基于氦氣質(zhì)譜法的動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統(tǒng)

摘要：根據(jù)動力電池包熱管理模塊密封性檢測要求，提出一種基于氦氣質(zhì)譜法的動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統(tǒng)。為避免氦氣泄露污染，先利用低氦進行大漏粗檢，再利用氦氣進行精檢；通過氦氣回收和氮氣清掃等工藝，降低檢測成本，提高檢測可靠性；采用雙真空箱交替工作模式，提高檢測效率。經(jīng)實驗驗證，最小檢測漏率小于1.5×10-6 mbar·L/s，滿足動力電池包熱管理模塊密封性檢測要求。

關(guān)鍵詞：氦氣質(zhì)譜法；泄漏檢測；電池包熱管理模塊；真空箱

中圖分類號：TB42" " " " " " "文獻標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號：1674-2605（2024）02-0008-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.02.008

Sealing Detection System for Thermal Management Module of" " " " " " " Power Battery Pack Based on Helium Mass Spectrometry

ZHANG Rufeng1" TANG Luxin2" WANG Yonghuang1" YU Dichao1" " " " " " " " " JIANG Dezhi1" LI Bo1" MA Zhenhua1

（1.Upton Automation Systems （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510530， China

2.Guangzhou Institute of Science and Technology/Guangdong Industrial Robot Integration and" " " " Application Engineering Technology Research Center， Guangzhou 510540， China）

Abstract： According to the sealing inspection requirements of the thermal management module of the power battery pack， a sealing inspection system for the thermal management module of the power battery pack based on helium mass spectrometry is proposed. To avoid helium leakage pollution， first use low helium for large leakage rough inspection， and then use helium for fine inspection; By using processes such as helium recovery and nitrogen cleaning， the cost of testing is reduced and the reliability of testing is improved; Adopting a dual true empty box alternating working mode to improve detection efficiency. Through experimental verification， the minimum detection leakage rate is less than 1.5×10-6 mbar·L/s， which meets the sealing detection requirements of the power battery pack thermal management module.

Keywords： helium mass spectrometry; leak detection; battery pack thermal management module; vacuum chamber

0" 引言

近年來，電動汽車自燃事故時有發(fā)生，主要原因是動力電池包熱失控。目前，動力電池包一般利用液

體實現(xiàn)熱交換，而動力電池包熱管理模塊主要實現(xiàn)液冷系統(tǒng)中流體的匯流和切換功能。動力電池包熱管理模塊采用鑄鋁工藝，內(nèi)部管路之間、管路和外界之間

均不能產(chǎn)生泄露，否則可能引起電池短路。因此，對動力電池包熱管理模塊的密封性能要求極高，需要高精度的密封性檢測系統(tǒng)對其進行工藝檢測[1-3]。

動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統(tǒng)通常采用空氣檢測法[4]。其中，常規(guī)的壓氦式檢測法已較為成熟，但主要對密封性產(chǎn)品進行檢測，批量檢測效率較低[5-6]。氦氣是惰性氣體，在常溫常態(tài)下無色無味，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，且密度小于空氣密度，易從細(xì)微氣孔中滲出，適合高精度的氣密性檢測[7-9]。

本文采用氦氣質(zhì)譜法（也稱氦示蹤法）[10-13]進行動力電池包熱管理模塊的密封性檢測，通過粗檢、精檢2步檢測，使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠；具有氦氣回收、氮氣清掃功能，提高氦氣利用率，減少氦氣殘留對檢測結(jié)果的影響；具有自檢功能，通過標(biāo)準(zhǔn)氦氣漏孔對氦質(zhì)譜檢漏儀進行自校，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1" 系統(tǒng)原理

基于氦氣質(zhì)譜法的動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統(tǒng)（以下簡稱密封性檢測系統(tǒng)）工作原理如圖1所示。

1―箱蓋開啟位移傳感器；2―箱蓋關(guān)閉位移傳感器；3―產(chǎn)品感應(yīng)傳感器；4―真空規(guī)（真空度傳感器）；5―壓力傳感器；V1～V6―電磁閥。

密封性檢測系統(tǒng)主要包括泄漏檢測、氦氣回收、氮氣清掃3個氣路，其中泄漏檢測是核心氣路，其檢測過程為：

1） 打開真空箱（箱蓋開啟位移傳感器監(jiān)測箱蓋是否完全打開），將被測產(chǎn)品放入真空箱，并與氦氣接口連接；產(chǎn)品感應(yīng)傳感器感應(yīng)到被測產(chǎn)品后，關(guān)閉真空箱（箱蓋關(guān)閉位移傳感器監(jiān)測箱蓋是否完全關(guān)閉）；

