純電動(dòng)汽車電池包即時(shí)發(fā)泡密封膠研究

常正雷，付一民，司鐸，郭海寧，周健，盛軍

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純電動(dòng)汽車電池包即時(shí)發(fā)泡密封膠研究

常正雷，付一民，司鐸，郭海寧，周健，盛軍

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100000）

動(dòng)力電池系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心部件，電池包的密封性直接影響到電池系統(tǒng)的工作安全，影響到電動(dòng)汽車的使用安全，是保證動(dòng)力電池及其內(nèi)部器件安全的屏障。為了提高電池包的密封防水性能，需要對(duì)電池箱體即時(shí)發(fā)泡密封膠的材質(zhì)、涂膠軌跡、膠的寬度和高度進(jìn)行研究，使電池箱體與即時(shí)發(fā)泡密封膠完美結(jié)合。不斷地進(jìn)行氣密性試驗(yàn)、拆裝實(shí)驗(yàn)、老化試驗(yàn)、震動(dòng)試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)，對(duì)即時(shí)發(fā)泡密封膠的密封性能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)密封膠的涂膠軌跡、膠的寬度和高度進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

純電動(dòng)汽車；電池包；電池箱體；密封；即時(shí)發(fā)泡密封膠

引言

隨著能源的緊缺及環(huán)境污染問題的日益加劇，新能源汽車成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)， 安全、節(jié)能和環(huán)保已成為當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的三大趨勢。和其他交通工具一樣，電動(dòng)汽車必須綜合考慮各部件的安全性及使用壽命等方面的要求[1]。電池包作為電池系統(tǒng)的重要部件，是保證系統(tǒng)安全的重要屏障。電池包應(yīng)首先滿足電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級(jí)IP67設(shè)計(jì)要求開發(fā)，才能保證電池系統(tǒng)密封防水，電池組不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)水而短路[1]。因此對(duì)電池包的密封防水就顯得格外重要，直接關(guān)系到電池包設(shè)計(jì)的成敗。

本文針對(duì)電池包即時(shí)發(fā)泡密封膠進(jìn)行研究，對(duì)密封膠的涂膠軌跡、膠的寬度和高度進(jìn)行優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)，從而在提高電池包密封的情況下，降低電池包的成本，實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化。

1 電池包密封結(jié)構(gòu)分析

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組輸出電壓高達(dá)300V以上，電池箱體必須密封防水，防止進(jìn)水導(dǎo)致電路短路，電池箱體防護(hù)等級(jí)要求達(dá)到IP67。對(duì)于靠自然風(fēng)冷和液冷的電池包，電池箱必須是密封的，在上蓋上加防爆閥，起到防爆作用。對(duì)于靠強(qiáng)制風(fēng)冷的電池包，除必需的通風(fēng)孔外均不能與大氣相通。密封箱內(nèi)的要求主要考慮電池冷卻氣流的流動(dòng)問題，不許在某處泄漏，避免冷卻氣流的流動(dòng)性差造成電池模塊工作溫度的不一致，從而導(dǎo)致性能的一致性進(jìn)一步的惡化[2]。電池箱體密封結(jié)構(gòu)主要由上蓋、下箱體、上蓋和下箱體之間的即時(shí)發(fā)泡密封膠構(gòu)成，首先應(yīng)該保證上蓋和下箱體沒有穿孔和縫隙且同時(shí)保證上蓋和下箱體密封面具有一定的平面度和粗糙度，上蓋和下箱體裝配時(shí)，上蓋上必須加即時(shí)發(fā)泡密封膠，所有插接頭和進(jìn)出風(fēng)道安裝處應(yīng)該加密封墊或者進(jìn)行防水處理。

2 即時(shí)發(fā)泡密封膠的技術(shù)原理

即時(shí)發(fā)泡密封膠是一種A、B雙組份固化液體硅橡膠，以1:1的比例直接于器件表面發(fā)泡成型，在室溫狀態(tài)下混合后短時(shí)間即開始發(fā)泡，在室溫狀態(tài)即可固化成型形成產(chǎn)品，產(chǎn)品的形態(tài)表面致密內(nèi)部泡孔細(xì)密均勻有優(yōu)異的回彈性。即時(shí)發(fā)泡密封膠是以液體的方式在器件表面發(fā)泡成型，其適用于電池包各種不同的密封面，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、自動(dòng)化。

圖1 產(chǎn)品成型簡圖

3 即時(shí)發(fā)泡密封膠的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證良好的密封效果，除了要保證上蓋和下箱體之間的法蘭密封面具有一定的平面度和粗糙度、固定螺栓間距 ≤100mm和下箱體中需含有保證和限制密封條壓縮量的結(jié)構(gòu)特征外，還可以參照下面的典型密封結(jié)構(gòu)形式：

