電池包上殼體腐蝕實驗起泡分析

董玉軍　燕平

摘 要：高壓電池包上殼體進行了水平放置中性鹽霧實驗。上殼體采用的是鍍鋅鋼板，表面進行KTL電泳涂覆。720小時中性鹽霧實驗后，發現電池包上殼體的部分位置發生了起泡的現象。經過分析，電泳車間當前的清潔度不佳（槽液、濾網等）是導致鹽霧實驗失效的直接原因。此外，本實驗要求平放，使得零件表面有積液，環境更苛刻。 建議：1.提升過程清潔度（改善槽液、濾網等）2.適當降低KTL電壓以獲得更好的涂層均勻性和附著力。

關鍵詞：電池包上殼體 鹽霧實驗 電泳涂覆 清潔度

Analysis of Blistering in the Corrosion Experiment of the Upper Shell of the Battery Pack

Dong Yujun，Yan Ping

Abstract：The upper shell of the high-voltage battery pack has been placed in a horizontal neutral salt spray experiment. The upper shell is made of galvanized steel， and the surface is coated with KTL electrophoresis. After 720 hours of neutral salt spray test， it was found that blistering occurred in some positions of the upper shell of the battery pack. The analysis finds that the current poor cleanliness of the electrophoresis workshop （tank liquid， filter， etc.） is the direct cause of the failure of the salt spray experiment. In addition， this experiment requires flat laying， which makes the surface of the parts accumulate， and the environment is more demanding. Suggestions： 1. Improving the cleanliness of the process （improve the tank liquid， filter screen， etc.） 2. Appropriately reducing the KTL voltage to obtain better coating uniformity and adhesion.

Key words：upper shell of battery pack， salt spray test， electrophoretic coating， cleanliness

近年來，隨著新能源電動車的發展，電池包上殼體在選材有了多種類型的材料應用，如鋼、SMC、鋁合金等[1]。作為鋰離子電池的載體，電池包殼體需要同時滿足結構強度、耐蝕、安全等多方面的要求。2021年1月1日起實施的國標GB/T38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，對電池包的火燒實驗提出了明確的要求。在這樣的背景下，鋼制上殼體因為具備較高的熔點和強度，成為了較好的選擇。另一方面，設計要求電池包在整個服役生命周期中不能出現銹蝕穿透的情況，以避免短路等安全風險。因此，需要對鋼制上殼體進行表面電泳防腐處理，以保證殼體的耐腐蝕性能。

1 背景介紹

本案例的電池包上殼體為鍍鋅鋼板，表面再采用電泳漆進行防腐處理。考慮到實際工況，即電池包平放在底盤位置。在進行中性鹽霧腐蝕驗證時，將上殼體平放在鹽霧箱內進行實驗。在720小時中性鹽霧實驗后，電池包殼體上部有多處位置發生了電泳涂層腐蝕起泡的現象。

2 理化分析

首先測試了殼體的電泳漆的鍍層厚度，結果顯示KTL鍍層厚度滿足設計要求。要求值是30-60μm，實測值是46.5～49.2μm，實測的厚度處于要求范圍的中值區間。

接下來，進行氣泡處的組分分析。打開氣泡，測試EDS（元素含量），發現存在Na和Cl元素。在油漆氣泡下發現了Na和Cl（Na的質量分數是4.8%，Cl的質量分數是11.9%），說明在鹽霧實驗的過程中，涂層中有鹽進入?？梢缘弥?，部分區域的KTL涂層在鹽霧實驗過程中發生了破損，并非僅僅起皮。接下來，需要分析的是油漆涂層在腐蝕實驗中破損的原因。

3 機理和分析

在分析失效原因之前，簡述一下電泳的工藝流程。KTL電泳漆（樹脂）在水中離解為帶電荷的水溶性成膜聚合物，并在直流電場的作用下，泳向相反電極（被涂面）在其表面上析出。下面是KTL的詳細工藝流程，總結下來，可將整個工藝過程劃分為5個大的階段，分別是清洗1-磷化-清洗2-KTL-清洗和干燥。[2]

根據KTL的工藝，相應地，對于鍍鋅層的KTL鋼板，如果將其剖開，其表面共有4層，從下往上分別為：基底層（鋼），鍍鋅層，磷化層，KTL電泳涂層。

根據上述的KTL電泳工藝和零件表面的層狀結構，零件表面KTL電泳防腐質量的影響因素如下：

（1）電泳后零件的表面原始缺陷（電泳后零件表面可見的針眼等缺陷）。（2）磷化前后未清洗干凈（影響后道的KTL附著結合力）。（3）KTL電泳參數及環節（KTL電泳厚度和質量）。

關于第一點，如果電泳后零件的表面存在原始缺陷，那么，這些缺陷有可能成為腐蝕實驗中的薄弱點。為此，在鹽霧實驗前，仔細檢查了上殼體的KTL電泳表面質量，整體較好，未見明顯的或較大的缺陷。對于一些極為細小的類似于針孔的缺陷，被仔細地檢查并標注出來。

在進行了720h中性鹽霧實驗之后，我們再檢查零件。發現，標注了原始微小缺陷的位置，未見明顯變化，并未發生腐蝕或起泡現象。因此，在本案例中，可以排除第一點影響因素。

