防水透氣閥在動(dòng)力電池設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王磊 劉崇威 沙鶴松

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司保定研發(fā)分公司，保定 071000）

1 前言

隨著新能源汽車的發(fā)展，動(dòng)力電池作為關(guān)鍵總成受到越來(lái)越多的關(guān)注。動(dòng)力電池一般布置在地板下部，為了防止水進(jìn)入電池包造成內(nèi)部電路短路，進(jìn)而引發(fā)安全事故，動(dòng)力電池的防塵防水等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP67，這實(shí)際上使動(dòng)力電池箱體形成了密封空間[1]。動(dòng)力電池長(zhǎng)時(shí)間工作在復(fù)雜的工況下，內(nèi)部電芯的發(fā)熱、冷卻過(guò)程及外部環(huán)境的變化都會(huì)導(dǎo)致電池包內(nèi)外壓力失衡。電池包內(nèi)氣壓大于電池包外氣壓會(huì)造成電池箱體膨脹，甚至影響電氣件的正常工作，極端情況下還會(huì)引起電池包爆炸；電池包內(nèi)氣壓小于電池包外氣壓時(shí)，會(huì)形成“呼吸效應(yīng)”[2]，影響密封效果。故在動(dòng)力電池設(shè)計(jì)中需考慮防水透氣需求。

本文從動(dòng)力電池設(shè)計(jì)實(shí)際出發(fā)，根據(jù)動(dòng)力電池的使用工況進(jìn)行防水透氣閥選型并對(duì)其提出防爆技術(shù)要求。

2 動(dòng)力電池包的典型工作工況

車輛運(yùn)行工況的復(fù)雜性決定了動(dòng)力電池工作工況的復(fù)雜性。導(dǎo)致電池包內(nèi)外氣壓不平衡的典型工況包括：

a.車輛由靜止進(jìn)入行駛狀態(tài)，電池包內(nèi)部在較短時(shí)間內(nèi)提高到某一溫度，電池包內(nèi)壓力增大。

b. 車輛由行駛進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，電芯逐步冷卻，電池包內(nèi)溫度逐漸降低，包內(nèi)氣壓減小。

c.車輛由平原（高原）進(jìn)入高原（平原）行駛，電池包內(nèi)氣壓逐漸大于（小于）外部氣壓。

d.電芯發(fā)生熱失控，在極短時(shí)間內(nèi)氣壓急劇增大。

3 防水透氣閥的工作原理

透氣閥的核心部分是防水透氣膜，由膨體聚四氟乙烯薄膜（EPTFE）制成，具有微米級(jí)直徑的網(wǎng)狀微孔[3-4]。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)易于空氣穿透，而液態(tài)水不能通過(guò)[5]，同時(shí)，這種薄膜也能捕捉到小至0.1 μm 的微粒，可以阻止細(xì)小的鹽結(jié)晶、灰塵進(jìn)入密封腔體內(nèi)部，從而達(dá)到防水、防塵、透氣的目的[6]。水蒸氣分子與空氣分子直徑相當(dāng)，因此這種薄膜對(duì)水蒸氣和空氣的通過(guò)率相同，故無(wú)法阻止水蒸氣進(jìn)入密閉空間。

圖1 EPTFE膜防水透氣示意

對(duì)動(dòng)力電池而言，考慮到電芯可能出現(xiàn)熱失控的極端工況：電池包內(nèi)的氣壓急劇增大，氣體無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)透氣閥中的透氣膜釋放，氣壓積聚到一定程度時(shí)會(huì)引起電池包爆炸。故在透氣閥中設(shè)計(jì)刺針，當(dāng)電池包內(nèi)達(dá)到一定氣壓時(shí)，透氣膜會(huì)被刺針刺破，使內(nèi)外氣壓直通，從而大幅增加透氣閥的透氣量，以防電池包發(fā)生爆炸，該壓力稱為防水透氣閥的防爆壓力或直通壓力[7]。由于動(dòng)力電池用防水透氣閥相較于傳統(tǒng)防水透氣閥增加了防爆功能，這種防水透氣閥也稱為防爆閥。

4 防水透氣閥選型

4.1 透氣量的理論計(jì)算

防水透氣閥可在動(dòng)力電池使用工況發(fā)生變化時(shí)，保持電池包內(nèi)外氣壓平衡。

粘貼于動(dòng)力電池包箱體上的防水透氣膜長(zhǎng)時(shí)間浸泡時(shí)易脫落，所以在整車空間允許的情況下，優(yōu)先選用螺紋安裝的防水透氣閥。選用防水透氣閥時(shí)應(yīng)充分考慮動(dòng)力電池的典型使用工況，以確定透氣閥的透氣量。動(dòng)力電池用防水透氣閥的技術(shù)指標(biāo)有使用溫度范圍、防水等級(jí)、透氣量和防爆壓力等。