2） 打開V1電磁閥，通過真空泵1對真空箱抽氣，當(dāng)真空規(guī)監(jiān)測到真空箱內(nèi)的絕對壓力小于20 Pa時，關(guān)閉V1電磁閥；

3） 粗檢，打開V2電磁閥，向被測產(chǎn)品短暫充氦氣0.5 s后，迅速關(guān)閉V2電磁閥；

4） 打開V3電磁閥，利用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測真空箱內(nèi)的氦氣漏率，并根據(jù)氦氣漏率判斷被測產(chǎn)品是否存在大漏，如果存在大漏，則終止檢測，否則，關(guān)閉V3電磁閥繼續(xù)進行精檢；

5） 精檢，打開V2電磁閥，向被測產(chǎn)品充入氦氣，當(dāng)壓力傳感器檢測充入被測產(chǎn)品的氦氣壓力達到指定檢測壓力后，關(guān)閉V2電磁閥；

6） 打開V3電磁閥，通過氦質(zhì)譜檢漏儀檢測真空箱內(nèi)氦氣漏率，并根據(jù)氦氣漏率判斷被測產(chǎn)品的密封性；

7） 關(guān)閉V3電磁閥，打開V4電磁閥，通過氦氣回收裝置回收充入被測產(chǎn)品的氦氣；

8） 打開V5電磁閥，向真空箱通入氮氣進行清掃后，打開真空箱，取出被測產(chǎn)品，檢測完成；

9） 當(dāng)懷疑檢測結(jié)果數(shù)據(jù)不可靠時，可通過氦氣漏孔進行自檢。關(guān)閉真空箱，打開V1電磁閥，利用真空泵1對真空箱抽氣，當(dāng)真空規(guī)監(jiān)測到真空箱內(nèi)的絕對壓力小于20 Pa時，關(guān)閉V1電磁閥；打開V3和V6電磁閥，通過對比氦質(zhì)譜檢漏儀的檢測數(shù)據(jù)與氦氣漏孔的標(biāo)稱漏率是否一致，判斷檢測結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

密封性檢測系統(tǒng)主要由顯示單元、氦質(zhì)譜檢漏儀、真空泵、真空箱、配電箱、氦氣瓶等組成，如圖2所示。

圖2中，2個真空箱代表2個檢測工位。當(dāng)其中一個真空箱檢測完成，處于清掃階段時，氦質(zhì)譜檢漏儀切換到另一個真空箱，對箱內(nèi)的產(chǎn)品進行檢測；此時處于清掃階段的真空箱完成清掃，人工取出產(chǎn)品，再繼續(xù)放置被測產(chǎn)品。這樣不僅提高了氦質(zhì)譜檢漏儀的利用率，還提高了檢測效率。

為提高密封性檢測系統(tǒng)的性能，對真空箱進行特殊設(shè)計和工藝加工：箱體、箱蓋均采用不銹鋼厚板制作，不易變形，焊接處的表面粗糙度Ra≤0.3 μm；箱體與水平面成20°傾斜角，方便放入、取出被測產(chǎn)品，并可加速清理真空箱內(nèi)殘留的氦氣；箱蓋采用壓緊氣缸，通過平移式壓緊設(shè)計，保證箱蓋密封性良好。

另外，氦質(zhì)譜檢漏儀應(yīng)遠離真空泵等震動源，放置位置低于真空箱，避免清掃真空箱時，殘留氦氣上升，污染氦質(zhì)譜檢漏儀。

3" 系統(tǒng)電控部分

密封性檢測系統(tǒng)電氣控制邏輯框圖如圖3所示。

密封性檢測系統(tǒng)的工控機具有程序操作界面、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)保存等功能；PLC控制系統(tǒng)通過接收或發(fā)送信號來控制密封性檢測系統(tǒng)。PLC開關(guān)量輸出包括3個真空泵（抽真空、泄漏檢測和氦氣回收）、電磁閥、聲光指示（指示密封性檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)和異常信息）；開關(guān)量輸入包括感應(yīng)傳感器、安全光柵（監(jiān)測檢測過程中操作人員或其他物品是否進入裝置）、操作按鈕（啟動、停止、保持和急停等）；模擬量輸入包括壓力傳感器、2個位移傳感器、真空規(guī)。

