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淺談電池系統密封設計:導致新能源車輛燃燒的電池進水問題

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年08月10日  

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


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,各不相同,也會導致事故概率不同。這里僅討論電池系統密封要求,或必須做到的達標問題。


電池系統密封,是難點,但不是難題。技術方面完全可以解決。一直以來,很多主機廠,真得沒有把密封放在重要位置,這是普遍的共識。同時,對密封缺乏專業的設計認識,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,根本無法覆蓋到產品后段的:復雜工況、售后維護的二次裝配帶來的風險。更甚的是,產品下線測試環節缺失或做不到100%全檢。工藝管理問題易于糾正;技術設計問題,更要認真對待和深入研究。


電池系統密封“百密不能一疏”,以及密封的完整性


電池系統密封的“不能一疏”特點,也恰恰是電池系統密封的難點。其不同功能接口,在材質、結構、所處殼體位置、環境,均有較大差異。這僅僅是靜態特點。假如結合動態的工況,其失效的風險更大。


關于一個電池系統殼體,假如使用密封邊長度計算(加上多層結構長度),一個20~30KWh的電池包體,其長度在25~30米之間;假如使用密封功能單元數量計算,一個包體也不少于8處(不含焊接密封)。假如是大巴車多電池包,這個數值就更大了。如此多的密封“戰線”,做到萬無一失,確實是挑戰。


圖一:電池系統密封單元


其次,電池系統密封的完整性也是非常重要的。常規的密封單元,工藝控制手段相對容易實現和檢測;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失效,砂眼、裂縫,是難以發現的。


圖二:焊接缺陷導致的漏水


電池系統密封執行的標準和測試規范


依據GB4208\IEC\EN60529標準,IP(INGRESSPROTECTION)防護等級,IP等級由兩個數字所組成,第一個數字表示防塵;第二個數字表示防水。數字越大表示其防護等級越好。目前,新能源汽車電池系統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,在低壓監測功能正常工作狀態中測試,殼體內無進水為合格。


在GB/T18384-2015安全要求中,關于防水明確提出了三種試驗規則: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,只是對新下線產品做了規范要求,對產品應用后段的穩定性、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。只能依靠公司自身技術實力來保證了。也正因為公司技術水平的不同,恰恰在這個環節出了不少的問題。


測試是產品的眼睛。車輛的電池系統前端測試指標,首要條件達到IP67,關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:


Performairtightnesstestapplying1.6KPaofpressureinsidethe


batterypackforapproximately1minute.


2.CAUTION:


Whenapplyingpressure,operatetheairpumpslowly.


Donotapplyanypressureexceeding1.6kPa.


Repairlimit:1.4KPa.


這里提到的參數,只是針對特定的車型。重要還是學習其對產品“無微不至的關心”和認真細致的技術態度。


再來談談測試方法,從壓力方向區分有兩種:正壓測試、負壓測試。在產線測試中,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,要接近真實狀態。在測試中,幾項重要指標如下表:


圖三:電池系統密封測試


密封設計:密封墊是依靠“壓縮量”密封,并非“壓死”密封


密封件有多種結構形式、材質、用途。用于動力鋰電池殼體密封,一般常用的有O形密封和異形密封結構形式。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、彈性模量、硬度、強度(壓縮、彎曲、抗張、剪切、沖擊)等,橡膠材質都是非常優秀的,完全滿足密封要求。


設計環節,針對系統殼體密封的重要性和其結構的特殊性,假如按一般的密封設計,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構都沒有設計,其密封失效概率是可想而知的。


圖三密封條壓死、固定孔無密封結構失效案例


膠條的密封是“壓縮量”密封。實測某優秀車型,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,三者相加數值是小于6mm的。同時,對變形量的導向方向,在膠條結構上,也表現的非常明顯。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,根據不同的箱體結構,不同的密封面長度,壓縮量數值是不同的。這里要重點考慮幾個關鍵指標和進行標定:密封邊平面度、剛度、橡膠硬度、耐水壓參數等。


電池系統密封“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構措施。其實,這與電池系統本身因密封失效的頻度、嚴重度密切相關。


當電池系統進水,其短路風險非常大,由此導致電池熱失控,燃爆概率也會大大新增。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與整車或外界重要的輸出、輸入、通信、監控通道。因為接口連接件的多樣性、數量多,設計有一定的難度。也是電池系統密封的薄弱環節。


電器接口密封失效之一:沿系統外線束線芯的泄漏


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


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


在前期的產品設計中,因接插件固定面的厚度原因,出現不少的問題。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,這些不是技術難題。


綜上所述:


站在技術角度,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。今天,我們把這項技術,移植到新能源的電池系統應用中,最重要的不同在于,對功能安全的要求的高度,發生了很大的變化,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。更要作為重點的設計加以重視。


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