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动力电池箱体密封结构设计

   次浏览   上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心   2021-06-07

引言


电动汽车是汽车领域的主要发展趋势之一。其安全性能备受社会关注。纵观近年来电动汽车的所有起火事故,因浸水而引起的起火事故占比高达10%(如图1所示)。

动力电池箱体密封结构设计

动力蓄电池包作为电动汽车的动力源,电池包的安全性直接影响到整车的安全。尤其是装配在底盘下方的电池包,应至少满足电池箱体防尘防水IP67等级的要求,才能保证电池包的防水密封性能。本文即从电池包的防水要求出发,探讨电池箱体密封性的具体设计方案。


2设计方案


电动汽车用电池包密封结构设计主要是机械密封设计,重点需要考虑以下几个关键部位:1)下箱体和上箱体的连接界面、2)高低压连接器、3)外露的器件跟电池箱体的安装界面。

2.1下箱体和上箱体的连接界面密封结构设计

电池包上箱体和下箱体的密封面很大,其密封性效果的好坏对于整个电池包的密封性影响很大。通常,电池包上箱体与下箱体会采用折弯翻边加密封垫设计,同时,密封垫螺栓孔压在电池箱下箱体翻边铆接螺母上(图2),通过紧固螺栓使上、下箱体翻边与密封垫充分压实耦合,从而保证电池箱IP67的防尘防水等级。

动力电池箱体密封结构设计

值得注意的是,电池包上箱体和下箱体要有足够的密封接触面边距(如图3所示),B1≥20mm,B2≥6mm,才能有效地保证密封接触面良好。

动力电池箱体密封结构设计

为了保证电池包下箱体翻边的平面度,减少翻边处的密封风险,电池包上箱体和下箱体翻边安装螺母可以采用带凸台的拉铆螺母进行固定,从而减少采用焊接螺母方式引起下箱体翻边局部过热而变形,提高此处的密封性设计。

在电池包设计过程中,考虑到密封性能、使用环境温度、成本、可维护性、耐腐蚀等因素,大多密封垫会选用较常见的发泡型(泡棉类)密封垫。这种发泡类材料设计的密封结构可以称之为压缩密封,其是通过使密封垫形成适当的预压缩量,借助于材料的反弹力压紧密封面而起到密封作用。

在电池包压缩密封的设计过程中,密封垫的压缩率是一个非常重量的设计参数。若密封垫压缩量过小,就会引起泄漏;压缩量过大,则会导致密封橡胶应力松驰,甚至破坏而引起泄漏,同时也易永久变形。压缩率ε通常用以下式表示:

动力电池箱体密封结构设计

h0为密封垫自由状态下的截面高度,单位为mm;

h1为密封垫压缩后的电池包上下箱体密封面平面的高度,单位为mm。

在选取密封垫的压缩率时,应重点从如下两个方面考虑:

1)要有足够的密封接触面积;

2)尽量避免永久变形。

这两个方面之间存在着矛盾,压缩率大可以获得大的接触压力,但是过大的压缩率无疑会更加容易造成永久变形,从而减小密封垫的使用寿命。而压缩率过小则可能由于密封垫高压误差和电池包密封面高度差和电池包密封面高度误差不符合要求,消失部分压缩量而引起泄漏。

如果在电池包下箱体翻边上单用一层密封垫进行密封结构设计,则密封垫容易永久变形,经不起反复拆装,可以考虑设计成密封垫固定孔处加带凸台的拉铆螺母,上下箱体用螺栓通过此带凸台的拉铆螺母固定在一起的,例如密封垫的高度设计为5mm,拉铆螺母的凸台高度设计为2.5mm,因此密封垫的最大压缩率是ε=(5-2.5)/5x100%=50%。在密封设计中,橡胶的相对变形量一般取ε=20%·30%为宜。也有一些如HT-800的材料,自身的压缩率很大,变形量可以达到ε=30%~50%。为了保证电池包的密封可靠性,一般密封垫的变形量要大于30%,小于60%;密封界面压力大于3kPa。

在选用密封垫时,除了需考虑密封垫的压缩率外,还需考虑密封垫的黏结力、防水性能、高低温性能、防火阻燃性能、还有比较重要的长久使用的可靠性能,这样才能保证电池包上箱体与下箱体处连接界面密封安全性。

2.2高低压连接器与电池箱体的安装界面密封设计

在电池包密封性设计中,大多电池汽车用电池包的高低压连接器与电池箱体的安装螺母采用普通点焊螺母的方式,安装界面密封失效率也是很高的,故高低压连接器与电池箱体固定处的密封性需重点考虑,对电池箱体壁的平面度要求会很高。为了保证高低压连接器与电池箱体固定处的密封性,其固定点的螺母可以采用盲孔碰焊螺母,并把其法兰面直接碰焊到电池箱体壁上,可以保证接插件碰焊螺母与电池箱下箱体壁孔完全融合成一个整体,如图4所示,从而有效保证此处的密封等级及提高接插件处固定螺母与下箱体生产的合格率。

动力电池箱体密封结构设计

2.3气压平衡部件与电池箱体的安装界面密封性设计

电动汽车电池包在长期的使用过程中,由于温度、海拔等因素的变化,会出现内外的压力差,而密封办面能承受的压力是一定的,一旦内外压力差超过界限值,密封界面就会失效,进而导致IP67防护失效。为了解决这一问题,在电池包上,一般都需要安装有气压平衡部件,如透气阀或防爆阀。如果气压平衡部件与电池箱体的密封设计不好的话,也很容易成为整个电池包密封失效地位置。电池箱上箱体透气阀的固定螺母采用带凸台的点焊螺母方式,透气阀的固定螺母焊接到电池箱上箱体后,螺母焊接面与电池箱上箱体接触齐平,有效保证透气阀的固定螺母与上箱体壁的耦合到位,从而保证此处的密封性。


3总结


电动汽车用电池包密封结构设计对电池包的安全性至关重要,故在进行电池包密封性结构设计时,建议采用可靠的且验证过的密封方案设计。选用的密封性材料及方案,不仅只考虑密封垫的压缩率,还要考虑密封性材料及方案的工作环境、耐腐蚀油污、防水性能、高低温性能、防火阻燃性能、成本、可反复拆装、还有比较重要的长久使用的可靠性能等,这样才会

设计出一个好的电池包密封方案,给电池包安全技术设计带来提升,从而带动电动汽车产业发展。

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