動力電池箱體密封結構設計

謝佶宏　邵杰　黃祖朋　王福堅　孟鑫

摘 要：動力電池的密封結構對于其安全性能具有重要的影響，為此，本文從動力電池的上/下箱體連接界面、高低壓連接器以及外露器件跟電池箱體的安裝界面等關鍵部位著手，提出了動力電池密封結構的設計思路。

關鍵詞：動力電池 密封 結構

1 引言

電動汽車是汽車領域的主要發展趨勢之一。其安全性能備受社會關注。縱觀近年來電動汽車的所有起火事故，因浸水而引起的起火事故占比高達10%（如圖1所示）。

動力蓄電池包作為電動汽車的動力源，電池包的安全性直接影響到整車的安全。尤其是裝配在底盤下方的電池包，應至少滿足電池箱體防塵防水IP67等級的要求，才能保證電池包的防水密封性能。本文即從電池包的防水要求出發，探討電池箱體密封性的具體設計方案。

2 設計方案

電動汽車用電池包密封結構設計主要是機械密封設計，重點需要考慮以下幾個關鍵部位：1）下箱體和上箱體的連接界面、2）高低壓連接器、3）外露的器件跟電池箱體的安裝界面。

2.1 下箱體和上箱體的連接界面密封結構設計

電池包上箱體和下箱體的密封面很大，其密封性效果的好壞對于整個電池包的密封性影響很大。通常，電池包上箱體與下箱體會采用折彎翻邊加密封墊設計，同時，密封墊螺栓孔壓在電池箱下箱體翻邊鉚接螺母上（圖2），通過緊固螺栓使上、下箱體翻邊與密封墊充分壓實耦合，從而保證電池箱IP67的防塵防水等級。

值得注意的是，電池包上箱體和下箱體要有足夠的密封接觸面邊距（如圖3所示），B1≥20mm，B2≥6mm，才能有效地保證密封接觸面良好。

為了保證電池包下箱體翻邊的平面度，減少翻邊處的密封風險，電池包上箱體和下箱體翻邊安裝螺母可以采用帶凸臺的拉鉚螺母進行固定，從而減少采用焊接螺母方式引起下箱體翻邊局部過熱而變形，提高此處的密封性設計。

在電池包設計過程中，考慮到密封性能、使用環境溫度、成本、可維護性、耐腐蝕等因素，大多密封墊會選用較常見的發泡型（泡棉類）密封墊。這種發泡類材料設計的密封結構可以稱之為壓縮密封，其是通過使密封墊形成適當的預壓縮量，借助于材料的反彈力壓緊密封面而起到密封作用。

在電池包壓縮密封的設計過程中，密封墊的壓縮率是一個非常重量的設計參數。若密封墊壓縮量過小，就會引起泄漏;壓縮量過大，則會導致密封橡膠應力松馳，甚至破壞而引起泄漏，同時也易永久變形。壓縮率通常用以下式表示：

（1）

式（1）中：

為密封墊自由狀態下的截面高度，單位為mm;

為密封墊壓縮后的電池包上下箱體密封面平面的高度，單位為mm。

在選取密封墊的壓縮率時，應重點從如下兩個方面考慮：

1）要有足夠的密封接觸面積;

2）盡量避免永久變形。

這兩個方面之間存在著矛盾，壓縮率大可以獲得大的接觸壓力，但是過大的壓縮率無疑會更加容易造成永久變形，從而減小密封墊的使用壽命。而壓縮率過小則可能由于密封墊高壓誤差和電池包密封面高度差和電池包密封面高度誤差不符合要求，消失部分壓縮量而引起泄漏。

如果在電池包下箱體翻邊上單用一層密封墊進行密封結構設計，則密封墊容易永久變形，經不起反復拆裝，可以考慮設計成密封墊固定孔處加帶凸臺的拉鉚螺母，上下箱體用螺栓通過此帶凸臺的拉鉚螺母固定在一起的，例如密封墊的高度設計為5mm，拉鉚螺母的凸臺高度設計為2.5mm，因此密封墊的最大壓縮率是。在密封設計中，橡膠的相對變形量一般取為宜。也有一些如HT-800的材料，自身的壓縮率很大，變形量可以達到。為了保證電池包的密封可靠性，一般密封墊的變形量要大于30%，小于60%;密封界面壓力大于3kPa。

在選用密封墊時，除了需考慮密封墊的壓縮率外，還需考慮密封墊的黏結力、防水性能、高低溫性能、防火阻燃性能、還有比較重要的長久使用的可靠性能，這樣才能保證電池包上箱體與下箱體處連接界面密封安全性。

2.2 高低壓連接器與電池箱體的安裝界面密封設計

在電池包密封性設計中，大多電池汽車用電池包的高低壓連接器與電池箱體的安裝螺母采用普通點焊螺母的方式，安裝界面密封失效率也是很高的，故高低壓連接器與電池箱體固定處的密封性需重點考慮，對電池箱體壁的平面度要求會很高。為了保證高低壓連接器與電池箱體固定處的密封性，其固定點的螺母可以采用盲孔碰焊螺母，并把其法蘭面直接碰焊到電池箱體壁上，可以保證接插件碰焊螺母與電池箱下箱體壁孔完全融合成一個整體，如圖4所示，從而有效保證此處的密封等級及提高接插件處固定螺母與下箱體生產的合格率。

2.3 氣壓平衡部件與電池箱體的安裝界面密封性設計

電動汽車電池包在長期的使用過程中，由于溫度、海拔等因素的變化，會出現內外的壓力差，而密封辦面能承受的壓力是一定的，一旦內外壓力差超過界限值，密封界面就會失效，進而導致IP67防護失效。為了解決這一問題，在電池包上，一般都需要安裝有氣壓平衡部件，如透氣閥或防爆閥。如果氣壓平衡部件與電池箱體的密封設計不好的話，也很容易成為整個電池包密封失效地位置。電池箱上箱體透氣閥的固定螺母采用帶凸臺的點焊螺母方式，透氣閥的固定螺母焊接到電池箱上箱體后，螺母焊接面與電池箱上箱體接觸齊平，有效保證透氣閥的固定螺母與上箱體壁的耦合到位，從而保證此處的密封性。

3 總結

電動汽車用電池包密封結構設計對電池包的安全性至關重要，故在進行電池包密封性結構設計時，建議采用可靠的且驗證過的密封方案設計。選用的密封性材料及方案，不僅只考慮密封墊的壓縮率，還要考慮密封性材料及方案的工作環境、耐腐蝕油污、防水性能、高低溫性能、防火阻燃性能、成本、可反復拆裝、還有比較重要的長久使用的可靠性能等，這樣才會設計出一個好的電池包密封方案，給電池包安全技術設計帶來提升，從而帶動電動汽車產業發展。

基金項目：廣西科技計劃資助項目（桂科AC16380043）;柳州市科學研究與技術開發計劃資助項目（2018AC10501）

參考文獻：

[1] GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分：安全性要求與測試方法 [S].2015.

[2] GB/T 18384.1-2015_電動汽車安全要求_第1部分：車載可充電儲能系統（REESS）[S].2015.

[3] GB/T 18384.2-2015電動汽車 安全要求 第2部分： 功能安全和故障防護 [S].2015.

[4] GB 4208-2008 外殼防護等級（IP代碼） [S].2008.

[5] QC/T 989-2014? 電動汽車用動力蓄電池箱通用要求[S].2014.

[6] 王芳、夏軍等.電動汽車動力電池系統安全分析與設計.科學出版社.2016.9.