新能源汽車電池包動態(tài)氣密性實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘 要：隨著全球氣候變化和能源危機(jī)的加劇，新能源汽車因其節(jié)能、綠色高效的特點(diǎn)，成為交通工具發(fā)展的重要方向。電池包作為新能源汽車的核心部件，其氣密性對車輛的安全性和電池壽命至關(guān)重要。當(dāng)前，電池包的氣密性檢測主要集中在靜態(tài)檢測，但在車輛實(shí)際行駛過程中，動態(tài)氣密性對車輛性能的影響不容忽視，因此急需一種能夠?qū)崟r(shí)檢測與監(jiān)控電池包氣密性的系統(tǒng)。文章提出了一種新能源汽車電池包動態(tài)氣密性實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估電池包在行駛過程中的氣密性，旨在顯著提升車輛行駛的安全性，并為新能源汽車電池包的氣密性檢測技術(shù)提供新的思路與解決方案。

關(guān)鍵詞：電池包 動態(tài)氣密性 電池壽命

1 緒論

1.1 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

面對全球氣候變化和能源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，新能源汽車憑借其顯著的節(jié)能性、綠色環(huán)保及高效能特性，已迅速崛起為交通工具領(lǐng)域發(fā)展的主流方向，并持續(xù)吸引著全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注[1]。國際社會對于減少溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的緊迫性認(rèn)識日益加深。在此背景下，能源危機(jī)，尤其是傳統(tǒng)化石燃料的枯竭風(fēng)險(xiǎn)與價(jià)格波動，成為推動全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與升級的又一重要驅(qū)動力。

新能源汽車，作為能源轉(zhuǎn)型浪潮中的先鋒，憑借其節(jié)能、環(huán)保、高效的顯著優(yōu)勢，正穩(wěn)步邁向未來交通出行的核心舞臺。這些車輛主要依賴電力或其他可再生能源作為動力源，顯著降低了對石油等傳統(tǒng)能源的依賴，從而有效減少了二氧化碳及其他有害氣體的排放，為緩解全球變暖、改善空氣質(zhì)量作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。新能源汽車的興起，不僅是應(yīng)對全球能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化挑戰(zhàn)的關(guān)鍵舉措，更是推動交通領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要力量。

與此同時(shí)，新能源汽車的快速發(fā)展還帶動了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的蓬勃發(fā)展。從電池、電機(jī)、電控等關(guān)鍵零部件的研發(fā)與生產(chǎn)，到充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)營，每一個(gè)環(huán)節(jié)都充滿了創(chuàng)新與活力，為經(jīng)濟(jì)增長注入了強(qiáng)勁的新動力。在全球范圍內(nèi)，中國已穩(wěn)居新能源汽車發(fā)展的領(lǐng)先地位，產(chǎn)銷量連續(xù)多年位居世界第一，構(gòu)建了完善的產(chǎn)業(yè)體系，并展現(xiàn)出強(qiáng)大的國際競爭力。這一成就的背后，既離不開中國政府對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的大力扶持與政策引導(dǎo)，也離不開中國車企在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)及市場拓展等方面的持續(xù)努力與卓越貢獻(xiàn)。

然而，盡管新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，其快速發(fā)展之路亦非坦途，面臨著續(xù)航里程焦慮、充電設(shè)施不足等顯著挑戰(zhàn)。尤為關(guān)鍵的是，新能源汽車動力系統(tǒng)的核心部件——電池，其高昂的成本及部分品牌電池容量的快速衰減[1]，加之電池包固有的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，一旦失控即可能引發(fā)火災(zāi)事故[2]，使得提升電池包的安全性與使用壽命成為亟待解決的重要課題。

1.2 電池包氣密性重要性

在新能源汽車及儲能技術(shù)日益發(fā)展的今天，電池包作為能量儲存與供給的核心組件，其性能的穩(wěn)定與安全性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率與用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。其中，電池包的氣密性作為衡量其設(shè)計(jì)制造水平及安全性能的重要指標(biāo)之一，其重要性不言而喻。

氣密性，簡而言之，是指電池包內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕的能力，即防止水分、塵埃、腐蝕性氣體等有害物質(zhì)侵入電池包內(nèi)部，同時(shí)確保電池包在壓力變化時(shí)不會發(fā)生泄漏。這一特性對于電池包而言至關(guān)重要，因?yàn)槿魏瓮獠侩s質(zhì)的滲入都可能對電池內(nèi)部的電化學(xué)環(huán)境造成破壞，加速電池老化，降低續(xù)航能力，甚至引發(fā)短路、熱失控等嚴(yán)重安全問題。此外，良好的氣密性還能有效防止電池包在極端氣候條件下因內(nèi)部壓力變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞，確保電池包在各種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

