發泡硅橡膠在電池包殼體密封圈上的應用研究

李書鵬，李波

(廣州汽車集團股份有限公司廣汽研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

電池包作為純電動汽車的動力來源，其內部結構精密復雜，并含有大量電子元器件。根據GB 4208-2017《外殼防護等級(IP代碼)》對電氣設備外殼防護等級要求，電池包應滿足標準中相應的防護等級。目前行業內對電池包的防護等級要求一般要達到IP67，才能保證電池包密封防水防塵，電池組不會進水而引起短路[1]。因此，電池包防水、防塵的可靠性設計就變得尤其重要。

1 電池包殼體密封圈應用方案介紹

目前市場上量產的電池包中，殼體密封圈主要有三大類，分別是橡膠密封圈類(材質主要為EPDM、SBR等)、膠黏劑類(材質主要為有機硅體系)、泡綿膠帶類(材質主要為發泡硅橡膠、聚氨酯等)。各類型的成型工藝、優缺點見表1。

表1 密封圈方案對比

2 電池包殼體密封用材性能

動力電池包通常被安裝在新能源汽車的底部，長期使用的工況比較苛刻，同時為了滿足電池包全壽命使用的密封性、安全性及施工便利性要求，在選擇密封圈材料時應主要考慮以下性能：密度、吸水率、壓縮應力松弛、壓縮永久變形、撕裂強度、抗拉強度和阻燃性等，對于發泡材料還需要考慮泡孔結構(閉孔、開孔或通孔)、膠黏劑材料還需考慮固化時間等。

此次選取某供應商提供的發泡硅橡膠(A牌號)開展相關實驗，驗證發泡硅橡膠材料相關性能，評估發泡硅橡膠應用于電池包密封圈的可行性。材料的信息見表2。

表2 材料信息

2.1 吸水率

根據ASTM D1056《Standard Specification for Flexible Cellular Materials-Sponge or Expanded Rubber》標準中規定的方法(僅使用于閉孔發泡材料)，測試發泡硅橡膠的吸水率。將試樣浸入蒸餾水面以下50 mm處，降低水面壓力到17 kPa，保持180 s。釋放真空，恢復到大氣壓下保持180 s，取出試樣，去除表面水分，按式(1)計算吸水率，結果見表3。

(1)

式中：W為吸水率，%；A為試驗后的質量，g；B為試驗前的質量，g。

表3 吸水率測試結果

2.2 壓縮應力松弛

當向橡膠施加一恒定應變時，保持該應變所需的力不是恒定不變的，而是隨時間的增加而降低，這種現象稱為應力松弛[2]。電池包上下殼體對密封圈的最大壓縮量一般不超過50%，壓縮量通常為恒定值。此時，壓縮應力松弛就是衡量材料長期密封性的重要指標。根據GB/T 1685-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 在常溫和高溫下壓縮應力松弛的測定》中規定的方法，考查發泡硅橡膠在85 ℃/2 000 h加速老化的壓縮應力松弛性能，按式(2)計算規定測試時間下的應力松弛，應力松弛曲線見圖1，結果見表4。

(2)

式中：R(t)為應力松弛，%；F0為30 min后測量的初始作用力，N；Ft為達到規定時間t后測量的作用力，N。

圖1 壓縮應力松弛曲線

材料發泡硅橡膠(A牌號)測試方法GB/T 1685-2008 (A法)結果/%14.7

2.3 壓縮永久變形

與壓縮應力松弛相比，壓縮永久變形是衡量橡膠在受不同壓縮量的時候，抵抗永久變形的能力。壓縮量大小直接影響密封圈的密封性：壓縮量過小，則會引起泄漏；壓縮量過大，則容易發生永久變形。因此，通過考察材料的壓縮永久變形，對密封圈設計時壓縮量的選取有著重要意義。根據ASTM D1056《Standard Specification for Flexible Cellular Materials-Sponge or Expanded Rubber》中規定的方法，測試材料的壓縮變形。由于密封圈的厚度定義一般在5 mm，此次測試選取的材料厚度也是5 mm，壓縮量選取50%，條件選取85 ℃/2 000 h進行加速測試，按式(3)計算規定測試時間的壓縮變形，結果見表5。

(3)

式中：C為壓縮變形，%；t0為初始厚度，mm；t1為壓縮后恢復厚度，mm；ts為限位塊厚度，mm。

表5 發泡硅橡膠(A牌號)壓縮永久變形測試結果

2.4 其他性能

吸水率、壓縮應力松弛和壓縮永久變形是衡量材料密封性的3個重要指標，然而對于電池包殼體密封圈而言，除了對密封性有要求外，對密封圈的安裝便利性(可反復拆裝)、阻燃性及環境適應性等也有要求。

對于較大尺寸的密封圈，在安裝施工過程中，尤其需要反復拆裝時，要求材料具有良好的抗撕裂強度。然而對于發泡硅橡膠材料，由于其本身強度較低，抗拉強度一般在0.3～0.6 MPa，因此，考慮到施工操作時，需要發泡硅膠的抗撕裂強度大于拆裝時泡綿與殼體的粘接力，以免在拆裝時泡綿本體被撕裂影響裝配。

此外，動力電池包的防火設計也至關重要，阻燃等級要求較高，目前行業內常見的要求一般要達到V-0的阻燃等級。密封圈作為電池包部件之一，也必須滿足V-0的阻燃等級。與烴類橡膠相比，硅橡膠極限氧指數較高，燃燒速度慢，本身就是一種優質的阻燃材料[3]。因此，對發泡硅橡膠進行阻燃處理后，根據UL94《Test for Flammability of Plastic Materials for Parts

in Devices and Appliances》中規定方法測試，發泡硅橡膠(A牌號)滿足V-0的阻燃要求。

3 結束語

發泡硅橡膠既具有硅橡膠耐熱、耐寒及阻燃優良的特性，又具有海綿的固有彈性[4]。選取某供應商A牌號的發泡硅橡膠，通過測試材料的吸水率、壓縮應力松弛、壓縮永久變形、抗撕裂強度及阻燃特性得出：發泡硅橡膠具有較低的吸水性、優異的壓縮應力松弛及抵抗永久變形的能力，可作為電池包密封圈選材之一。

然而電池包的密封性不僅與材料有關，還與密封的結構設計有著密切的關系。因此，一個好的密封方案，不僅需要匹配合適的材料，也需要搭配合適的結構設計。電池包的密封也是行業內一直在研究的課題，只有不斷地嘗試、創新，才能找到最優的解決方案，帶動行業的發展。

參考文獻:

[1]李東鋒，金利芳.純電動汽車電池包密封結構研究[C]//第九屆河南省汽車工程技術研討會論文集.許昌：河南省汽車工程學會，2012：312.

[2]全國橡膠與橡膠制品標準化技術委員會橡膠物理和化學試驗方法分會.硫化橡膠或熱塑性橡膠在常溫和高溫下壓縮應力松弛的測定:GB/T 1685-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]韋震宇，鄒華，張立群，等.硅橡膠阻燃及成炭性能研究[J].特種橡膠制品，2011，32(2)：15-20.

WEI Z Y,ZOU H,ZHANG L Q,et al.Research on Flame Retardance and Charring of Silicone Rubber[J].Special Purpose Rubber Products,2011，32(2)：15-20.

[4]趙紅娟.發泡硅橡膠膠料[J].橡膠參考資料，2002，32(1)：13-16.