發(fā)泡硅橡膠在電池包殼體密封圈上的應(yīng)用研究

李書鵬，李波

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司廣汽研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

電池包作為純電動汽車的動力來源，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，并含有大量電子元器件。根據(jù)GB 4208-2017《外殼防護(hù)等級(IP代碼)》對電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級要求，電池包應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的防護(hù)等級。目前行業(yè)內(nèi)對電池包的防護(hù)等級要求一般要達(dá)到IP67，才能保證電池包密封防水防塵，電池組不會進(jìn)水而引起短路[1]。因此，電池包防水、防塵的可靠性設(shè)計就變得尤其重要。

1 電池包殼體密封圈應(yīng)用方案介紹

目前市場上量產(chǎn)的電池包中，殼體密封圈主要有三大類，分別是橡膠密封圈類(材質(zhì)主要為EPDM、SBR等)、膠黏劑類(材質(zhì)主要為有機(jī)硅體系)、泡綿膠帶類(材質(zhì)主要為發(fā)泡硅橡膠、聚氨酯等)。各類型的成型工藝、優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 密封圈方案對比

2 電池包殼體密封用材性能

動力電池包通常被安裝在新能源汽車的底部，長期使用的工況比較苛刻，同時為了滿足電池包全壽命使用的密封性、安全性及施工便利性要求，在選擇密封圈材料時應(yīng)主要考慮以下性能：密度、吸水率、壓縮應(yīng)力松弛、壓縮永久變形、撕裂強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和阻燃性等，對于發(fā)泡材料還需要考慮泡孔結(jié)構(gòu)(閉孔、開孔或通孔)、膠黏劑材料還需考慮固化時間等。

此次選取某供應(yīng)商提供的發(fā)泡硅橡膠(A牌號)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)泡硅橡膠材料相關(guān)性能，評估發(fā)泡硅橡膠應(yīng)用于電池包密封圈的可行性。材料的信息見表2。

表2 材料信息

2.1 吸水率

根據(jù)ASTM D1056《Standard Specification for Flexible Cellular Materials-Sponge or Expanded Rubber》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法(僅使用于閉孔發(fā)泡材料)，測試發(fā)泡硅橡膠的吸水率。將試樣浸入蒸餾水面以下50 mm處，降低水面壓力到17 kPa，保持180 s。釋放真空，恢復(fù)到大氣壓下保持180 s，取出試樣，去除表面水分，按式(1)計算吸水率，結(jié)果見表3。

(1)

式中：W為吸水率，%；A為試驗(yàn)后的質(zhì)量，g；B為試驗(yàn)前的質(zhì)量，g。

表3 吸水率測試結(jié)果

2.2 壓縮應(yīng)力松弛

當(dāng)向橡膠施加一恒定應(yīng)變時，保持該應(yīng)變所需的力不是恒定不變的，而是隨時間的增加而降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛[2]。電池包上下殼體對密封圈的最大壓縮量一般不超過50%，壓縮量通常為恒定值。此時，壓縮應(yīng)力松弛就是衡量材料長期密封性的重要指標(biāo)。根據(jù)GB/T 1685-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 在常溫和高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測定》中規(guī)定的方法，考查發(fā)泡硅橡膠在85 ℃/2 000 h加速老化的壓縮應(yīng)力松弛性能，按式(2)計算規(guī)定測試時間下的應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛曲線見圖1，結(jié)果見表4。

(2)

式中：R(t)為應(yīng)力松弛，%；F0為30 min后測量的初始作用力，N；Ft為達(dá)到規(guī)定時間t后測量的作用力，N。

圖1 壓縮應(yīng)力松弛曲線

材料發(fā)泡硅橡膠(A牌號)測試方法GB/T 1685-2008 (A法)結(jié)果/%14.7

2.3 壓縮永久變形

與壓縮應(yīng)力松弛相比，壓縮永久變形是衡量橡膠在受不同壓縮量的時候，抵抗永久變形的能力。壓縮量大小直接影響密封圈的密封性：壓縮量過小，則會引起泄漏；壓縮量過大，則容易發(fā)生永久變形。因此，通過考察材料的壓縮永久變形，對密封圈設(shè)計時壓縮量的選取有著重要意義。根據(jù)ASTM D1056《Standard Specification for Flexible Cellular Materials-Sponge or Expanded Rubber》中規(guī)定的方法，測試材料的壓縮變形。由于密封圈的厚度定義一般在5 mm，此次測試選取的材料厚度也是5 mm，壓縮量選取50%，條件選取85 ℃/2 000 h進(jìn)行加速測試，按式(3)計算規(guī)定測試時間的壓縮變形，結(jié)果見表5。