根據(jù)理想氣體熱力學(xué)原理，空氣溫度每升高1 ℃，其體積膨脹率為1/273，設(shè)溫升前、后的壓差為ΔP，溫升后需透氣量為V，則有：

式中，P1為設(shè)備溫升前的壓強(qiáng)，一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3 kPa；T1、T2分別為溫升前、后的溫度；V1為電池包凈容積；t為溫升時(shí)間。

以凈容積為27 L 的動(dòng)力電池包為例，中國(guó)東北地區(qū)冬季最低溫度約為-30 ℃，車輛靜置狀態(tài)下，電池包內(nèi)溫度與環(huán)境溫度相同，車輛起動(dòng)30 min后，電芯（模組內(nèi)）溫度升至約55 ℃，假設(shè)電池包內(nèi)空氣溫度與電芯模組溫度相同，由式（2）可得，此工況下需要的透氣閥透氣量為0.28 L/min。

4.2 冷凝現(xiàn)象

空氣中濕度較大且電池包內(nèi)溫度降幅較大時(shí)，電池包內(nèi)容易發(fā)生冷凝現(xiàn)象。相對(duì)空氣濕度φ可表示為[8-9]：

空氣中的含水量f可表示為：

式中，e為空氣中實(shí)際水汽壓強(qiáng)；E為飽和水汽壓強(qiáng)；F為飽和水汽密度。

4.3 防水透氣閥的選型

根據(jù)電池包上蓋的最大承壓能力確定防爆閥的防爆壓力（需確保防爆閥開啟直通前上蓋不破裂，不同材質(zhì)及安裝方式的上蓋所能承受的壓力不同），根據(jù)車輛使用工況確定工作溫度，根據(jù)電池包的防護(hù)等級(jí)確定防水透氣閥的防護(hù)等級(jí)，所選擇防水透氣閥的詳細(xì)要求如表1 所示，透氣閥透氣量如圖2所示。安裝透氣閥2個(gè)，如圖3所示。

表1 防水透氣閥參數(shù)

圖2 防水透氣閥透氣量及氣壓曲線

圖3 防水透氣閥安裝示意

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算東北地區(qū)典型工況下，動(dòng)力電池包內(nèi)部因“冷凝”現(xiàn)象產(chǎn)生的液態(tài)水量，不同溫度下的飽和水汽密度可以通過(guò)查表得到。設(shè)長(zhǎng)春地區(qū)冬季空氣相對(duì)濕度為φ1=60%、夜間最低溫度為-30 ℃、車庫(kù)內(nèi)溫度為25 ℃，凈容積為V1=27 L的動(dòng)力電池包在該工況下循環(huán)使用。

查表可得：25 ℃時(shí)，飽和水汽密度F1=23 g/m3，空氣中的含水量f1=φ1F1V1=0.373 g；-30 ℃時(shí)，飽和水汽密度F2=0.33 g/m3，空氣中的含水量f2=φ1F2V1=0.005 g。故可得由25 ℃環(huán)境進(jìn)入-30 ℃環(huán)境時(shí)的冷凝水質(zhì)量為Δf=0.368 g。

為驗(yàn)證車輛在此極限工況下循環(huán)使用時(shí)冷凝現(xiàn)象是否會(huì)影響電池包的絕緣性能（電池包的絕緣阻值），開展如下模擬試驗(yàn)：電池包在25 ℃的環(huán)境下靜置12 h后進(jìn)入-30 ℃環(huán)境靜置12 h，并重復(fù)7個(gè)循環(huán)，然后拆包查看電池包內(nèi)的水汽情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，電池包內(nèi)未出現(xiàn)明顯的水跡。用電壓表及絕緣表測(cè)試電池包的電壓及絕緣情況，結(jié)果如表2 所示，試驗(yàn)前、后電池包電壓基本一致，絕緣阻值一致。

圖4 測(cè)試后電池包內(nèi)情況

表2 電池包試驗(yàn)前、后絕緣電阻

試驗(yàn)結(jié)果表明，電池包在典型工況下工作時(shí)，不會(huì)因冷凝現(xiàn)象出現(xiàn)積水及電池包絕緣失效情況。

動(dòng)力電池包按GB/T 4208《外殼防護(hù)等級(jí)（IP 代碼）》的要求進(jìn)行IPX7的防水試驗(yàn)，將電池包靜置于水下1 m 深處30 min 后，取出電池包，開蓋檢查，試驗(yàn)前、后絕緣阻值均為500 MΩ，電池包滿足IP67 的防護(hù)等級(jí)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)驗(yàn)證和產(chǎn)品實(shí)際使用效果表明，動(dòng)力電池箱體加裝防水透氣閥后，既能有效保持電池包內(nèi)外壓力平衡，又能保證電池包達(dá)到IP67 防水等級(jí)，滿足動(dòng)力電池的性能需求。本文針對(duì)防水透氣閥帶來(lái)的冷凝現(xiàn)象對(duì)動(dòng)力電池絕緣性的影響僅在東北地區(qū)溫差較大的工況下開展了驗(yàn)證，后續(xù)需在南方地區(qū)高溫高濕工況下及更加復(fù)雜的自然環(huán)境工況下進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。