影響電池包氣密性的關(guān)鍵因素及改善要點

胡霞飛 劉 浩 林志宏

(合肥國軒高科動力能源有限公司工程研究院，安徽合肥 230000)

0 前言

鋰離子電池系統(tǒng)(以下簡稱“電池包”)作為新能源電動汽車的關(guān)鍵部件，其安全可靠性是決定新能源汽車性能優(yōu)劣的先決條件[1]。防水及防塵的等級要求是電池包的1項重要安全可靠性指標(biāo)。目前，大多數(shù)汽車廠商對電池包的防水及防塵等級為“IP67”[2]。本文根據(jù)國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0100304)進(jìn)行研究試驗，并得出具體方法和措施。

1 影響電池包氣密性的因素

1.1 碳素鋼鈑金箱體

一般而言，碳素鋼鈑金箱體采用鈑金沖壓成零部件后，直接進(jìn)行拼接，再進(jìn)行點焊成型。在焊接時，首先要控制焊接電流大小，防止焊穿或漏焊。其次，在箱體焊接成型后，要進(jìn)行整形處理，特別是要求箱體密封面平整、無毛刺。再次，是要保持接插件安裝面的漆膜表面粗糙度。為了驗證漆膜表面粗糙度對氣密性的影響，設(shè)計了以下試驗(圖1)。在同樣的試驗設(shè)備及試驗條件下，準(zhǔn)備體積為0.5 m3的密閉試驗箱、轉(zhuǎn)接板(3個)、接插件、防爆透氣閥和充氣軟管。具體試驗過程如下：(1)充氣前，先將轉(zhuǎn)接板表面噴涂具有不同粗糙度的漆膜，待漆膜干透后，使用表面粗糙度測量儀對3個接插件轉(zhuǎn)接板的漆膜表面粗糙度進(jìn)行3組數(shù)據(jù)的測量，誤差范圍為±3 μm；(2)將轉(zhuǎn)接板逐個安裝在試驗箱側(cè)壁上，轉(zhuǎn)接板與試驗箱有密封墊，以確保密封；(3)將充氣接頭連接防爆透氣閥進(jìn)行充氣至1 000 Pa，保壓60 s，測量不同轉(zhuǎn)接板試驗箱的泄漏量大小[3]。試驗測量的結(jié)果如表1所示。通過試驗驗證，發(fā)現(xiàn)在不同的漆膜表面粗糙度的情況下，接插件安裝面的氣密性能差異較大。在生產(chǎn)制作箱體時，須特別注意控制接插件安裝面的漆膜粗糙度，并避免此部位出現(xiàn)凸凹不平、顆粒、褶皺等缺陷。

圖1 驗證漆膜表面粗糙度對氣密性影響

表1 試驗測量結(jié)果

1.2 鋁合金型材箱體

采用“鋁型材擠壓成型+攪拌摩擦焊+冷金屬過渡(CMT)補焊”[4]的工藝是目前比較通用的做法。具體控制要點如下：首先須防止焊穿、偏縫、CMT漏焊。其次，在進(jìn)行攪拌摩擦焊時，刀具與箱體底板接觸會產(chǎn)生大量熱量，引起箱體的變形，使得后期在進(jìn)行裝配時，箱蓋壓緊密封墊，密封墊局部受壓不均勻，從而形成不同的壓縮變形率。當(dāng)電池包內(nèi)外產(chǎn)生壓差時，會產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。為保證良好的焊接質(zhì)量，減少變形及焊接缺陷，攪拌摩擦焊的建議參數(shù)為1 600～1 800 r/min,走速為800～1 000 mm/min。再次是CMT補焊，當(dāng)攪拌摩擦焊下線后，一般要采用手工補焊的方式進(jìn)行加焊，在可能漏氣或者焊接不良的位置適當(dāng)滿焊，特別是在箱體密封面邊框結(jié)合部位，此部位一般厚度為2 mm。由于鋁合金材質(zhì)本身的特性，焊接電流過小時熔焊深度不夠，容易產(chǎn)生虛焊；焊接電流過大時，薄板位置又容易產(chǎn)生開裂和穿焊。為了保證焊接強(qiáng)度，往往需要在接縫處堆焊，高度一般≤2.5 mm。然而，堆高的焊縫會在焊縫與法蘭面之間產(chǎn)生不規(guī)則角度及縫隙。在裝配環(huán)節(jié)，當(dāng)箱蓋壓縮密封墊時，密封墊會受到不同的擠壓應(yīng)力，需要對焊縫進(jìn)行打磨處理，形成最佳圓弧過渡形狀。在裝配時，密封墊受力變形，可將焊縫周邊位置進(jìn)行填充，起到良好的密封效果。裝配示意圖如圖2和圖3所示。另外，除了要調(diào)整好攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)外，還要制作精良的焊裝夾具，以減小焊接變形，降低焊接缺陷的產(chǎn)生。

