电动汽车动力电池防水性失效模式分析

1 引言

伴随新能源汽车“十三五“规划落实，电动汽车行业整体从质与量上得到了飞速提升[1]。动力电池作为新能源汽车的动力来源部件，其安全性能直接影响整车与人的安全。根据国家标准规定，动力电池箱体外壳防护等级应达到IP67的设计要求，其在各种多变的气候环境及复杂工况条件下，皆应保持密封防水性能。

目前市面上大多数新能源汽车的动力电池的安装位置都比较低，且暴露在相对空旷的环境中。沿海和多雨地区，常遭受雨水和台风天的侵袭，动力电池需经受住淋雨、涉水乃至长时间泡水等极端环境，为避免动力电池内部进水，引发起火爆炸的事故。针对以上问题，本文提炼了以下几种动力电池防水失效种模式，并对此进行分析与研究。

2 动力电池防水失效模式分析

2.1 密封圈防水失效

密封圈作为动力电池密封结构设计中不可或缺的零件，其与蓄电池上下壳体安装面间的配合，保证动力电池的密封防尘防水。闭口材料的硅胶泡棉作为密封圈的主要组成部分，其与PET双面胶，表面处理剂等经加工和贴胶，裁剪成固定框架形式的O型密封圈。相比于传统碳系发泡材料，其具有优异的抗压缩永久变形性能、较好的耐高低温性、高阻燃性，同时耐老化性与耐候性能极佳，是各类高性能密封、减震、缓冲、隔音、保护、绝缘和防火材料的理想选择。

密封圈防水失效通常可归结为：1）外界水压大于发泡硅胶的压缩应力[2]；2）水压对硅胶泡棉的负荷大于发泡硅胶密封圈与动力电池箱体间的摩擦力；3）密封圈过大的压缩形变，在各种复杂工况环境下致使其压缩回弹失效，不能有效密封[3，4]。如表1和图1所示，某型号的发泡硅胶在-40℃～85℃的环境箱中完成1000次循环测试后，表现出较好的压缩回弹性能。同时，该泡棉硅胶展现出极佳的抗压缩形变和抗蠕变性能。在该硅胶泡棉密封圈的使用中，动力电池表现出良好的防水防尘性。密封圈在选型使用过程中应综合考虑密封圈的压缩形变、合适的摩擦力、良好的容积-间隙比及环境耐受性等。

表1 发泡硅胶耐高低温冲击测试表

图1 发泡硅胶高低温循环示意图

2.2 电气接插件防水失效

作为动力电池的输入/输出介质，高低压电气接插件的密封性直接影响动力电池的整体防水性能。高低压接插件防水失效模式主要表现为：1）动力电池接插件插座端维氏硬度过低；2）接插件与插座，插座与箱体平面度和配合性差；3）低压通讯插针位置密封失效[5]；4）高低压接插件插头O型密封圈插拔过程中挤压产生不可逆形变。除了以上几种常见的电气接插件防水失效模式，还存在如接插件质量问题，频繁插拔后锁扣失效等问题。

图2

2.3 防爆阀防水失效

防爆阀作为双向防水透气泄压部件，对防水透气隔膜的要求较高。隔膜筛孔具有一定的疏水性，只能让气体分子通过，液体分子将被阻隔在电池箱体外。常见的防爆阀防水失效主要存在以下几种形式：1）防水透气膜质量问题——撕裂，疏水性变差（图2a）；2）防爆阀密封垫圈尺寸小于箱体安装孔尺寸，造成安装过程中密封垫圈变形挤压进入安装孔，丧失密封圈防水性（图2b）；3）箱体平面度与防爆阀密封垫存在安装间隙，错位等。

2.4 动力电池箱体防水失效

箱体外壳具有较强的结构保护功能，使得动力电池内部的电子元气件，电芯等免受外界挤压力，机械冲击，碰撞和振动等安全因素的影响。同时，箱体外壳还具有一定的热防护功能，减少外界环境温度对内部电芯和电气件的直接热辐射和火源隔绝。

常见的电池箱体可以分为：钣金箱体、铝合金型材箱体以及轻质复合材料的电池箱盖等。其中，钣金箱体在制备过程中，经过冲压，拼接和焊接等工艺成型。焊穿，漏焊或虚焊则直接影响电池箱体的防水密封性能。铝合金箱体主要经过铝型材挤压成型，搅拌摩擦焊及补焊工艺成型。其防水失效模式可归结为：1）搅拌摩擦焊所引起的电池箱体薄弱结构在水压负荷环境中，箱体薄弱部分易弯曲形变，引起漏气风险；2）补焊工艺造成的箱体焊接位点的穿焊，虚焊和漏焊的制造问题（图3）；3）铝合金型材自身存在“砂眼”和“夹渣”的质量问题。虽然动力电池在生产下线过程中会经过气密性检测，但是砂眼位置的气密泄露量很难发现，从而造成箱体的防水失效。

图3 箱体焊接质量造成的防水失效

3 结语

动力电池作为电动汽车的动力能源，其防水安全性备受重视。本文从动力电池密封圈、电气接插件、防爆阀和箱体结构四个方面对其防水密封性的失效模式进行了分析，为新能源汽车动力电池的设计提供了借鉴意义。