基于ANSYS的动力电池包防水透气阀的计算

徐长成 何帅强 夏诗忠 孙亚茹 杨耿明

摘 要：防水透气阀是动力电池包的的关键零部件，其一方面影响到箱体IP67防护性能，同时也关系到箱体内外气压的平衡，因此合理选择防水透气阀对提高动力电池包的可靠性至关重要。本文从动力电池箱内空气膨胀速率和防水透气阀排气速率平衡出发，详述了箱体内空气膨胀速率的计算过程，根据其与防水透气阀排气速率的平衡点，求出箱体鼓胀高度，并与电池箱暴晒试验鼓胀高度进行了对比。

关键词：动力电池包；防水透气阀；箱体鼓胀；ANSYS Icepak

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：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

防水透气阀是动力电池包的关键零部件，通常安装在电池包的侧壁壳体上，起到气压平衡的同时又能防水（动力电池包Ingress Protection Rating 67[1]要求）的一个器件[2]。

动力电池包作为动力电池的集合体，在工作时（内部热源）或高温暴晒（外部热源）情况下，箱体会吸收大量的热量，箱体内空气发生热胀，膨胀空气将由防水透气阀排出；热源中断后，箱体内空气又会冷缩，外界空气由防水透气阀吸入；因此，防水透气阀的合理选型，对动力电池包箱体内外气压平衡至关重要[3]。

本文以动力电池包暴晒鼓胀（外部热源）为例，介绍了动力电池包防水透气阀的计算[4]。

2 动力电池包暴晒鼓胀计算

本文主要论述动力电池包暴晒过程的鼓胀，电池包并未通电，故可将电池模组、电气系统简化为块，详细模型如图3所示：

2.2 动力电池包暴晒模拟

箱体、箱盖用Q235，厚度0.8mm钣金折弯焊接而成；模组材质为铝，使用ANSYS Icepak软件对电池包进行暴晒模拟，假设电池包置于太阳正下方，使用热流密度来模拟太阳辐射；根据暴晒地时区、纬度、经度，使用Solar Flux Calculator工具计算出太阳热流密度为887W/m2，考虑电池包表面为黑色，漫反射载荷的热流密度设置为0[6]。

使用Fluent瞬态求解器，计算动力电池包自然对流，并监测关注点空气温度；动力电池包监测点布局如图4所示，监测点温度曲线如图5所示，暴晒3000s后动力电池包切片温度分布如图6所示：

如图5所示，箱体内空气最高温度62℃，位于监测点3处（箱盖下端面贴近点）；其温度在3000s之后基本趋于平缓，为使膨胀平均速率最大，取暴晒时间t =3000s（50minute）。

2.3 电池包暴晒鼓胀高度

动力电池箱侧面安装有一个防水透气阀，在箱体内空气温度达到最高温度62℃前，透气阀就已开启，透气量在301.9 mL/min时，与空气膨胀速率达到平衡，平衡压力9kPa，如图7所示：

3 动力电池包暴晒试验

为验证动力电池包暴晒鼓胀计算，在6月晴朗天气中午13点（气温24℃），对动力电池包进行暴晒试验，如图1所示，测量并记录箱盖中间位置鼓胀凸起高度，如图9所示。

在动力电池包暴晒过程中，当防水透气阀透气量与箱体内空气膨胀速率相等后，箱盖鼓胀高度会处于一个动态平衡，动态平衡发生在最大凸起14.58mm之后，动态平衡高度13.12mm（从最大凸起开始，测量凸起高度平均）。

4 仿真与试验对比

动力电池包暴晒箱盖鼓胀理论计算高度是一个固定值，而试验测量值为一个动态平衡值，取箱盖凸起最大高度与理论值进行对比，其相对误差小于10%。

5 结论

本文中重点论述了动力电池包鼓胀高度的计算过程，并与室外暴晒试验进行了对比，相对误差仅9.1%，证明了理论计算的可靠性。

对于动力电池包鼓胀值的允许范围目前并无国家、行业标准，故各企业需要根据动力电池包的装配尺寸、材料屈服强度等综合因素确定一个合理值，研发人员可以根据该值反推出箱盖鼓胀压力，结合箱体内空气膨胀速率，选择合适的防水透气阀。

参考文献：

[1]全国电气安全标准化技術委员会.外壳防护等级（IP代码）：GB 4208-2008 [S].北京：中国标准出版社，2008：3.

[2]樊友军，陈刚，仙锦.防水透气阀在雷达密封腔体中的应用[J].电子机械工程，2012，28.

[3]朱永平.胶体铅酸蓄电池壳体鼓胀成因分析与对策[J].长沙通信职业技术学院学报，2010，9.

[4]高素欣，罗玉淋，言艳毛.电机控制器用防水透气阀的计算及选型方法[J].客车技术与研究，2016，6.

[5]杨世铭，陶文栓编著.传热学[M].—北京：高等教育出版社，2006.8.

[6]王永康著.ANSYS Icepak电子产品散热基础教程[M].—北京：国防工业出版社，2015.1.

[7]浦广益编著.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].—北京：中国水利水电出版社，2010.10.