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新能源汽車電池包用泡沫矽橡膠密封性能及防水結構 設計的研究

2019-05-05

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 【摘要】

由於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,將會對保證電池包的安全性、提高使用壽命以及後期開發方向具有重要的應用意義和指導價值。


主題詞:新能源汽車 電池包 矽橡膠發泡密封條 防水

中圖分類號:U465.4;U469.72


1 概述

< p>在全球能源緊缺和氣候變暖越來越嚴峻的情勢下,人們對於新能源的呼籲越來越迫切,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採用灌封、塗抹密封膠、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、生產工藝複雜、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,並能滿足新能源汽車電池包對複雜、惡劣環境的使用要求。


2 密封結構形式及原理

由於電池包在電動汽車中的安裝位置較低,並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

矽橡膠發泡密封條的防水原理:矽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並產生反彈力,從而使得接觸面與發泡密封條間產生摩擦力。在密封條自身不洩露時,當摩檫力和反彈力都大於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洩漏,反之則發生洩漏。

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矽橡膠泡沫截面高度,H2 為壓縮狀態下的截面高度。)

上文提到壓縮後產生的反彈力(也稱 CFD)是指矽橡膠被壓縮至一定比例後,並達到力學平衡後,對施加物的一個回應力。對同一矽橡膠來講,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矽橡膠泡沫自身和界面的固定造成不利影響。

下圖是我們矽橡膠泡沫 TY640 產品、某國外 R 品牌產品 800 系列產品和國內某高溫膠 CFD 對比示意圖:

從 CFD 圖中可看出,TY640 系列、國外 800 系列和國內某高溫膠,在行程應變變化過程中,CFD 的變化較為相似,當壓縮率在 50%以下時,CFD 隨著壓縮率的增加而緩慢增加,造成此現象主要是由於泡沫材料中的空氣被壓縮而產生的變化;當壓縮率高於 50%時,泡沫材料中的空氣被充分壓縮後,矽橡膠材料自身被壓縮,從而表現出 CFD 急劇增加。因此,在採用矽橡膠泡沫密封電池包時,其壓縮率不宜過高和過低;如過低,CFD 較小,有一定壓力的液體會使泡沫材料變形而造成液體沿著界面流入內部;如壓縮率過大,則 CFD 會相應增加,會造成電池包底板和殼體發生變形,從而給加工密封帶來困難,也會使接觸界面不能充分填充密封,造成後期使用過程中,外界液體進入而出現洩漏。綜合我們在該行業的多年經驗,建議壓縮率保持在 30~50%為宜。另外,矽橡膠泡沫密封防水性除與壓縮率有關外,還與泡沫密封條的寬度有關,一般來說,寬度越寬,密封效果越好。具體最佳寬度還需結合泡沫密封條密度,孔徑結構類型及閉孔率等來確定。

2.2 矽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,矽橡膠泡沫密封條的優勢便展現出來。這是由於矽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。


那麼矽橡膠泡沫材料自身結構是怎麼決定防水性能好壞的?

2.2.1 矽橡膠泡沫材料孔徑結構類型對防水性能的影響

矽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,市面上用於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矽橡膠為主,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,該泡沫材料由於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;同時由高溫膠製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< /span>,後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,長期使用後,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(如小於30% ),防水性能在長時間下無法通過,如提高壓縮率(如大於 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機率增加,這樣防水性和氣密性也就變差。為此我們對泡沫材料內部泡孔結構進行 SEM 掃描,以觀察孔徑分佈情況,詳見下圖:

從以上 SEM 圖對比可看出,800 系列和 TY640 系列,都存在泡孔與泡孔相通,但後者明顯更少,即開孔率低於前者,從而使得在相同壓縮率條件下具有更優的防水性和氣密性。相比較而言,國內某高溫膠泡孔連通率過高,材料防水性能和氣密性能表現不好。這是由於高溫泡沫矽橡膠自有的發泡原理決定的,高溫膠發泡是引入獨立的的發泡劑,在高溫下釋放氣體而產生的泡沫材料,其自身不參與發泡反應,故孔徑結構較難控制,使得產品的一致性較差。 另外,TY640在不同老化條件下長時間使用測試,也能具有同 800系列一樣的快速回彈性能,厚度損失很小,甚至更優。

