基于ANSYS的動(dòng)力電池包防水透氣閥的計(jì)算

徐長(zhǎng)成 何帥強(qiáng) 夏詩(shī)忠 孫亞茹 楊耿明

摘 要：防水透氣閥是動(dòng)力電池包的的關(guān)鍵零部件，其一方面影響到箱體IP67防護(hù)性能，同時(shí)也關(guān)系到箱體內(nèi)外氣壓的平衡，因此合理選擇防水透氣閥對(duì)提高動(dòng)力電池包的可靠性至關(guān)重要。本文從動(dòng)力電池箱內(nèi)空氣膨脹速率和防水透氣閥排氣速率平衡出發(fā)，詳述了箱體內(nèi)空氣膨脹速率的計(jì)算過(guò)程，根據(jù)其與防水透氣閥排氣速率的平衡點(diǎn)，求出箱體鼓脹高度，并與電池箱暴曬試驗(yàn)鼓脹高度進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池包；防水透氣閥；箱體鼓脹；ANSYS Icepak

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）01-0030-04

Abstract： the key component of the lithium bayyery box is the waterproof permeability valve，which is not only influenced the protective performance of the IP67 box， but alsorelated to the air pressure balance of the box， so it is very importantthat choose the waterproof permeability valve to improve the reliability of the battery box. Starting from

the balance between the rate of air expansion in the lithium batterybox and the exhautrate of the waterproof permeability valve， the calculation processofthe air expansion rate in the box is described. According to their balance， the bulging height of the box is obtained， which is compared with the bulging height of the battery box in solar radiation test.

Key Words： the lithium battery box； waterproof permeability valve； box bulge； ANSYS Icepak

1 引言

防水透氣閥是動(dòng)力電池包的關(guān)鍵零部件，通常安裝在電池包的側(cè)壁殼體上，起到氣壓平衡的同時(shí)又能防水（動(dòng)力電池包Ingress Protection Rating 67[1]要求）的一個(gè)器件[2]。

動(dòng)力電池包作為動(dòng)力電池的集合體，在工作時(shí)（內(nèi)部熱源）或高溫暴曬（外部熱源）情況下，箱體會(huì)吸收大量的熱量，箱體內(nèi)空氣發(fā)生熱脹，膨脹空氣將由防水透氣閥排出；熱源中斷后，箱體內(nèi)空氣又會(huì)冷縮，外界空氣由防水透氣閥吸入；因此，防水透氣閥的合理選型，對(duì)動(dòng)力電池包箱體內(nèi)外氣壓平衡至關(guān)重要[3]。

本文以動(dòng)力電池包暴曬鼓脹（外部熱源）為例，介紹了動(dòng)力電池包防水透氣閥的計(jì)算[4]。

2 動(dòng)力電池包暴曬鼓脹計(jì)算

本文主要論述動(dòng)力電池包暴曬過(guò)程的鼓脹，電池包并未通電，故可將電池模組、電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化為塊，詳細(xì)模型如圖3所示：

2.2 動(dòng)力電池包暴曬模擬

箱體、箱蓋用Q235，厚度0.8mm鈑金折彎焊接而成；模組材質(zhì)為鋁，使用ANSYS Icepak軟件對(duì)電池包進(jìn)行暴曬模擬，假設(shè)電池包置于太陽(yáng)正下方，使用熱流密度來(lái)模擬太陽(yáng)輻射；根據(jù)暴曬地時(shí)區(qū)、緯度、經(jīng)度，使用Solar Flux Calculator工具計(jì)算出太陽(yáng)熱流密度為887W/m2，考慮電池包表面為黑色，漫反射載荷的熱流密度設(shè)置為0[6]。

使用Fluent瞬態(tài)求解器，計(jì)算動(dòng)力電池包自然對(duì)流，并監(jiān)測(cè)關(guān)注點(diǎn)空氣溫度；動(dòng)力電池包監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖4所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度曲線如圖5所示，暴曬3000s后動(dòng)力電池包切片溫度分布如圖6所示：

如圖5所示，箱體內(nèi)空氣最高溫度62℃，位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處（箱蓋下端面貼近點(diǎn)）；其溫度在3000s之后基本趨于平緩，為使膨脹平均速率最大，取暴曬時(shí)間t =3000s（50minute）。

2.3 電池包暴曬鼓脹高度

動(dòng)力電池箱側(cè)面安裝有一個(gè)防水透氣閥，在箱體內(nèi)空氣溫度達(dá)到最高溫度62℃前，透氣閥就已開(kāi)啟，透氣量在301.9 mL/min時(shí)，與空氣膨脹速率達(dá)到平衡，平衡壓力9kPa，如圖7所示：

3 動(dòng)力電池包暴曬試驗(yàn)

為驗(yàn)證動(dòng)力電池包暴曬鼓脹計(jì)算，在6月晴朗天氣中午13點(diǎn)（氣溫24℃），對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行暴曬試驗(yàn)，如圖1所示，測(cè)量并記錄箱蓋中間位置鼓脹凸起高度，如圖9所示。

在動(dòng)力電池包暴曬過(guò)程中，當(dāng)防水透氣閥透氣量與箱體內(nèi)空氣膨脹速率相等后，箱蓋鼓脹高度會(huì)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生在最大凸起14.58mm之后，動(dòng)態(tài)平衡高度13.12mm（從最大凸起開(kāi)始，測(cè)量凸起高度平均）。

4 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

動(dòng)力電池包暴曬箱蓋鼓脹理論計(jì)算高度是一個(gè)固定值，而試驗(yàn)測(cè)量值為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡值，取箱蓋凸起最大高度與理論值進(jìn)行對(duì)比，其相對(duì)誤差小于10%。

5 結(jié)論

本文中重點(diǎn)論述了動(dòng)力電池包鼓脹高度的計(jì)算過(guò)程，并與室外暴曬試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，相對(duì)誤差僅9.1%，證明了理論計(jì)算的可靠性。

對(duì)于動(dòng)力電池包鼓脹值的允許范圍目前并無(wú)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故各企業(yè)需要根據(jù)動(dòng)力電池包的裝配尺寸、材料屈服強(qiáng)度等綜合因素確定一個(gè)合理值，研發(fā)人員可以根據(jù)該值反推出箱蓋鼓脹壓力，結(jié)合箱體內(nèi)空氣膨脹速率，選擇合適的防水透氣閥。

參考文獻(xiàn)：

[1]全國(guó)電氣安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）：GB 4208-2008 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：3.

[2]樊友軍，陳剛，仙錦.防水透氣閥在雷達(dá)密封腔體中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2012，28.

[3]朱永平.膠體鉛酸蓄電池殼體鼓脹成因分析與對(duì)策[J].長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9.

[4]高素欣，羅玉淋，言艷毛.電機(jī)控制器用防水透氣閥的計(jì)算及選型方法[J].客車技術(shù)與研究，2016，6.

[5]楊世銘，陶文栓編著.傳熱學(xué)[M].—北京：高等教育出版社，2006.8.

[6]王永康著.ANSYS Icepak電子產(chǎn)品散熱基礎(chǔ)教程[M].—北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.1.

[7]浦廣益編著.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].—北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.10.