圖2 典型密封結(jié)構(gòu)形式圖

根據(jù)密封材料的結(jié)構(gòu)形式、加工工藝及依據(jù)ASTM D 1056的測試項(xiàng)目，確定密封條初始厚度，有效壓縮率(W)及許用壓縮率(W0),保證密封條在密封面所有位置的實(shí)際壓縮率W1在有效壓縮率(W)和許用壓縮率(W0)之間，同時(shí)還應(yīng)該滿足一下特性：

（1）密封條有效密封寬度≥6mm；

（2）滿足密封條老化實(shí)驗(yàn)，保證箱體壽命終止時(shí)仍可以滿足IP67要求；

（3）滿足密封條反復(fù)裝拆性實(shí)驗(yàn)，保證在全生命周期內(nèi)可拆裝次數(shù) ≥5次，且拆裝前后密封性能沒有改變。

密封條的實(shí)際壓縮率W通常由以下計(jì)算公式所表示：

W=(H1-H2)/H1×100%

式中H1——?密封圈在自由狀態(tài)下的截面高度（mm）

H2——密封圈壓縮后的電池包上下蓋密封平面的高度（mm）。

然后通過CAE仿真分析計(jì)算，確定法蘭面兩個(gè)兩個(gè)限位螺母中間位置距限位螺母的距離（D）

圖3 螺孔處位移圖

通過下面公式計(jì)算相鄰螺栓中間區(qū)域密封條實(shí)際壓縮率W2：

W2=(H1-H2+D)/H1×100%

需要確保W和W1都在有效壓縮率(W)和許用壓縮率(W0)之間。

即時(shí)發(fā)泡密封膠的有效壓縮率(W)和許用壓縮率(W0)是30%和65%，采用平面的密封面結(jié)構(gòu)對(duì)即時(shí)發(fā)泡密封膠涂膠軌跡、膠的寬度和高度進(jìn)行研究，進(jìn)行了三種類型即時(shí)發(fā)泡密封膠的寬度和高度進(jìn)行了試驗(yàn)：

為了滿足密封條有效寬度≥6mm，三種密封膠的寬度分別在8mm、9mm、10mm；

圖4 驗(yàn)證密封膠的電池包

圖5 箱蓋局部打膠圖

為了滿足密封條的實(shí)際壓縮率，在下箱體上密封條限位結(jié)構(gòu)高度為2mm的基礎(chǔ)上，三種密封膠的高度分別為4.5mm、4.8mm、5.2mm，其壓縮率分別為55.6%、58.3%、61.5%。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出：即時(shí)發(fā)泡密封膠在滿足基本要求有好的壓縮率，但不易永久變形，耐腐蝕油污，可反復(fù)拆裝，且符合GB8410-2006阻燃材料的特性[6]，成本較低的條件下，寬度分別為9mm和10mm，高度分別為4.8mm和5.2mm的密封效果好。

4 即時(shí)發(fā)泡密封膠的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

4.1 氣密試驗(yàn)

把帶有即時(shí)發(fā)泡密封膠的上蓋與下箱體裝配在一起后，高低壓接插件孔堵住，留一個(gè)防爆閥口作為進(jìn)氣口，依據(jù)TWI-0561氣密檢測設(shè)備對(duì)防爆閥孔進(jìn)行充氣，充氣時(shí)間60S，充氣總壓5-6Kpa，穩(wěn)定時(shí)間60S，測試時(shí)間120S，如果測試時(shí)間段內(nèi)氣體壓降≤0.1Kpa，測試通過[4-5]。

4.2 沉水試驗(yàn)

把帶有即時(shí)發(fā)泡密封膠和防爆閥的上蓋與下箱體裝配在一起后，高低壓接插件孔堵住，把電池包完全浸入一個(gè)盛滿水的池子中，用支架從電池箱上邊把整個(gè)箱子完全壓入水中，保持箱子上表面在水下1M，保持30分鐘，如下圖所示。待時(shí)間到后取出箱子，打開上蓋，看箱體內(nèi)是否浸水。若箱子內(nèi)完全干燥，則說明電池箱體密封性至少達(dá)到了IP67以上[8]。若箱子內(nèi)部進(jìn)水，則說明密封不夠，需要繼續(xù)查找原因，不斷優(yōu)化。

圖6 沉水實(shí)驗(yàn)

4.3 拆裝試驗(yàn)