未出現使用過程中的塌陷情況,這點對開孔率低的泡孔材料來說是個挑戰,通過我們對材料深入研究發現,材料在正常的壓縮量範圍內,其壓縮主要是壓縮氣泡內的空氣,可以很好實現快速回彈。壓縮量超過 80%時,部分氣體通過氣泡壁排出,TY640 這款材料的氣泡壁具有非常好的支撐性,即便空氣排出仍然可以保證材料的回彈,從而厚度損失很小。這點我們通過內部嚴格的老化測試,反复壓縮防水測試可以保證。

以上是防水性能討論,接下我們再來看看材料氣密性。

為什麼說開孔率高的泡沫材料通過提高壓縮率或增加密封條寬度,或許可實現防水,但氣密性卻很難通過,這主要是因為空氣與液體相比,空氣可被壓縮,粘度較低,無表面張力且通過漏點的速率比液體快得多。故氣密性等級比防水等級更高。

下表是我們產品 TY640 同國外某品牌 800 系列的性能對比圖。其中包含了氣密性測試情況,從數據可看出,TY640 氣密性優於 800 系列,故它具有更優的防水性能。

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。對於矽橡膠來說,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,否則後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,然後進行各種老化處理,最後再進行防水和氣密性測試,以此考察前後變化情況。

目前,矽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 系列矽橡膠經過多次試驗通過率低,國內高溫膠通不過防水測試。當然電池包的防水並不僅僅局限於 24 小時或 48小時,要更久,最好是能保證 8 年以上的防水。由於矽橡膠在實際應用中長期處於壓縮形變狀態,在高溫情況下更易造成永久變形,因此對於矽橡膠本身高溫形變的性能要求很高。為此我們做瞭如下高溫測試,將測試溫度從一般標準的 100℃,提高至 150℃,然後考察厚度損失情況。見下表測試結果:

由以上實驗數據可得知:TY640 矽橡膠在高溫情況下厚度損失比國外 800 系列矽橡膠和國內某高溫膠厚度損失小。並且,我們對老化後的產品作進一步防水性能測試,TY640 矽橡膠防水性能也依然保持較好。同時,我們也對國內某高溫膠進行高溫老化測試,在測試前,該泡沫膠表現出優異的防水性和氣密性,但通過不同老化條件測試發現,該泡沫矽橡膠出現整體塌陷,厚度損失較大,無法恢復,從而造成後期氣密性和防水性無法通過。產生此原因主要是該系列矽橡膠泡沫由高溫矽橡膠製備而成,其自身分子結構決定了壓縮永久變形較大,該性能方面無法同液體矽橡膠相比。


3 防水測試驗證

根據以上防水設計的分析,我們可以得知影響矽橡膠發泡密封條防水性能主要有以下幾個關鍵因素:矽橡膠發泡密封條壓縮後產生的反彈力、矽橡膠泡沫材質、矽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。以下防水測試結果更能驗證這一觀點:

我們對TY640 系列、國外800 系列和國內某高溫膠進行通用的防水測試,測試條件為矽橡膠發泡密封條壓縮30%,在水深一米下的情況下48 小時後查看測試結果,如下表:

表 4 防水實驗測試

 

根據以上表格,可以得知本次防水測試的實驗結果為,我們 TY640 系列產品和國外 800 系列產品均通過測試,而國內某高溫膠沒有通過測試,已漏水。可見在防水性能方面,我們 TY640 系列產品和國外 800系列產品表現優異。但是根據我們長期實驗證明,國外800 系列產品在48 小時30%壓縮的情況下表現不穩定,在48小時30%以下壓縮的情況下通不過防水測試。因此綜合考慮,使用 TY640 系列產品對電池包進行防水保護,效果更顯著,性能更穩定。


4 結束語

通過以上討論,我們可看出,採用矽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矽橡膠,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,老化後,還具有快速回彈性,厚度損失較小的特點,並且老化後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係,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,包括使用什麼樣的底板和外殼的材質防水效果最佳,什麼樣的密封條橫截面積最優化,怎樣處理凸起等方面問題。