電池系統(tǒng)密封設計

隨著新能源事業(yè)步入快速發(fā)展軌道，在汽車領域，其安全問題也越來越突出。特別是，因電池系統(tǒng)密封漏水導致的絕緣降低、短路，而引發(fā)的燃燒事故頻發(fā)。問題的突出和緊迫，真正喚起了人們對密封的普遍關(guān)注和重視。

當然了，汽車進水形式多樣，長時間浸泡和短時間涉水。同時，車輛本身的故障報警、維護狀態(tài)，各不相同，也會導致事故概率不同。這里僅討論電池系統(tǒng)密封要求，或必須做到的達標問題。

電池系統(tǒng)密封，是難點，但不是難題。技術(shù)方面完全可以解決。一直以來，很多主機廠，真得沒有把密封放在主要位置，這是普遍的共識。同時，對密封缺乏專業(yè)的設計認識，也是主因。做涉水實驗時，不乏采取一些臨時措施，例如，車輛密封處糊一些膠水，“得過且過”。其真實的設計狀態(tài)，根本無法覆蓋到產(chǎn)品后段的：復雜工況、售后維護的二次裝配帶來的風險。更甚的是，產(chǎn)品下線測試環(huán)節(jié)缺失或做不到100%全檢。工藝管理問題易于糾正；技術(shù)設計問題，更需要認真對待和深入研究。

電池系統(tǒng)密封“百密不能一疏”，以及密封的完整性

電池系統(tǒng)密封的“不能一疏”特點，也恰恰是電池系統(tǒng)密封的難點。其不同功能接口，在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、所處殼體位置、環(huán)境，均有較大差異。這僅僅是靜態(tài)特征。如果結(jié)合動態(tài)的工況，其失效的風險更大。

對于一個電池系統(tǒng)殼體，如果使用密封邊長度計算（加上多層結(jié)構(gòu)長度），一個20~30KWh的電池包體，其長度在25~30米之間；如果使用密封功能單元數(shù)量計算，一個包體也不少于8處（不含焊接密封）。如果是大巴車多電池包，這個數(shù)值就更大了。如此多的密封“戰(zhàn)線”，做到萬無一失，確實是挑戰(zhàn)。

圖一：電池系統(tǒng)密封單元

其次，電池系統(tǒng)密封的完整性也是非常重要的。常規(guī)的密封單元，工藝控制手段相對容易實現(xiàn)和檢測；可是，看不見或不確定因素，例如因材料、焊接工藝缺陷導致的密封失效，以及后段工況中出現(xiàn)失效，砂眼、裂縫，是難以發(fā)現(xiàn)的。

圖二：焊接缺陷導致的漏水

電池系統(tǒng)密封執(zhí)行的標準和測試規(guī)范

依據(jù)GB4208IECEN60529標準，IP（INGRESS PROTECTION）防護等級,IP等級由兩個數(shù)字所組成，第一個數(shù)字表示防塵；第二個數(shù)字表示防水。數(shù)字越大表示其防護等級越好。目前，新能源汽車電池系統(tǒng)的防塵防水等級建議為不低于IP67。 其中，IP6X, 6為防塵，是完全防止灰塵侵入;IPX7的7，即1米深的水浸泡不少于30min，同時，在低壓監(jiān)測功能正常工作狀態(tài)中測試，殼體內(nèi)無進水為合格。

在GB/T18384-2015 安全要求中，對于防水明確提出了三種試驗規(guī)則：模擬清洗、模擬暴雨、模擬涉水。在GB/T31467.3-2015中，還提出了海水浸泡實驗，也是模擬和接近故障工況的一種實驗方法。

但是，試驗標準中，只是對新下線產(chǎn)品做了規(guī)范要求，對產(chǎn)品應用后段的穩(wěn)定性、耐用性、可靠性以及維護后的檢測標準，并沒有明確提出。當然了，站在標準角度，也是很難提出共性指標的。只能依靠企業(yè)自身技術(shù)實力來保證了。也正因為企業(yè)技術(shù)水平的不同，恰恰在這個環(huán)節(jié)出了不少的問題。

測試是產(chǎn)品的眼睛。車輛的電池系統(tǒng)前端測試指標，首要條件達到IP67，對于后段的可靠性自然是有一定保障。在leaf早期的維修手冊中，除了對前段測試的指標提出要求，還可以看到對維修后的指標也提出了要求：

Performairtightness test applying 1.6KPa of pressure inside the

battery pack for approximately 1 minute.

2．CAUTION:

Whenapplying pressure, operate the air pump slowly.

Donot apply any pressure exceeding 1.6kPa.

Repair limit: 1.4KPa.