電池包的氣密性對電池壽命有著很大影響，隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能也在不斷提高，有些電池類產(chǎn)品對自身的氣密性提出了很高的要求[3]。孫等[4]基于Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)查詢系統(tǒng)，使得汽車電池包的氣密性檢查更加方便。胡等[5]通過改進(jìn)影響鋰離子電池系統(tǒng)氣密性的關(guān)鍵因素來提升電池包的氣密性。但是目前對電池包檢測的研究都還是靜態(tài)檢測。汽車在行駛過程中，電池包的氣密性對汽車的動態(tài)性能影響巨大，嚴(yán)重情況下，會對駕駛員的生命安全造成威脅，因此探索一種能夠?qū)崟r(shí)檢測監(jiān)控電池包氣密性的檢測系統(tǒng)十分重要。文章旨在通過探討電池包氣密性的重要性、影響因素、檢測方法以及提升策略，為電池包的設(shè)計(jì)提供理論參考，促進(jìn)新能源汽車及儲能技術(shù)的健康發(fā)展。

2 電池包氣密性檢測方法選擇

電池包作為電動汽車和儲能系統(tǒng)的核心部件，其安全性至關(guān)重要。氣密性檢測能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池包內(nèi)部的泄漏問題，防止水分、塵埃、腐蝕性氣體等有害物質(zhì)侵入，從而避免電池內(nèi)部短路、熱失控等安全隱患。選擇合適的檢測方法，能夠更準(zhǔn)確地評估電池包的氣密性能，確保其在各種工況下的安全運(yùn)行。良好的氣密性能夠延長電池包的使用壽命，提高其可靠性。通過精確的氣密性檢測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在的泄漏點(diǎn)，防止電池包因長期暴露在惡劣環(huán)境中而加速老化或損壞。這對于提升電動汽車和儲能系統(tǒng)的整體性能，減少維護(hù)成本具有重要意義。電池包氣密性檢測方法的不斷創(chuàng)新和完善，是推動新能源汽車和儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級的重要?jiǎng)恿?。本?jié)將選擇合適的氣密性檢測方法。

2.1 壓力衰減法

壓力衰減法，通常也被稱為壓降法，是利用氣體壓力變化來檢測電池包密封性能的一種方法。在實(shí)際操作中，首先將一定壓力的氣體充入電池包內(nèi)部，然后通過監(jiān)測一段時(shí)間內(nèi)氣壓的變化來判斷是否存在泄漏。氣壓的下降趨勢若超過預(yù)定的閾值，則可以認(rèn)定電池包存在泄漏點(diǎn)。

壓力衰減法的實(shí)施步驟。

（1）準(zhǔn)備階段：將被測產(chǎn)品或系統(tǒng)置于封閉環(huán)境中，并連接好壓力傳感器和記錄設(shè)備。

（2）充氣階段：向封閉環(huán)境中充入一定壓力的氣體，并記錄初始壓力值。

（3）監(jiān)測階段：關(guān)閉充氣源后，開始監(jiān)測并記錄壓力隨時(shí)間的變化情況。通常需要設(shè)定一定的監(jiān)測時(shí)間（如幾分鐘到幾小時(shí)不等），以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到壓力的變化趨勢。

（4）分析階段：根據(jù)監(jiān)測到的壓力變化數(shù)據(jù)，分析被測產(chǎn)品或系統(tǒng)的氣密性能。如果壓力下降較快且超過允許范圍，則表明存在泄漏問題；如果壓力保持相對穩(wěn)定或下降速度很慢，則說明氣密性能良好。

壓力衰減法的主要優(yōu)勢在于其操作簡單、快速，適合于初步篩選出具有明顯泄漏問題的電池包。然而，該方法對于微小泄漏點(diǎn)的檢測能力相對有限，且無法提供泄漏點(diǎn)的精確位置信息，這在一定程度上限制了其在精細(xì)化質(zhì)量控制中的應(yīng)用。

2.2 氦氣檢漏法

氦氣作為一種輕質(zhì)且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性氣體，在氣密性檢測領(lǐng)域得到了特別的應(yīng)用。氦氣檢漏法通過向電池包內(nèi)注入氦氣，并使用專門的探測器來捕捉可能逸出的氦氣分子，從而判斷電池包的密封性能。

