電動汽車動力電池防水性失效模式分析

杜智　李彬　韋映竹　黃祖朋　趙小羽

摘 要：動力電池作為新能源電動汽車的動力來源，其防水性能直接影響整車安全。本文從動力電池密封圈，電氣接插件，防爆閥和箱體結構四個方面出發(fā)，分析了動力電池防水性的幾種失效模式，為電動汽車動力電池的防水性設計提供依據。

關鍵詞：電動汽車 動力電池 防水性 密封性

1 引言

伴隨新能源汽車“十三五“規(guī)劃落實，電動汽車行業(yè)整體從質與量上得到了飛速提升[1]。動力電池作為新能源汽車的動力來源部件，其安全性能直接影響整車與人的安全。根據國家標準規(guī)定，動力電池箱體外殼防護等級應達到IP67的設計要求，其在各種多變的氣候環(huán)境及復雜工況條件下，皆應保持密封防水性能。

目前市面上大多數新能源汽車的動力電池的安裝位置都比較低，且暴露在相對空曠的環(huán)境中。沿海和多雨地區(qū)，常遭受雨水和臺風天的侵襲，動力電池需經受住淋雨、涉水乃至長時間泡水等極端環(huán)境，為避免動力電池內部進水，引發(fā)起火爆炸的事故。針對以上問題，本文提煉了以下幾種動力電池防水失效種模式，并對此進行分析與研究。

2 動力電池防水失效模式分析

2.1 密封圈防水失效

密封圈作為動力電池密封結構設計中不可或缺的零件，其與蓄電池上下殼體安裝面間的配合，保證動力電池的密封防塵防水。閉口材料的硅膠泡棉作為密封圈的主要組成部分，其與PET雙面膠，表面處理劑等經加工和貼膠，裁剪成固定框架形式的O型密封圈。相比于傳統(tǒng)碳系發(fā)泡材料，其具有優(yōu)異的抗壓縮永久變形性能、較好的耐高低溫性、高阻燃性，同時耐老化性與耐候性能極佳，是各類高性能密封、減震、緩沖、隔音、保護、絕緣和防火材料的理想選擇。

密封圈防水失效通常可歸結為：1）外界水壓大于發(fā)泡硅膠的壓縮應力[2];2）水壓對硅膠泡棉的負荷大于發(fā)泡硅膠密封圈與動力電池箱體間的摩擦力;3）密封圈過大的壓縮形變，在各種復雜工況環(huán)境下致使其壓縮回彈失效，不能有效密封[3，4]。如表1和圖1所示，某型號的發(fā)泡硅膠在-40℃～85℃的環(huán)境箱中完成1000次循環(huán)測試后，表現(xiàn)出較好的壓縮回彈性能。同時，該泡棉硅膠展現(xiàn)出極佳的抗壓縮形變和抗蠕變性能。在該硅膠泡棉密封圈的使用中，動力電池表現(xiàn)出良好的防水防塵性。密封圈在選型使用過程中應綜合考慮密封圈的壓縮形變、合適的摩擦力、良好的容積-間隙比及環(huán)境耐受性等。

2.2 電氣接插件防水失效

作為動力電池的輸入/輸出介質，高低壓電氣接插件的密封性直接影響動力電池的整體防水性能。高低壓接插件防水失效模式主要表現(xiàn)為：1）動力電池接插件插座端維氏硬度過低;2）接插件與插座，插座與箱體平面度和配合性差;3）低壓通訊插針位置密封失效[5];4）高低壓接插件插頭O型密封圈插拔過程中擠壓產生不可逆形變。除了以上幾種常見的電氣接插件防水失效模式，還存在如接插件質量問題，頻繁插拔后鎖扣失效等問題。

2.3 防爆閥防水失效

防爆閥作為雙向防水透氣泄壓部件，對防水透氣隔膜的要求較高。隔膜篩孔具有一定的疏水性，只能讓氣體分子通過，液體分子將被阻隔在電池箱體外。常見的防爆閥防水失效主要存在以下幾種形式：1）防水透氣膜質量問題——撕裂，疏水性變差（圖2a）;2）防爆閥密封墊圈尺寸小于箱體安裝孔尺寸，造成安裝過程中密封墊圈變形擠壓進入安裝孔，喪失密封圈防水性（圖2b）;3）箱體平面度與防爆閥密封墊存在安裝間隙，錯位等。

2.4 動力電池箱體防水失效

箱體外殼具有較強的結構保護功能，使得動力電池內部的電子元氣件，電芯等免受外界擠壓力，機械沖擊，碰撞和振動等安全因素的影響。同時，箱體外殼還具有一定的熱防護功能，減少外界環(huán)境溫度對內部電芯和電氣件的直接熱輻射和火源隔絕。

常見的電池箱體可以分為：鈑金箱體、鋁合金型材箱體以及輕質復合材料的電池箱蓋等。其中，鈑金箱體在制備過程中，經過沖壓，拼接和焊接等工藝成型。焊穿，漏焊或虛焊則直接影響電池箱體的防水密封性能。鋁合金箱體主要經過鋁型材擠壓成型，攪拌摩擦焊及補焊工藝成型。其防水失效模式可歸結為：1）攪拌摩擦焊所引起的電池箱體薄弱結構在水壓負荷環(huán)境中，箱體薄弱部分易彎曲形變，引起漏氣風險;2）補焊工藝造成的箱體焊接位點的穿焊，虛焊和漏焊的制造問題（圖3）;3）鋁合金型材自身存在“砂眼”和“夾渣”的質量問題。雖然動力電池在生產下線過程中會經過氣密性檢測，但是砂眼位置的氣密泄露量很難發(fā)現(xiàn)，從而造成箱體的防水失效。

3 結語

動力電池作為電動汽車的動力能源，其防水安全性備受重視。本文從動力電池密封圈、電氣接插件、防爆閥和箱體結構四個方面對其防水密封性的失效模式進行了分析，為新能源汽車動力電池的設計提供了借鑒意義。

基金項目：廣西創(chuàng)新驅動發(fā)展專項資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學研究與技術開發(fā)計劃資助項目（2019AD10202）

參考文獻：

[1]袁成軍，范佳甲.中國新能源汽車“十四五”政策法規(guī)展望[J].質量與認證，2020，（12）：78-80.

[2]柴源.新能源汽車PACK箱體密封技術研究[J].汽車實用技術，2020（02）：1671-7988.

[3]劉興玉，張新奇，余巍，等.O形圈密封設計[J].液壓氣動與密封，2013（6）：73-75.

[4]李書鵬，李波.發(fā)泡硅橡膠在動力電池殼體密封圈上的應用研究[J].汽車零部件，2018（05）：76-78.

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