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新能源汽車電池包的簡述

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年11月27日  

由于傳統汽車引起的能源緊缺、環境污染等問題的日益突出,新興的綠色交通工具新能源汽車便應運而生,成為各大汽車廠家的“新寵”。在新能源電動汽車中,電池包是其核心部件,電池包的密封性直接影響到電池系統工作的安全性,因此也影響到整車的使用安全。為了提高電池包的密封防水性能,需要對電池箱體密封結構進行合理的設計,對密封條的結構和材料進行研究,使電池箱體和密封條結構完美結合,對保證電池包的安全性、提高使用壽命以及后期開發方向具有重要的應用意義和指導價值。

1概述

在全球能源緊缺和氣候變暖越來越嚴峻的情勢下,人們對于新能源的呼吁越來越迫切,而汽車作為能源消耗大戶,更是要與時俱進,適應環境保護的需要。因此,新能源汽車被預言為未來汽車發展的最終趨勢。

隨著電動汽車的發展,電池包做為新能源汽車的動力源泉,其性能安全與否直接決定著整機的安全。如果電池包進水,將嚴重影響其使用性能,因此結構上對電池包的密封防水功能設計提出了更高的要求。

傳統的電池包防水一般會采用灌封、涂抹密封膠、現場橡膠發泡等方法,但是我們知道,這些傳統方法存在很多弊端和缺陷,如電池包無法維修或維修成本高、生產工藝復雜、防水密封性能不足、易老化等。而我們設計出的發泡密封條的防水結構可以避開這些弊端和缺陷,使得電池包的安裝更加方便、維修成本更加低廉,并能滿足新能源汽車電池包對復雜、惡劣環境的使用要求。

2密封結構形式及原理

由于電池包在電動汽車中的安裝位置較低,并且暴露在相對開放的空間中,容易遭受雨雪天氣的侵襲,特別是在汽車泡水的情況下,必須承受一定的水壓,因此對密封條的防水結構設計提出了更大的要求。以下重點介紹下發泡密封條密封原理及設計。

2.1發泡密封條與接觸界面的防水

硅橡膠發泡密封條的防水原理:硅橡膠密封條在壓力作用下會發生彈性形變,使接觸界面與密封條之間的空隙被填充并產生反彈力,從而使得接觸面與發泡密封條間產生摩擦力。在密封條自身不泄露時,當該摩檫力和反彈力都大于被密封介質的內壓或外壓時,密封材料才不會發生因變形或位移產生泄漏,反之則發生泄漏。

下圖為密封結構示意,彈性變形也指密封墊的壓縮率,以下用C表示。壓縮率C=(H1-H2)/H1×100%(H1指的是自由狀態下的硅橡膠泡沫截面高度,H2為壓縮狀態下的截面高度。)

新能源汽車電池包用泡沫硅橡膠密封性能及防水結構設計的研究

圖1硅橡膠泡沫密封示意圖

 新能源汽車電池包用泡沫硅橡膠密封性能及防水結構設計的研究

圖2硅橡膠泡沫壓縮示意圖

上文提到壓縮后產生的反彈力(也稱CFD)是指硅橡膠被壓縮至一定比例,并達到力學平衡后,對施加物的一個回應力。對同一硅橡膠來講,壓縮比例越大,則回彈力越大,其密封和保護效果越好。但壓縮量如過大也會對硅橡膠泡沫自身和界面的固定造成不利影響。

2.2硅橡膠泡沫材質對防水性能的影響

一般的密封條材料,如普通實心橡膠及普通發泡材料等可在防水等級要求不高的情況下使用,這些材料防水等級均可達到IP45。而要求防水等級更高,硅橡膠泡沫密封條的優勢便展現出來。這是由于硅橡膠泡沫是一種新型的耐高低溫高分子彈性材料,其最大的特點是耐高溫、耐寒性能優越,同時具有優異的耐老化性能(耐臭氧、耐氧化、耐放射、耐光、耐氣候),長期使用中,有非常好的彈性形變,厚度損失小,能夠耐老化、高溫、高濕,防水等級可以達到IPX7和IPX8。

那么硅橡膠泡沫材料自身結構是怎么決定防水性能好壞的?