氦氣檢漏法在測試前需要進(jìn)行設(shè)備準(zhǔn)備，確保氦氣檢漏儀、噴槍（或吸槍）、真空泵、壓力計(jì)等相關(guān)設(shè)備處于良好狀態(tài)，并已正確連接。將被測件（如電池包、管道、閥門等）清洗干凈，去除表面的油脂、水分等雜質(zhì)，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。選擇一個(gè)安靜、無風(fēng)、無塵的環(huán)境進(jìn)行檢測，以減少外部因素對檢測結(jié)果的影響。

氦氣檢漏法的優(yōu)勢在于能夠檢測到極微小的泄漏點(diǎn)，靈敏度高，適用于對氣密性要求極高的場合。然而，氦氣檢漏法的成本較高，對操作環(huán)境的要求也比較嚴(yán)格，這限制了其在某些經(jīng)濟(jì)敏感型領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2.3 水浸法

又稱為泡水法，是一種傳統(tǒng)的氣密性檢測方法。它通過將電池包浸入水中，觀察是否有氣泡產(chǎn)生來判斷電池包的密封性。該方法直觀、簡單，易于實(shí)施。

水浸法的優(yōu)勢在于設(shè)備簡單，成本低廉，適合于對泄漏點(diǎn)進(jìn)行直觀的定位。但是，該方法的測試效率較低，精度不高，且存在電池包進(jìn)水的潛在風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致后續(xù)的干燥處理復(fù)雜化。

2.4 差壓式檢測法

差壓式檢測法通過在系統(tǒng)中引入差壓傳感器，并設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件作為參照，來檢測被測工件的泄漏情況。具體而言，該方法首先向被測工件和標(biāo)準(zhǔn)件同時(shí)充入一定壓力的氣體，并關(guān)閉充氣閥門使系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)。此時(shí)，差壓傳感器會實(shí)時(shí)監(jiān)測被測工件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的壓力差。如果被測工件存在泄漏，其內(nèi)部壓力將逐漸下降，導(dǎo)致與標(biāo)準(zhǔn)件之間的壓力差增大。差壓傳感器將這一壓力差轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而實(shí)現(xiàn)對泄漏量的精確測量。

該方法精度高，穩(wěn)定性好，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但是其設(shè)備復(fù)雜且昂貴，由于需要引入差壓傳感器和標(biāo)準(zhǔn)件等高精度設(shè)備，因此差壓式檢測法的設(shè)備成本較高。同時(shí)操作比較復(fù)雜，相對于其他檢測方法，差壓式檢測法的操作步驟更為復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作。

綜上所述，氦氣檢漏法價(jià)格昂貴，并且對使用環(huán)境要求苛刻，在汽車行駛過程中，環(huán)境變化波動大，因此該方法無法滿足新能源汽車的動態(tài)氣密性檢測。水浸法對電池包進(jìn)水有風(fēng)險(xiǎn)，尤其在行駛過程中，甚至危害駕駛員生命安全，該方法也難以滿足新能源汽車的動態(tài)氣密性檢測。差壓式檢測法只適用于生產(chǎn)線上的電池包。壓力衰減法操作簡單，檢查速度快，在工況不斷變化的條件下可快速反應(yīng)，因此差壓式檢測法符合動態(tài)下的氣密性檢查。

3 電池包動態(tài)氣密性檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于第二章電池包氣密性檢測方法選擇分析，文章將基于壓力衰減法來設(shè)計(jì)新能源汽車電池包動態(tài)氣密性檢測系統(tǒng)，探究一種能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確檢測電池包在正常使用過程中的氣密性檢測系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 氣密性檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 電池包

用于為汽車本體供電，也作為主要檢測對象，電池包整體呈長方體結(jié)構(gòu)，在電池包的其中一側(cè)面的中部設(shè)有連接孔，在該連接孔中密封安裝有進(jìn)氣接頭，所述進(jìn)氣接頭的里端設(shè)有進(jìn)氣噴嘴，其外端與輸氣管連接；進(jìn)氣噴嘴為圓管結(jié)構(gòu)，其端部設(shè)有封蓋，在進(jìn)氣噴嘴的管壁以及封蓋上設(shè)有多個(gè)氣孔。