(3)

式中：C為壓縮變形，%；t0為初始厚度，mm；t1為壓縮后恢復(fù)厚度，mm；ts為限位塊厚度，mm。

表5 發(fā)泡硅橡膠(A牌號)壓縮永久變形測試結(jié)果

2.4 其他性能

吸水率、壓縮應(yīng)力松弛和壓縮永久變形是衡量材料密封性的3個重要指標(biāo)，然而對于電池包殼體密封圈而言，除了對密封性有要求外，對密封圈的安裝便利性(可反復(fù)拆裝)、阻燃性及環(huán)境適應(yīng)性等也有要求。

對于較大尺寸的密封圈，在安裝施工過程中，尤其需要反復(fù)拆裝時，要求材料具有良好的抗撕裂強(qiáng)度。然而對于發(fā)泡硅橡膠材料，由于其本身強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度一般在0.3～0.6 MPa，因此，考慮到施工操作時，需要發(fā)泡硅膠的抗撕裂強(qiáng)度大于拆裝時泡綿與殼體的粘接力，以免在拆裝時泡綿本體被撕裂影響裝配。

此外，動力電池包的防火設(shè)計也至關(guān)重要，阻燃等級要求較高，目前行業(yè)內(nèi)常見的要求一般要達(dá)到V-0的阻燃等級。密封圈作為電池包部件之一，也必須滿足V-0的阻燃等級。與烴類橡膠相比，硅橡膠極限氧指數(shù)較高，燃燒速度慢，本身就是一種優(yōu)質(zhì)的阻燃材料[3]。因此，對發(fā)泡硅橡膠進(jìn)行阻燃處理后，根據(jù)UL94《Test for Flammability of Plastic Materials for Parts

in Devices and Appliances》中規(guī)定方法測試，發(fā)泡硅橡膠(A牌號)滿足V-0的阻燃要求。

3 結(jié)束語

發(fā)泡硅橡膠既具有硅橡膠耐熱、耐寒及阻燃優(yōu)良的特性，又具有海綿的固有彈性[4]。選取某供應(yīng)商A牌號的發(fā)泡硅橡膠，通過測試材料的吸水率、壓縮應(yīng)力松弛、壓縮永久變形、抗撕裂強(qiáng)度及阻燃特性得出：發(fā)泡硅橡膠具有較低的吸水性、優(yōu)異的壓縮應(yīng)力松弛及抵抗永久變形的能力，可作為電池包密封圈選材之一。

然而電池包的密封性不僅與材料有關(guān)，還與密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著密切的關(guān)系。因此，一個好的密封方案，不僅需要匹配合適的材料，也需要搭配合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計。電池包的密封也是行業(yè)內(nèi)一直在研究的課題，只有不斷地嘗試、創(chuàng)新，才能找到最優(yōu)的解決方案，帶動行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1]李東鋒，金利芳.純電動汽車電池包密封結(jié)構(gòu)研究[C]//第九屆河南省汽車工程技術(shù)研討會論文集.許昌：河南省汽車工程學(xué)會，2012：312.

[2]全國橡膠與橡膠制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會橡膠物理和化學(xué)試驗(yàn)方法分會.硫化橡膠或熱塑性橡膠在常溫和高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測定:GB/T 1685-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]韋震宇，鄒華，張立群，等.硅橡膠阻燃及成炭性能研究[J].特種橡膠制品，2011，32(2)：15-20.

WEI Z Y,ZOU H,ZHANG L Q,et al.Research on Flame Retardance and Charring of Silicone Rubber[J].Special Purpose Rubber Products,2011，32(2)：15-20.

[4]趙紅娟.發(fā)泡硅橡膠膠料[J].橡膠參考資料，2002，32(1)：13-16.