第二點，是磷化質量。磷化層對KTL的影響至關重要，磷化層決定了后期KTL電泳涂層的附著質量。如果清洗過程未做好，導致油脂焊渣等未清洗干凈或混入，將嚴重影響磷化層的生成，進而影響后續的KTL附著。根據相關文獻顯示，如果磷化層膜松散，或排列雜亂，則可能因為缺少磷化成膜的必要成分，如磷、硫等[3]。磷化層的質量將影響后期KTL的附著質量。

通過掃描電鏡，對去掉電泳漆膜后的磷化層進行觀察，來分析零件的表面磷化狀態，如下圖所示。可以看到，零件表面的磷化層形成了非常均勻地附著，未見明顯的缺陷。因此判斷，表面處理的磷化環節是符合要求的。

接下來，討論第三點影響因素，即KTL電泳環節。KTL環節的關鍵參數包括：槽液溫度、電壓、電導率、灰分、固體含量、溶劑含量等。需要設置合理的參數并匹配好，才能獲得良好的電泳質量。

首先，需要弄清楚，為什么涂層會起泡，起泡需要具備什么條件。

涂層起泡原理：涂層局部失去附著力，受泡內氣體或液體的壓力離開基材鼓起，呈現似圓形的凸起變形。引發起泡所需的條件：一是涂層具有透水透氣性。二是涂層與基材之間存在缺陷（如油污、KTL涂層不均勻，部分區域存在缺陷等）。理想的KTL涂覆是均勻地逐層附著在磷化層上面，達到合適的厚度停止。如果KTL涂覆不均勻甚至部分區域存在缺陷，那么會影響最終的防腐性能。

對于本案例，相應地：

KTL是一層樹脂膜，水汽分子可以透過，處于高溫高濕環境時，水蒸氣透過涂層，他們膨脹生產應力，破壞涂層。在前處理至最后電泳漆烘干過程中，可能表面油污去除不徹底或混入雜質，或是KTL工藝過程未控制好，使得KTL層在部分區域存在薄弱點。

化學介質（NaCl）會使得KTL樹脂老化，化學介質（NaCl）會沿微裂紋擴散至基材，使得涂層膨脹，降低界面結合力。從這個角度而言，沒有缺陷的位置也會起泡。特別地，本實驗要求平放，使得零件表面有積液，環境更苛刻。

筆者去表面保護處理廠商的生產現場進行了調研，發現表面處理生產線的清潔度未能控制好，這其中包括槽液，廊道的清潔度以及日常的巡檢等，需要進行梳理和整改。

4 措施

針對于上述問題，與表面保護廠商討論并制定了相應的措施，其中包括：

4.1 清潔度優化

（1）增加一道純水洗的工序，以確保烘干前工件清潔度。（2）更換所有噴淋工序槽液，進一步提升過程清潔度。（3）清潔噴淋工序過濾網-從25目改到50目。（4）更換烘箱過濾網-孔徑從25um到10um。

4.2 KTL工藝參數優化

降低電泳電壓，從270V降至240V，以降低鍍鋅板反應速率，保證更為均為地涂覆。為了補償電壓降低造成的KTL層厚的減少，采取兩種措施：（1）增加固體份含量、降低溶劑含量。（2）將電泳槽槽液溫度從32℃°提升至34℃°。

經過上述措施的優化，我們重新進行了720h水平放置鹽霧實驗，實驗結束后，表面未發現明顯的起泡腐蝕現象。

對于后續的長期管控措施，制定如下：

（1）定期更換濾網，以保護系統的清潔。（2）定期檢測生產線槽液的指標：PH值（要求6～7），電導率（<50us/cm）。根據上述兩個指標，來判斷槽液的清潔度和質量。

5 結論和建議

鹽霧實驗要求從斜放改為平放，造成零件表面更多的積液，使得實驗環境更為苛刻。電泳車間當前的清潔度不佳（槽液、濾網等）是導致鹽霧實驗失效的直接原因。需要更為嚴格的生產條件和批量控制，來滿足新的要求。同時，需要調試并設置合適的KTL參數，以使得在KTL過程中，涂料均勻地附著于零件表面。

標準的鹽霧實驗方法，詳見 ISO92277.2，要求將零件斜放在鹽霧箱中，與垂直方向呈15°～25°。在本案例里，將零件平放在鹽霧箱中，主要原因應該是考慮到電池包是平放安裝在汽車底部這一實際工況。同樣地，對于新能源的相關零件材料設計定義，應更多地考慮到零件實際工況，基本的出發點是保證車輛使用過程中零件不出現質量問題。同時，對于新工藝新設計，可以根據零件實際服役情況來反向驗證和重新定義設計要求。

參考文獻：

[1]王付才，楊海.純電動汽車電池包殼體輕量化材料應用及研究進展，汽車工藝與材料[J].2020.09-005.

[2]張才松.汽車零部件陰極電泳涂裝現場質量控制淺談（II），現代涂料與涂裝 [J]. 2010.12：41～43.

[3]冉浩，劉立建.一次涂裝事故的原因分析，電鍍與涂飾[J].2015.34（10）：808～811.