圖2 密封墊壓緊前的裝配示意圖

圖3 密封墊壓緊后的裝配示意圖

1.3 鋁壓鑄箱體

鋁壓鑄箱體可以一體成型，改善要點主要針對合金材質(zhì)，防止有“砂眼”、夾渣等制造缺陷。此外，鋁壓鑄箱體對密封條安裝面的平面度和精度要求較高，需要對安裝平面進(jìn)行精加工處理。鋁壓鑄箱體一般適用于小型電池包。當(dāng)電池箱尺寸較大時，可以增加拼焊工藝來彌補。這類箱體可以很好地滿足IP67標(biāo)準(zhǔn)要求，但鑄造箱體受模具及工藝條件和自身質(zhì)量等因素的限制，對于大型電池包，需從輕量化及工藝實現(xiàn)的角度去具體考量。

1.4 密封墊

密封墊對整包的氣密性起決定性作用[5],材質(zhì)要具備阻燃性能，并符合汽車行業(yè)禁用物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時要避免永久變形。密封墊材料可使用硅膠泡棉。同種密封墊在不同壓縮率條件下的氣密性試驗數(shù)據(jù)見表2。該試驗是在同樣的試驗條件及試驗環(huán)境下進(jìn)行的。從試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，密封墊在不同的壓縮率的情況下，永久變形力差別較大，壓縮率越高，泄漏量越小，氣密性越好；反之，氣密性越差。在設(shè)計時需要綜合考慮壓縮率與永久變形率的關(guān)系。選用合適的壓縮率的同時，密封墊的寬度要盡可能的覆蓋住整個箱體密封面。

表2 不同壓縮率條件下的氣密性試驗

1.5 電池箱蓋

根據(jù)不同的制造成型工藝，電池箱蓋產(chǎn)品的韌性及強(qiáng)度差別很大。在電池包封蓋安裝時，容易造成受力不均而開裂，從而影響電池包的氣密性。在改善設(shè)計時，需要根據(jù)電池包的使用環(huán)境和具體要求進(jìn)行匹配。例如：SMC電池箱蓋可以增大箱蓋法蘭邊與立面的圓角半徑，優(yōu)化纖維分布位置，以降低開裂風(fēng)險。

1.6 電氣接插件

電氣接插件的質(zhì)量優(yōu)劣與電池包氣密性的關(guān)系最為密切。電氣接插件的改善要點主要是接插件自身的密封性，特別是插針位置要有密封設(shè)計，接插件安裝面的平面度、O型密封圈的永久變形性等方面，這些因素都會直接或間接影響電池包的氣密性。

1.7 防爆透氣閥

防爆透氣閥作為電池包的安全部件，具有內(nèi)部排氣和外部密封的雙重作用。其氣密性要求與電氣接插件類似，但要求防爆透氣閥的使用壽命應(yīng)滿足電池包的整個生命周期。因此，在設(shè)計改善時，除充分考慮其密封性外，對使用壽命也有較高的要求。

2 試驗方法

2.1 氣密性試驗

在電池包裝配完畢后，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行電池包密封性測試，滿足出貨要求。

2.2 浸水測試

在進(jìn)行浸水測試前，需要檢查電池系統(tǒng)的基本信息，包括單體電壓、單體溫度和絕緣電阻等，要確認(rèn)電池系統(tǒng)各項參數(shù)處于正常狀態(tài)。經(jīng)氣密性測試合格，并且按顧客規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求充電。將其以實車裝配狀態(tài)與整車線束相連，完全浸入1 m水深，持續(xù)30 min。在測試后，需擦干水漬，測量單體電壓、溫度和絕緣電阻，并打開上蓋檢查外殼的進(jìn)水情況。測試以顧客標(biāo)準(zhǔn)要求作為判定合格與否的依據(jù)[6]。

2.3 防塵測試

在進(jìn)行防塵測試前，需要按照浸水試驗前的要求先檢查電池包的各項參數(shù)，確保測試狀態(tài)正常。在防塵箱內(nèi)進(jìn)行防塵測試，按照測試箱容積，滑石粉用量為2 kg/m3，使用次數(shù)不超過20次。按正常位置將電池包放入測試箱內(nèi)，持續(xù)8 h,測試要求殼內(nèi)無明顯灰塵[6]。

3 結(jié)論

電池包的密封性關(guān)乎到整車的使用安全，其密封性能除上述列舉的因素外，其他零部件也會直接或間接地影響電池包的密封性能。文中提到的內(nèi)容和方法只是其中1個方面，具體的密封性測試還需要不斷的探索、創(chuàng)新和改進(jìn)。