3.1.2 氣控裝置

氣控裝置內(nèi)含儲氣罐，不需要額外的動力或電力或電控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更為簡單，更加節(jié)能，成本更低。罐中填充有二氧化碳?xì)怏w，并且氣壓大于電池包內(nèi)腔中的氣壓。通過輸氣管與電池包的內(nèi)腔連通，用于向電池包的內(nèi)腔中充氣，并在輸氣管上設(shè)有開關(guān)電磁閥門，用于使輸氣管通/斷。

3.1.3 氣壓傳感器

安裝于電池包上，其檢測端伸入電池包的內(nèi)腔中。實(shí)時(shí)檢測動力電池包的氣壓，并將檢查結(jié)果反饋到檢測設(shè)備。

3.1.4 檢測設(shè)備

電池管理系統(tǒng)作為檢測設(shè)備，與氣壓傳感器和/或氣控裝置連接。根據(jù)氣壓傳感器所反映的氣壓變化數(shù)據(jù)評估電池包的氣密性，同時(shí)，也能夠用于向電控裝置發(fā)送啟閉信號，使其工作或停止，可根據(jù)氣壓傳感器的氣壓變化數(shù)據(jù)自動控制，也可以用戶手動操作。

3.2 氣密性檢測系統(tǒng)運(yùn)行模式

儲氣罐中的二氧化碳?xì)怏w的氣壓大于電池包內(nèi)腔中的氣壓。通過開啟電磁閥，使儲氣罐中的二氧化碳?xì)怏w充入電池包中，當(dāng)達(dá)到一定氣壓后，關(guān)閉電磁閥保壓，通過氣壓傳感器觀察電池包中的氣壓變化，包括變化的量和變化的快慢，從而反映出電池包的氣密性。使用時(shí)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇檢測的時(shí)間和場地，使用靈活方便。同時(shí)，二氧化碳可以使電池包中形成缺氧環(huán)境，能夠保護(hù)電池包起火，提高了電池包的安全性。還包括報(bào)警裝置，所述報(bào)警裝置與檢測設(shè)備連接，當(dāng)電池包的氣密性存在問題時(shí)，報(bào)警裝置報(bào)警，提示用戶及時(shí)對電池包進(jìn)行詳細(xì)檢查和維修。其運(yùn)行路線圖如圖2所示。

研究采用一種簡單的結(jié)構(gòu)，使電池包和氣控裝置形成一個(gè)整體安裝在汽車本體上，氣控裝置在車輛的正常使用過程中可以根據(jù)用戶需求靈活地向電池包中充氣，并能夠通過電池包上的氣壓傳感器反映電池包中的氣壓變化，檢測設(shè)備能夠根據(jù)該氣壓變化確定電池包的氣密性。為能更好地集成在汽車車身上，該結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，使用時(shí)能夠方便的隨時(shí)隨地對電池包的氣密性進(jìn)行檢測，提高了車輛的安全性和用戶的體驗(yàn)感。

4 結(jié)論與展望

文章深入探討了新能源汽車電池包在行駛過程中的動態(tài)氣密性檢測問題，并提出了一種基于壓力衰減法的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過集成電池包、氣控裝置、氣壓傳感器及檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對電池包內(nèi)部氣壓變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估，有效提升了新能源汽車在復(fù)雜工況下的安全性和可靠性。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地采用壓力衰減法作為動態(tài)氣密性檢測的核心技術(shù)，克服了傳統(tǒng)靜態(tài)檢測方法的局限性，實(shí)現(xiàn)了對電池包在行駛過程中氣密性的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測。該系統(tǒng)不僅能夠提升電池包的安全性能，還能延長電池使用壽命，降低維護(hù)成本，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]何雨聲.我國新能源汽車發(fā)展趨勢與阻礙[J].汽車與配件，2024（13）：44-46.

[2]鄒姚輝，覃輝.新能源汽車電池包熱失控防護(hù)措施研究[J].汽車測試報(bào)告，2023（24）：55-57.

[3]周凱航，牛姿璇.新能源汽車電池包IPX 7與氣密性檢測研究[J].上海汽車，2022（1）：11-13+19.

[4]孫映璇，王海濤，李佳欣，等.電池包氣密檢漏儀上位機(jī)查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2023，29（13）：90-94.

[5]胡霞飛，劉浩，林志宏.影響電池包氣密性的關(guān)鍵因素及改善要點(diǎn)[J].汽車與新動力，2020，3（03）：85-87.