前言    

從國內外有關電動汽車的研發計劃可以看出，電動汽車是當今汽車發展的熱點。動力電池作為電動汽車的核心部件，是各汽車公司的主要研究對象，而動力電池安全技術一直是人們關注的重點。作為動力來源的電池容易發生熱失控，而導致其發生熱失控的原因千奇百怪。防水透氣防爆閥是安裝在動力電池上的一種安全裝置，主要作用是當電池包內氣壓過大時能通過防爆閥實現泄壓，以維持電池與外界的氣壓平衡，且不會對電池的密封產生影響。本文通過有限元仿真分析的方法研究防水透氣防爆閥的工作狀態，為動力電池用防爆閥的設計提供一種思路。

2  防水透氣防爆閥仿真研究

2.1 防爆閥CFD分析假設與仿真模型的建立

防爆閥實際工作情況較復雜，為了便于搭建 CFD 仿真模型，提出如下假設： 

①電池包內氣體為電池包內揮發的物質與空氣的混合物，本文僅研究防爆閥上防護蓋所受壓力，故將混合氣體當做單一氣體，且該氣體物性參數可以獲?。?nbsp;

②氣體為各向同性均勻流體； 

③氣體為不可壓縮流體； 

④氣體的物性參數不隨溫度的變化而變化； 

⑤電池包內爆炸是一個氣體壓強逐漸增大的過程，在臨界狀態下防爆閥膜紙內外表面氣壓一致； 

⑥氣體流動方式為湍流，強度為 5%； 

⑦上防護蓋在閉合狀態下，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）。 

根據上述內容，搭建防爆閥 CFD 仿真分析模型，如圖 6所示。邊界條件將入口設置為“pressure-inlet”，出口設置為壓力“pressure-outlet”，將橢圓孔處設置為單獨的考察對象，并定義為“wall”，爆炸混合氣體物性參數如表 1 所示。 

圖 5   防爆閥內部主體與上防護蓋結構圖      

圖 6   防爆閥 CFD 仿真 防護蓋結構圖分析模型 

表 1   爆炸混合氣體的物性參數 

2.2 防爆閥流體仿真分析

爆炸氣體通過防爆閥膜紙進入防爆閥后，由于防爆閥內部構造較復雜，氣體流動方向與流速發生變化，本文主要考察防爆閥上防護蓋所受壓力，結果云圖如圖 7： 

圖 7   防爆閥上防護蓋橢圓孔處壓力云圖 

通過分析結果可以看出，當入口壓力為 12Kpa 時，上防護蓋所受壓力在 9-13Kpa 范圍內，且大部分都在 12Kpa 左右，與入口壓力差別不大，在進行靜力分析時，取上防護蓋壓力為 12Kpa。

2.3 防爆閥靜力分析假設與仿真模型建立

防爆閥的工作過程中結構發生很大的變化，主要表現為膜紙的變形與上防護蓋的彈開，為了更好地研究膜紙和上防護蓋的變化，現對有限元模型做如下假設： 

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，計算涉及幾何非線性； 

②彈簧用彈簧單元進行仿真，彈簧剛度已知，且只會發生 Y 方向上的位移； 

③在 12Kpa 以內，上防護蓋所承受 Y 向壓力的部位僅為橢圓孔部位。 

根據上述內容，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的 6 個方向自由度及上防護蓋 X 方向平動、Z 方向平動、XY方向旋轉、YZ 方向旋轉、ZX 方向旋轉 5 個自由度，以便模型計算時收斂。研究膜紙時，在膜紙下表面分別施加 12Kpa、18Kpa 及 25Kpa 的壓力；研究上防護蓋時，對上防護蓋橢圓孔部位施加 12Kpa 壓力即可。 

膜紙的載荷-應變曲線通過雙軸拉伸試驗得到，采用應變項殘差平方和最小的最小二乘法計算得到膜紙材料力學性能，計算步驟如下： 

①假設膜材為正交各向異性彈性材料，本構關系式按式（1）確定。 

        （1） 

式中 

NX——膜材試樣經向載荷，KN?m； 

NY——膜材試樣緯向載荷，KN?m； 

εX——膜材試樣經向應變； 

εY——膜材試樣緯向應變； 

EX——膜材試樣經向彈性模量，N?mm2； 

EY——膜材試樣緯向彈性模量，N?mm2；

vX——膜材試樣經向泊松比； 

vY——膜材試樣緯向泊松比； 

t——膜材厚度，mm。 

②按式（2）計算不同經、緯向載荷比例下得到的載荷-應變曲線的應變殘差平方和。 

 （2） 

式中，式（2）的最后一項對應于載荷比例 0：1 的狀況，倒數第二項對應于載荷比例 1：0 的狀況，第一項平方和應對應于1：1、2：1、1：2 三種雙軸拉伸狀態。 

③ E11、E12、E22相互獨立，應用最小二乘法，根據式（3）計算 E11、E12、E22。 

                      （3） 

④根據式（4）計算 EX、EY、εX、εY。                   

  （4） 

由雙軸拉伸試驗得到膜紙材料 E-ptfe 的彈性模量和泊松比，其他材料如 ADC12、阻燃硅膠參數已知，各材料參數見表 2。 

表 2   防爆閥各材料參數表 

圖 8   防爆閥靜力學仿真模型     

 圖 9   上防護蓋位移云圖 

2.3 防爆閥靜力仿真分析

膜紙下表面受電池包內部氣體壓力，力學表現為向上鼓起。當膜紙受到 12Kpa 壓力時，中心部位 Y 向位移為 4.442mm，沒有觸到頂針，不會發生破裂；當膜紙受到 18Kpa 壓力時，中心部位 Y 向位移為 6.663mm，沒有觸到頂針，不會發生破裂；當膜紙受到 25Kpa 壓力時，中心部位 Y 向位移為 9.254mm，觸到頂針，發生破裂。具體分析結果見表 3。上防護蓋下表面受氣體壓力作用，力學表現為帶動彈簧向上位移，由于上防護蓋與防爆閥主體之間有“0”型圈結構，當上蓋位移大于 0.1mm 時，認為彈簧彈開，防爆閥通過彈開縫隙泄壓。通過仿真分析結果可知，當電池包內氣體壓力到達 12Kpa 時，上防護蓋 Y 向位移為 0.107mm，大于要求的0.1mm，結果云圖如圖 9 所示。 

表 3   膜紙仿真分析結果 

3 結語

文中用 CFD 與靜力學仿真分析方法研究了電池包防爆閥隨工作狀態變化產生的結構變化。結果表明，在電池包內氣壓小于 12Kpa 時，防爆閥通過膜紙及上防護蓋上預留小孔緩慢排氣；當氣壓大于 12Kpa 小于 18Kpa 時，防爆閥通過膜紙及上防護蓋彈開進行泄壓；當氣壓大于 25Kpa 時，膜紙破開，防爆閥通過防護蓋彈開泄壓。該防爆閥滿足電池包安全性能的要求。為設計電池包防爆閥提供了一種可行的研究方法。