圖7 拆裝過程

把帶有即時(shí)發(fā)泡密封膠的上蓋與下箱體裝配在一起后，高低壓接插件孔堵住，留一個(gè)防爆閥口作為進(jìn)氣口，進(jìn)行氣密實(shí)驗(yàn)，通過氣密試驗(yàn)后，堵住防爆閥孔進(jìn)行沉水測試，通過沉水測試后，拆卸上蓋并靜置半小時(shí)后安裝上蓋，固定上蓋和下箱體的扭矩為4.5 N·m~5.5 N·m，再靜置半小時(shí)，重復(fù)上面的上蓋拆裝5次，然后進(jìn)行沉水測試。

4.4 老化試驗(yàn)

把帶有即時(shí)發(fā)泡密封膠的上蓋與下箱體裝配在一起后，高低壓接插件孔堵住，留一個(gè)防爆閥口作為進(jìn)氣口，進(jìn)行氣密實(shí)驗(yàn)，通過氣密試驗(yàn)后，堵住防爆閥孔進(jìn)行沉水測試，通過沉水測試后，然后依次進(jìn)行高溫（85℃±2℃，72小時(shí)）、鹽霧（中性鹽霧試驗(yàn)，24小時(shí)）、低溫（-40℃±2℃，8小時(shí)）、恒溫恒濕（38℃±2℃，95RH，17小時(shí)）、高溫（85℃±2℃，72小時(shí)）和恒溫恒濕（38℃±2℃，95RH，17小時(shí)），然后進(jìn)行沉水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)通過，繼續(xù)進(jìn)行一次從高溫到恒溫恒濕的條件，進(jìn)行沉水測試。

圖8 老化實(shí)驗(yàn)箱

4.5 震動(dòng)試驗(yàn)

把帶有即時(shí)發(fā)泡密封膠的上蓋與下箱體裝配在一起后，高低壓接插件孔堵住，留一個(gè)防爆閥口作為進(jìn)氣口，進(jìn)行氣密實(shí)驗(yàn)，通過氣密試驗(yàn)后，堵住防爆閥孔進(jìn)行沉水測試，通過沉水測試后，按照GB/T 31467.3-2015-7.1.1[3]隨機(jī)震動(dòng)測試方法進(jìn)行震動(dòng)后進(jìn)行沉水測試。

5 總結(jié)

純電動(dòng)汽車電池包的密封性，對(duì)箱體內(nèi)的電池組的安全至關(guān)重要。各企業(yè)對(duì)電池包的密封也越來越重視，新的密封結(jié)構(gòu)和密封材料也不斷出現(xiàn)。電池包的密封是在不斷摸索前進(jìn)中，不斷改進(jìn)，逐步創(chuàng)新。一個(gè)好的密封方案，必將會(huì)帶來電池包技術(shù)含量的提升，帶動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。

[1] GB/T 18384.1-2015.電動(dòng)汽車安全要求.第1部分:車載可充電儲(chǔ)能系（REESS）.

[2] 車杜蘭,周榮,喬維高.電動(dòng)汽車電池包散熱加熱設(shè)計(jì)[J].北京汽車. 2010(1).

[3] GB/T 31467.3-2015.電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng).第3部分.安全性要求與測試方法.

[4] 王庚林.密封性檢測方法的研討[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化.2000(6).

[5] 王華天,盧立新.包裝密封性檢測技術(shù)方法[J].中國包裝.2009(7).

[6] GB?8410-2006.汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性.

[7] 李東鋒,金利芳.純電動(dòng)汽車電池包密封結(jié)構(gòu)研究[A].第九屆河南省汽車工程技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2012.

[8] GB/T 4208-2017.外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）.

Study on Instant Foaming Sealant for Battery Pack of Pure Electric Vehicle

Chang Zhenglei, Fu Yimin, Si Duo, Guo Haining, Zhou Jian, Sheng Jun

( Beijing New Energy Automobile Co., Ltd., Beijing 100000 )

In order to improve the sealing and waterproofing performance of battery pack, it is necessary to study the material, track, width and height of instant foaming sealant for battery box, so that the battery box and instant foaming sealant can be perfectly combined. Continuous air tightness test, disassembly test, aging test, vibration test and immersion test were carried out to verify the sealing performance of instant foaming sealant, and to further optimize and improve the track of sealant coating, the width and height of sealant.

pure electric vehicle; battery pack; battery box; seal; instant foam sealant

B

1671-7988(2019)03-07-03

U469.72

B

1671-7988(2019)03-07-03

U469.72

常正雷，男，漢族，本科，從事動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.002