這里提到的參數(shù)，只是針對特定的車型。主要還是學習其對產(chǎn)品“無微不至的關(guān)心”和認真細致的技術(shù)態(tài)度。

再來談談測試方法，從壓力方向區(qū)分有兩種：正壓測試、負壓測試。在產(chǎn)線測試中，正壓測試采用更多一些，但我更傾向于負壓測試。畢竟測試的方式，壓力方向，需要接近真實狀態(tài)。在測試中，幾項重要指標如下表：

IP66測試

IP67測試

圖三：電池系統(tǒng)密封測試

密封設計：密封墊是依靠“壓縮量”密封，并非“壓死”密封

密封件有多種結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、用途。用于動力電池殼體密封，一般常用的有O形密封和異形密封結(jié)構(gòu)形式。O形密密封多用在殼體的電器連接件與殼體的密封，也有用在箱體上蓋與殼體之間的案例。

從材質(zhì)角度，目前應用效果最好的還是橡膠類制品，從耐溫度、耐溶劑、線性膨脹系數(shù)、彈性模量、硬度、強度（壓縮、彎曲、抗張、剪切、沖擊）等，橡膠材質(zhì)都是非常優(yōu)秀的，完全滿足密封要求。

設計環(huán)節(jié)，針對系統(tǒng)殼體密封的重要性和其結(jié)構(gòu)的特殊性，如果按一般的密封設計，肯定是達不到要求的。圖三就是一個典型案例。殼體開蓋后膠條彈性失效，膠條移動、固定孔移位、連最基本的固定孔密封結(jié)構(gòu)都沒有設計，其密封失效概率是可想而知的。

圖三 密封條壓死、固定孔無密封結(jié)構(gòu)失效案例

膠條的密封是“壓縮量”密封。實測某優(yōu)秀車型，其橡膠壓縮量為6mm.也就是說，密封邊的平面度、誤差、以及剛度決定的變形量，三者相加數(shù)值是小于6mm的。同時，對變形量的導向方向，在膠條結(jié)構(gòu)上，也表現(xiàn)的非常明顯。這一點也是非常重要的設計。

圖四 密封膠條原理示意圖

當然了，根據(jù)不同的箱體結(jié)構(gòu)，不同的密封面長度，壓縮量數(shù)值是不同的。這里需要重點考慮幾個關(guān)鍵指標和進行標定：密封邊平面度、剛度、橡膠硬度、耐水壓參數(shù)等。

電池系統(tǒng)密封“冗余”設計，是滿足功能安全的屏障

我們常把“冗余”概念，用于軟件的策略。其實，冗余理念可以使用在不同的設計場景中。冗余設計，是防止功能失效，保障功能安全最有效的手段之一。這一點，在近些年的設計中，被廣泛應用，特別是在汽車工程設計中。

我們以leaf 密封為例,看其設計精髓,值得深入學習和研究:

其設計采用了多層防失效結(jié)構(gòu)措施。其實，這與電池系統(tǒng)本身因密封失效的頻度、嚴重度密切相關(guān)。

當電池系統(tǒng)進水，其短路風險非常大，由此導致電池熱失控，燃爆概率也會大大增加。所以，其設計的慎重和采用多層冗余防失效的設計，也就不難理解了。

不可忽視的電器連接口密封失效

電器連接口是電池系統(tǒng)與整車或外界重要的輸出、輸入、通信、監(jiān)控通道。因為接口連接件的多樣性、數(shù)量多，設計有一定的難度。也是電池系統(tǒng)密封的薄弱環(huán)節(jié)。

電器接口密封失效之一：沿系統(tǒng)外線束線芯的泄漏

很多時候，當電池系統(tǒng)本身密封檢測通過的時候，整車應用中，仍然有出現(xiàn)漏水導致的絕緣報警現(xiàn)象。其實，還有一個重要環(huán)節(jié)，就是外接高低壓線束帶來的問題。其失效模式主要有兩種類型：

1、高壓線束兩端的一端插件密封不到位，沿線芯內(nèi)泄漏到另一端；

2、低壓線束密封堵無法承受相應水壓或密封堵與插件不匹配而泄漏。

電器接口密封失效之二：電器連接接口零件與密封面的厚度和剛度不匹配

在前期的產(chǎn)品設計中，因接插件固定面的厚度原因，出現(xiàn)不少的問題。一方面，因連接件，直接固定在殼體薄鋼板上，固定面剛度不夠，鋼板變形導致的密封失效；另一方面是連接件本身固定卡與殼體鋼板厚度不匹配。嚴格的講，這些不是技術(shù)難題。

綜上所述：站在技術(shù)角度，密封并沒有太多的難點。更不是難題。在前期的工程設計中，也是非常成熟的技術(shù)。今天，我們把這項技術(shù)，移植到新能源的電池系統(tǒng)應用中，最重要的不同在于，對功能安全的要求的高度，發(fā)生了很大的變化，而功能安全是直接威脅用戶生命的項目或指標，基于這種特定的條件下，我們就不能等閑視之了。更需要作為重點的設計加以重視。