2.2.1硅橡膠泡沫材料孔徑結構類型對防水性能的影響

硅橡膠泡沫材料根據孔徑結構類型可分為閉孔型、開孔型及混合型(又稱半連泡)結構。目前,市面上用于電池包密封防水主要是閉孔型和混合型,其中閉孔型主要以高溫硅橡膠為主,在使用初期具有優異的防水性和氣密性,但隨著使用時間的延長,該泡沫材料由于自身分子結構無法恢復如初,從而造成整體塌陷和密封防水性能下降,具體原因將在下文中闡述;同時由高溫膠制備的泡沫膠較難保持產品閉孔結構的一致性,這主要是由發泡原理決定,后面將結合產品進行分析。而混合型結構,目前以國外某品牌的800系列為主,它具有優異的耐候性和回彈性,長期使用后,依然能恢復如初,但在防水性能方面沒有保證,我們通過多批次實驗驗證,當壓縮率較低時(如小于30%),防水性能在長時間下無法通過,如提高壓縮率(如大于50%),可增加防水性能,但依然無法100%保證防水,批次間存在差異;如進一步提高壓縮率,或許能實現防水,但會對密封結構設計造成影響,增加許多不確定性。產生以上防水性能較差的原因主要與開孔率有關;即開孔率越高,泡孔和泡孔之間相通幾率增加,這樣防水性和氣密性也就變差。

2.2.2長時間使用條件下的防水情況

我們都知道,作為新能源汽車的使用壽命一般在8年以上,其核心部件電池包也須具有相同的使用壽命,故對密封材料也要如此。對于硅橡膠來說,它具有優異的耐候性,但作為密封材料,它還需具有較低的壓縮永久變形性,否則后期防水性能和氣密性會下降。

為此,我們在進行測試分析時,先對泡沫材料進行一系列防水和氣密性能測試,然后進行各種老化處理,最后再進行防水和氣密性測試,以此考察前后變化情況。

目前,硅橡膠泡沫材料防水測試是在水下一米,壓縮30%,分別在24小時及48小時來進行考察。實驗發現:TY640系列可以通過,但是國外800系列硅橡膠經過多次試驗通過率低,國內高溫膠通不過防水測試。當然電池包的防水并不僅僅局限于24小時或48小時,要更久,最好是能保證8年以上的防水。由于硅橡膠在實際應用中長期處于壓縮形變狀態,在高溫情況下更易造成永久變形,因此對于硅橡膠本身高溫形變的性能要求很高。為此我們做了如下高溫測試,將測試溫度從一般標準的100℃,提高至150℃,然后考察厚度損失情況。

3防水測試驗證

根據以上防水設計的分析,我們可以得知影響硅橡膠發泡密封條防水性能主要有以下幾個關鍵因素:硅橡膠發泡密封條壓縮后產生的反彈力、硅橡膠泡沫材質、硅橡膠泡沫長期在高溫壓縮下的表現力等。綜合以上因素可以得出,TY640系列和國外800系列產品性能相對國內某高溫膠系列產品表現更優異,更能保護新能源汽車的電池包,確保其使用的安全性。

4結束語

通過以上討論,我們可看出,采用硅橡膠泡沫材料密封電池包時,影響密封性能的因素較多,主要與密封條與箱體接觸面產生的CFD大小,泡沫密封條孔徑結構類型及老化性等因素有關。同時根據客戶需要,目前在TY640基礎上,已開發出一款新型的閉孔型泡沫硅橡膠,它同目前市面上的閉孔型相比,除具有相同的氣密性和防水性外,老化后,還具有快速回彈性、厚度損失較小的特點,并且老化后氣密性和防水性依然得到保持。當然,電池包密封防水除與泡沫材料各性能有關外,還與密封條與電池包的設計結構有著較大關系,這方面我們根據長期實驗測試分析和實際驗證,目前可以提供一整套電池包防水解決方案,包括使用什么樣的底板和外殼的材質防水效果最佳,什么樣的密封條橫截面積最優化,怎樣處理凸起等方面問題。

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