電動汽車電子零部件防水透氣解決方案

Rainer Enggruber

（W.L.Gore&Associates GmbH）

汽車電子零部件易受惡劣環境條件影響。無論是安裝在汽車底盤下還是發動機艙中，電子零部件（如電動機、控制單元、傳感器、壓縮機或泵中的電子零部件）都會受到極端溫度波動的影響，因此必須為其提供保護，防止污物或液體侵入。滿足最基礎要求的防護等級為IP6k9k，該等級可確保電子設備外殼免受灰塵顆粒物、短時浸沒和蒸汽的影響。基于此，文章提出一種電動汽車電子零部件防水透氣解決方案。

1 純電動和混合動力汽車所面臨的特殊挑戰

由于混合動力和純電動汽車的電子部件具有極高的工作溫度和更大體積的電子部件外殼，使得汽車制造商和供應商更加難以均衡溫度和壓力，因此動力系統的敏感電子零部件，如電動機、高性能電子部件、充電器及啟停發電機等，必須要耐受極高的溫差和壓差。

一方面，運行過程中產生的熱量對這些敏感的高性能電子零部件造成的影響要超過對傳統內燃機汽車電子零部件造成的影響。為防止這些高性能電子部件因極端溫度波動而損壞，并使其在最佳溫度范圍內工作，通常會使用液體對它們進行冷卻。但這種方法也有風險，它會在外殼中溫度最低點形成凝露，腐蝕電子部件，致使其過早出現故障。另一方面，汽車行駛時接觸低溫濺射水或洗車水造成的溫度突變也會損壞電子設備。同時，這種情況會在電子部件外殼中形成極致的真空效應，致使空氣通過密封圈進入部件中。經過一段時間后，這種壓力不均會在密封圈和密封組件中產生應力，從而造成污物顆粒和液體侵入，對電子部件產生腐蝕作用并縮短其使用壽命。低黏度液體和清潔劑用于汽車時會加劇這種侵入危險。

2 空氣和壓力均衡的透氣膜技術

要想實現壓力均衡并確保電動機、動力電子裝置和高壓電池等電子部件在使用壽命內保持可靠性能，就要采用安裝透氣膜的防水透氣解決方案。

透氣膜技術允許密閉外殼的空氣交換，而且還可阻止液體和污物顆粒的侵入。對于某個特定應用而言，透氣量和透水壓是決定透氣膜性能的2個基本參數。透氣量是指在給定時間和給定壓差下穿過透氣膜的空氣量。借助透氣量可確定均衡壓差所需的時間。透水壓是指透氣膜發生泄漏前必須承受的最小靜水壓力。但是，透氣量和透水壓并非是唯一的變量，耐溫性和耐化學性也是透氣膜組件的重要參數。透氣膜供應商必須根據具體的防水透氣應用，為透氣膜選擇最佳的性能組合。對于需要讓大量空氣快速進出，而防護等級又無需太高的大型電池外殼而言，采用透氣膜可以獲得較高的透氣量。而安裝在發動機艙的電子部件外殼需要經常應對溫度峰值，因此通常應采用耐溫性高的透氣膜。由于與具體應用相關的挑戰各不相同，因此汽車制造商和供應商應與透氣膜制造商緊密協作，以開發出技術性及經濟性方面最合適的解決方案。

3 防水透氣產品在電動汽車中的應用

3.1 逆變器

電動汽車的逆變器可將電池輸出的直流電轉換為交流電，以供電動機使用。在本例中，逆變器外殼尺寸為40 cm×20 cm×20 cm（容積約為16 L）。外殼內部空間的1/4為空，即外殼內包含4 L可以自由流動的空氣。汽車運行過程中，逆變器的溫度可達到70℃；洗車時，溫度為8～10℃的冷水會噴射到汽車底部，使逆變器在5 min內冷卻至40℃。

在未采用防水透氣產品的外殼中，每當汽車駛過積有冷水的區域時，該溫差都會造成約9 kPa的真空度。真空會對密封圈產生極大的應力，經過一段時間后，密封圈將發生泄漏，導致清潔劑、油、化學品和水等物質進入逆變器外殼，對敏感的電子元器件造成損壞。加裝防水透氣產品可以確保真空效應得到快速均衡，而且還能消除壓力突變。圖1示出采用防水透氣產品前后逆變器外殼壓差對比。從圖1可以看出，采用防水透氣產品的外殼中壓力在短短6 min后便恢復為環境壓力。

3.2 高壓電池

由于體積原因，混合動力或純電動汽車的高壓電池需采用更有效的解決方案來均衡壓力。這種情況下的最佳方法是選用具有極高透氣量的防水透氣解決方案。由于電池只會與濺射水而非高壓水接觸，因此無需采用與發動機機罩內組件一樣高的防護等級。

在本例中，電池外殼尺寸為100 cm×50 cm×30cm，容積為150 L，其中的自由空氣體積為50 L。在從海拔570～1 370 m的30 min車程中，電動汽車向上爬升的標高差為800 m。在未采用防水透氣產品的電池上，這種情況會產生9 kPa的正壓，即使在山口的休息站等待15 min后，壓力仍未均衡，這樣就會使密封圈產生永久應力。9 kPa的正壓相當于約450 kg的壓力作用于面積為0.5 m2的表面，輕型外殼無法長時間承受這樣的壓力。盡管密封圈的設計可以應對高載荷，但這種極端應力最終會導致其失效，致使外殼無法密封。

比上山時在外殼中形成的正壓更危險的是下山時形成的9 kPa真空度。為了均衡這種真空度，空氣會穿過受影響的密封圈進入外殼，將污物顆粒和液體帶入其中，從而在外殼內形成凝露，進而造成損害。圖2示出采用防水透氣產品前后高壓電池外殼壓差對比。從圖2可以看出，在采用防水透氣產品的外殼中，只會產生約1.5 kPa的真空度，因而不會對密封圈造成過重的負擔，并且這種壓差可以在15 min的停車休息時間內被完全均衡。

4 結論

對于純電動和混合動力汽車而言，電子部件溫度管理所面臨的關鍵挑戰來自高性能電子部件的液體冷卻問題以及電子部件外殼較大的體積。液體冷卻本身會在外殼內產生很高的溫差，對于體積較大的電子零部件來說，即使極小的壓差也會產生非常高的機械載荷，輕型外殼幾乎無法承受這樣的載荷。因此必須采用透氣膜解決方案進行補償，以均衡巨大的壓差并降低形成凝露的風險。

經過實際應用對比，采用防水透氣產品可有效保護汽車電子零部件免受污物和密封失效的影響，尤其是防水透氣膜可以快速均衡壓差和溫差，防止污物和液體侵入電子零部件，顯著提高部件的可靠性，延長其使用壽命，更減少了設計、制造和保修中的成本投入。