氣;當(dāng)氣壓大于12Kpa小于18Kpa時(shí)，防爆閥通過膜紙及上防護(hù)蓋彈開進(jìn)行泄壓;當(dāng)氣壓大于25Kpa時(shí)，膜紙破開，防爆閥通過防護(hù)蓋彈開泄壓。該防爆閥滿足電池包安全性能的要求。為設(shè)計(jì)電池包防爆閥提供了一種可行的研究方法。

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