基于ANSYS的動力電池包防水透氣閥的計算

徐長成 何帥強 夏詩忠 孫亞茹 楊耿明

摘 要：防水透氣閥是動力電池包的的關鍵零部件，其一方面影響到箱體IP67防護性能，同時也關系到箱體內外氣壓的平衡，因此合理選擇防水透氣閥對提高動力電池包的可靠性至關重要。本文從動力電池箱內空氣膨脹速率和防水透氣閥排氣速率平衡出發，詳述了箱體內空氣膨脹速率的計算過程，根據其與防水透氣閥排氣速率的平衡點，求出箱體鼓脹高度，并與電池箱暴曬試驗鼓脹高度進行了對比。

關鍵詞：動力電池包；防水透氣閥；箱體鼓脹；ANSYS Icepak

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：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

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

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

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

2 動力電池包暴曬鼓脹計算

本文主要論述動力電池包暴曬過程的鼓脹，電池包并未通電，故可將電池模組、電氣系統簡化為塊，詳細模型如圖3所示：

2.2 動力電池包暴曬模擬

箱體、箱蓋用Q235，厚度0.8mm鈑金折彎焊接而成；模組材質為鋁，使用ANSYS Icepak軟件對電池包進行暴曬模擬，假設電池包置于太陽正下方，使用熱流密度來模擬太陽輻射；根據暴曬地時區、緯度、經度，使用Solar Flux Calculator工具計算出太陽熱流密度為887W/m2，考慮電池包表面為黑色，漫反射載荷的熱流密度設置為0[6]。

使用Fluent瞬態求解器，計算動力電池包自然對流，并監測關注點空氣溫度；動力電池包監測點布局如圖4所示，監測點溫度曲線如圖5所示，暴曬3000s后動力電池包切片溫度分布如圖6所示：

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

2.3 電池包暴曬鼓脹高度

動力電池箱側面安裝有一個防水透氣閥，在箱體內空氣溫度達到最高溫度62℃前，透氣閥就已開啟，透氣量在301.9 mL/min時，與空氣膨脹速率達到平衡，平衡壓力9kPa，如圖7所示：

3 動力電池包暴曬試驗

為驗證動力電池包暴曬鼓脹計算，在6月晴朗天氣中午13點（氣溫24℃），對動力電池包進行暴曬試驗，如圖1所示，測量并記錄箱蓋中間位置鼓脹凸起高度，如圖9所示。

在動力電池包暴曬過程中，當防水透氣閥透氣量與箱體內空氣膨脹速率相等后，箱蓋鼓脹高度會處于一個動態平衡，動態平衡發生在最大凸起14.58mm之后，動態平衡高度13.12mm（從最大凸起開始，測量凸起高度平均）。

4 仿真與試驗對比

動力電池包暴曬箱蓋鼓脹理論計算高度是一個固定值，而試驗測量值為一個動態平衡值，取箱蓋凸起最大高度與理論值進行對比，其相對誤差小于10%。

5 結論

本文中重點論述了動力電池包鼓脹高度的計算過程，并與室外暴曬試驗進行了對比，相對誤差僅9.1%，證明了理論計算的可靠性。

對于動力電池包鼓脹值的允許范圍目前并無國家、行業標準，故各企業需要根據動力電池包的裝配尺寸、材料屈服強度等綜合因素確定一個合理值，研發人員可以根據該值反推出箱蓋鼓脹壓力，結合箱體內空氣膨脹速率，選擇合適的防水透氣閥。

參考文獻：

[1]全國電氣安全標準化技術委員會.外殼防護等級（IP代碼）：GB 4208-2008 [S].北京：中國標準出版社，2008：3.

[2]樊友軍，陳剛，仙錦.防水透氣閥在雷達密封腔體中的應用[J].電子機械工程，2012，28.

[3]朱永平.膠體鉛酸蓄電池殼體鼓脹成因分析與對策[J].長沙通信職業技術學院學報，2010，9.

[4]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，2016，6.

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

[6]王永康著.ANSYS Icepak電子產品散熱基礎教程[M].—北京：國防工業出版社，2015.1.

[7]浦廣益編著.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].—北京：中國水利水電出版社，2010.10.