4 軟件部分

密封性檢測系統(tǒng)軟件采用LabVIEW編寫，程序流程圖如圖4所示。

5" 實驗驗證

5.1" 實驗要求與環(huán)境

本實驗在真空箱內(nèi)進行，環(huán)境溫度為25 ℃，空氣濕度為50%RH。測試時間為60 s，其中抽真空時間為30 s；粗檢的預(yù)充氣時間為0.5 s，大漏檢測時間為4 s；精檢的被測產(chǎn)品充氣時間為1 s，被測產(chǎn)品氦氣壓力檢測時間為1 s，被測產(chǎn)品泄漏檢測時間為9 s；氦氣回收時間為5 s，氮氣清掃時間為9.5 s。動力電池包熱管理模塊要求最小檢測漏率為1×10-5 mbar·L/s。

為驗證密封性檢測系統(tǒng)的性能，將動力電池包熱管理模塊的泄露檢測實驗分為2組：一組為合格的動力電池包熱管理模塊，另一組為合格的動力電池包熱管理模塊和漏率為1.5×10-6 mbar·L/s的氦氣漏孔，其中氦氣漏孔用于模擬被測產(chǎn)品泄漏。

5.2" 實驗結(jié)果

實驗1被測產(chǎn)品為合格的動力電池包熱管理模塊，進行15次檢測，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出：該合格動力電池包熱管理模塊的漏率很小，檢測結(jié)果全部為合格。

重復(fù)性是指在重復(fù)性測量條件下的測量精密度，可通過貝塞爾公式（公式（1））計算得到，其結(jié)果越接近0，說明系統(tǒng)的測量精密度越高。

（1）

式中：為重復(fù)性，為第i次測量的數(shù)值，為n次測量的平均值，n為重復(fù)測量次數(shù)。

將表1的檢測數(shù)據(jù)代入公式（1），計算重復(fù)性= 7.08×10-9，其非常接近0，說明本次檢測數(shù)據(jù)非常接近，也說明密封性檢測系統(tǒng)測量精密度較高。

實驗2被測產(chǎn)品由實驗1采用的合格動力電池包熱管理模塊和氦氣漏孔組成，進行15次檢測，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以看出：實驗2被測產(chǎn)品的漏率約為1.427×10-6 mbar·L/s（15次檢測結(jié)果的平均值），滿足動力電池包熱管理模塊的密封性要求，密封性檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確區(qū)分泄漏和不泄漏的產(chǎn)品。

將表2的檢測數(shù)據(jù)代入公式（1），計算重復(fù)性= 7.9×10-8，其非常接近0，說明密封性檢測系統(tǒng)在不同漏率下檢測數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。

6" 結(jié)論

基于氦氣質(zhì)譜法的動力電池包熱管理模塊密封

性檢測系統(tǒng)采用粗檢、精檢2步檢測方法，實現(xiàn)自校準(zhǔn)、人機交互等功能，提高了密封性檢測的速度和精度。經(jīng)實驗驗證，該密封性檢測系統(tǒng)測試的重復(fù)性可達7.08×10-9 mbar·L/s，最小可檢泄漏1.427×10-6 mbar·L/s，滿足動力電池包熱管理模塊最小檢測漏率1×10-5 mbar·L/s的要求。但該系統(tǒng)目前只能檢測泄漏的總量，無法判斷被測產(chǎn)品泄漏的位置，還需優(yōu)化改進。

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作者簡介：

張儒鋒，男，1984年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術(shù)。E-mail： 13560240622@163.com

唐露新，男，1958年生，碩士研究生，教授，主要研究方向：儀器科學(xué)與技術(shù)、智能控制、光機電一體化。E-mail： tangluxin@21cn.com

王勇煌，男，1985年生，?？疲饕芯糠较颍好芊庑詼y試技術(shù)。E-mail： wang.yh@upton.cn

余迪超，男，1985年生，本科，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術(shù)與自動化技術(shù)。E-mail： yu.dc@upton.cn

姜徳志，男，1977年生，本科，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術(shù)。E-mail： jdz@upton.cn

李波，男，1979年生，本科，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術(shù)。E-mail： libo@upton.cn

馬鎮(zhèn)華，男，1992年生，?？?，助理工程師，主要研究方向：密封性測試技術(shù)與計量校準(zhǔn)。E-mail： ma.zh@upton.cn