電池系統(tǒng)密封設(shè)計(jì)

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

當(dāng)然了，汽車進(jìn)水形式多樣，長(zhǎng)時(shí)間浸泡和短時(shí)間涉水。同時(shí)，車輛本身的故障報(bào)警、維護(hù)狀態(tài)，各不相同，也會(huì)導(dǎo)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(dá)標(biāo)問(wèn)題。

電池系統(tǒng)密封，是難點(diǎn)，但不是難題。技術(shù)方面完全可以解決。一直以來(lái)，很多主機(jī)廠，真得沒(méi)有把密封放在主要位置，這是普遍的共識(shí)。同時(shí)，對(duì)密封缺乏專業(yè)的設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)，也是主因。做涉水實(shí)驗(yàn)時(shí)，不乏采取一些臨時(shí)措施，例如，車輛密封處糊一些膠水，“得過(guò)且過(guò)”。其真實(shí)的設(shè)計(jì)狀態(tài)，根本無(wú)法覆蓋到產(chǎn)品后段的：復(fù)雜工況、售后維護(hù)的二次裝配帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。更甚的是，產(chǎn)品下線測(cè)試環(huán)節(jié)缺失或做不到100%全檢。工藝管理問(wèn)題易于糾正；技術(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，更需要認(rèn)真對(duì)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(diǎn)，也恰恰是電池系統(tǒng)密封的難點(diǎn)。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(dòng)態(tài)的工況，其失效的風(fēng)險(xiǎn)更大。

對(duì)于一個(gè)電池系統(tǒng)殼體，如果使用密封邊長(zhǎng)度計(jì)算（加上多層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度），一個(gè)20~30KWh的電池包體，其長(zhǎng)度在25~30米之間；如果使用密封功能單元數(shù)量計(jì)算，一個(gè)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(gè)數(shù)值就更大了。如此多的密封“戰(zhàn)線”，做到萬(wàn)無(wú)一失，確實(shí)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(duì)容易實(shí)現(xiàn)和檢測(cè)；可是，看不見(jiàn)或不確定因素，例如因材料、焊接工藝缺陷導(dǎo)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(dǎo)致的漏水

電池系統(tǒng)密封執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范

依據(jù)GB4208IECEN60529標(biāo)準(zhǔn)，IP（INGRESS PROTECTION）防護(hù)等級(jí),IP等級(jí)由兩個(gè)數(shù)字所組成，第一個(gè)數(shù)字表示防塵；第二個(gè)數(shù)字表示防水。數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越好。目前，新能源汽車電池系統(tǒng)的防塵防水等級(jí)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(shí)，在低壓監(jiān)測(cè)功能正常工作狀態(tài)中測(cè)試，殼體內(nèi)無(wú)進(jìn)水為合格。

在GB/T18384-2015 安全要求中，對(duì)于防水明確提出了三種試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，也是模擬和接近故障工況的一種實(shí)驗(yàn)方法。

但是，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，只是對(duì)新下線產(chǎn)品做了規(guī)范要求，對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用后段的穩(wěn)定性、耐用性、可靠性以及維護(hù)后的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并沒(méi)有明確提出。當(dāng)然了，站在標(biāo)準(zhǔn)角度，也是很難提出共性指標(biāo)的。只能依靠企業(yè)自身技術(shù)實(shí)力來(lái)保證了。也正因?yàn)槠髽I(yè)技術(shù)水平的不同，恰恰在這個(gè)環(huán)節(jié)出了不少的問(wèn)題。

測(cè)試是產(chǎn)品的眼睛。車輛的電池系統(tǒng)前端測(cè)試指標(biāo)，首要條件達(dá)到IP67，對(duì)于后段的可靠性自然是有一定保障。在leaf早期的維修手冊(cè)中，除了對(duì)前段測(cè)試的指標(biāo)提出要求，還可以看到對(duì)維修后的指標(biāo)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(duì)特定的車型。主要還是學(xué)習(xí)其對(duì)產(chǎn)品“無(wú)微不至的關(guān)心”和認(rèn)真細(xì)致的技術(shù)態(tài)度。

再來(lái)談?wù)劀y(cè)試方法，從壓力方向區(qū)分有兩種：正壓測(cè)試、負(fù)壓測(cè)試。在產(chǎn)線測(cè)試中，正壓測(cè)試采用更多一些，但我更傾向于負(fù)壓測(cè)試。畢竟測(cè)試的方式，壓力方向，需要接近真實(shí)狀態(tài)。在測(cè)試中，幾項(xiàng)重要指標(biāo)如下表：

IP66測(cè)試

IP67測(cè)試

圖三：電池系統(tǒng)密封測(cè)試

密封設(shè)計(jì)：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(dòng)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(yīng)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(qiáng)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，針對(duì)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(shè)計(jì)，肯定是達(dá)不到要求的。圖三就是一個(gè)典型案例。殼體開(kāi)蓋后膠條彈性失效，膠條移動(dòng)、固定孔移位、連最基本的固定孔密封結(jié)構(gòu)都沒(méi)有設(shè)計(jì)，其密封失效概率是可想而知的。

圖三 密封條壓死、固定孔無(wú)密封結(jié)構(gòu)失效案例

膠條的密封是“壓縮量”密封。實(shí)測(cè)某優(yōu)秀車型，其橡膠壓縮量為6mm.也就是說(shuō)，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(shí)，對(duì)變形量的導(dǎo)向方向，在膠條結(jié)構(gòu)上，也表現(xiàn)的非常明顯。這一點(diǎn)也是非常重要的設(shè)計(jì)。

圖四 密封膠條原理示意圖

當(dāng)然了，根據(jù)不同的箱體結(jié)構(gòu)，不同的密封面長(zhǎng)度，壓縮量數(shù)值是不同的。這里需要重點(diǎn)考慮幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)和進(jìn)行標(biāo)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(shè)計(jì)，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(shí)，冗余理念可以使用在不同的設(shè)計(jì)場(chǎng)景中。冗余設(shè)計(jì)，是防止功能失效，保障功能安全最有效的手段之一。這一點(diǎn)，在近些年的設(shè)計(jì)中，被廣泛應(yīng)用，特別是在汽車工程設(shè)計(jì)中。

我們以leaf 密封為例,看其設(shè)計(jì)精髓,值得深入學(xué)習(xí)和研究:

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

當(dāng)電池系統(tǒng)進(jìn)水，其短路風(fēng)險(xiǎn)非常大，由此導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀急怕室矔?huì)大大增加。所以，其設(shè)計(jì)的慎重和采用多層冗余防失效的設(shè)計(jì)，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?yàn)榻涌谶B接件的多樣性、數(shù)量多，設(shè)計(jì)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(shí)候，當(dāng)電池系統(tǒng)本身密封檢測(cè)通過(guò)的時(shí)候，整車應(yīng)用中，仍然有出現(xiàn)漏水導(dǎo)致的絕緣報(bào)警現(xiàn)象。其實(shí)，還有一個(gè)重要環(huán)節(jié)，就是外接高低壓線束帶來(lái)的問(wèn)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(wú)法承受相應(yīng)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(shè)計(jì)中，因接插件固定面的厚度原因，出現(xiàn)不少的問(wèn)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(dǎo)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(yán)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(méi)有太多的難點(diǎn)。更不是難題。在前期的工程設(shè)計(jì)中，也是非常成熟的技術(shù)。今天，我們把這項(xiàng)技術(shù)，移植到新能源的電池系統(tǒng)應(yīng)用中，最重要的不同在于，對(duì)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(xiàng)目或指標(biāo)，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(diǎn)的設(shè)計(jì)加以重視。