电池系统密封设计详细介绍

电池系统密封设计

随着新能源事业步入快速发展轨道，在汽车领域，其安全问题也越来越突出。特别是，因电池系统密封漏水导致的绝缘降低、短路，而引发的燃烧事故频发。问题的突出和紧迫，真正唤起了人们对密封的普遍关注和重视。

当然了，汽车进水形式多样，长时间浸泡和短时间涉水。同时，车辆本身的故障报警、维护状态，各不相同，也会导致事故概率不同。这里仅讨论电池系统密封要求，或必须做到的达标问题。

电池系统密封，是难点，但不是难题。技术方面完全可以解决。一直以来，很多主机厂，真得没有把密封放在主要位置，这是普遍的共识。同时，对密封缺乏专业的设计认识，也是主因。做涉水实验时，不乏采取一些临时措施，例如，车辆密封处糊一些胶水，“得过且过”。其真实的设计状态，根本无法覆盖到产品后段的：复杂工况、售后维护的二次装配带来的风险。更甚的是，产品下线测试环节缺失或做不到100%全检。工艺管理问题易于纠正；技术设计问题，更需要认真对待和深入研究。

电池系统密封“百密不能一疏”，以及密封的完整性

电池系统密封的“不能一疏”特点，也恰恰是电池系统密封的难点。其不同功能接口，在材质、结构、所处壳体位置、环境，均有较大差异。这仅仅是静态特征。如果结合动态的工况，其失效的风险更大。

对于一个电池系统壳体，如果使用密封边长度计算（加上多层结构长度），一个20~30KWh的电池包体，其长度在25~30米之间；如果使用密封功能单元数量计算，一个包体也不少于8处（不含焊接密封）。如果是大巴车多电池包，这个数值就更大了。如此多的密封“战线”，做到万无一失，确实是挑战。

图一：电池系统密封单元

其次，电池系统密封的完整性也是非常重要的。常规的密封单元，工艺控制手段相对容易实现和检测；可是，看不见或不确定因素，例如因材料、焊接工艺缺陷导致的密封失效，以及后段工况中出现失效，砂眼、裂缝，是难以发现的。

图二：焊接缺陷导致的漏水

电池系统密封执行的标准和测试规范

依据GB4208IECEN60529标准，IP（INGRESS PROTECTION）防护等级,IP等级由两个数字所组成，第一个数字表示防尘；第二个数字表示防水。数字越大表示其防护等级越好。目前，新能源汽车电池系统的防尘防水等级建议为不低于IP67。 其中，IP6X, 6为防尘，是完全防止灰尘侵入;IPX7的7，即1米深的水浸泡不少于30min，同时，在低压监测功能正常工作状态中测试，壳体内无进水为合格。

在GB/T18384-2015 安全要求中，对于防水明确提出了三种试验规则：模拟清洗、模拟暴雨、模拟涉水。在GB/T31467.3-2015中，还提出了海水浸泡实验，也是模拟和接近故障工况的一种实验方法。

但是，试验标准中，只是对新下线产品做了规范要求，对产品应用后段的稳定性、耐用性、可靠性以及维护后的检测标准，并没有明确提出。当然了，站在标准角度，也是很难提出共性指标的。只能依靠企业自身技术实力来保证了。也正因为企业技术水平的不同，恰恰在这个环节出了不少的问题。

测试是产品的眼睛。车辆的电池系统前端测试指标，首要条件达到IP67，对于后段的可靠性自然是有一定保障。在leaf早期的维修手册中，除了对前段测试的指标提出要求，还可以看到对维修后的指标也提出了要求：

Performairtightness test applying 1.6KPa of pressure inside the

battery pack for approximately 1 minute.

2．CAUTION:

Whenapplying pressure, operate the air pump slowly.

Donot apply any pressure exceeding 1.6kPa.

Repair limit: 1.4KPa.

这里提到的参数，只是针对特定的车型。主要还是学习其对产品“无微不至的关心”和认真细致的技术态度。

再来谈谈测试方法，从压力方向区分有两种：正压测试、负压测试。在产线测试中，正压测试采用更多一些，但我更倾向于负压测试。毕竟测试的方式，压力方向，需要接近真实状态。在测试中，几项重要指标如下表：

IP66测试 

IP67测试

图三：电池系统密封测试

密封设计：密封垫是依靠“压缩量”密封，并非“压死”密封

密封件有多种结构形式、材质、用途。用于动力电池壳体密封，一般常用的有O形密封和异形密封结构形式。O形密密封多用在壳体的电器连接件与壳体的密封，也有用在箱体上盖与壳体之间的案例。

从材质角度，目前应用效果最好的还是橡胶类制品，从耐温度、耐溶剂、线性膨胀系数、弹性模量、硬度、强度（压缩、弯曲、抗张、剪切、冲击）等，橡胶材质都是非常优秀的，完全满足密封要求。

设计环节，针对系统壳体密封的重要性和其结构的特殊性，如果按一般的密封设计，肯定是达不到要求的。图三就是一个典型案例。壳体开盖后胶条弹性失效，胶条移动、固定孔移位、连最基本的固定孔密封结构都没有设计，其密封失效概率是可想而知的。

图三 密封条压死、固定孔无密封结构失效案例

胶条的密封是“压缩量”密封。实测某优秀车型，其橡胶压缩量为6mm.也就是说，密封边的平面度、误差、以及刚度决定的变形量，三者相加数值是小于6mm的。同时，对变形量的导向方向，在胶条结构上，也表现的非常明显。这一点也是非常重要的设计。

图四 密封胶条原理示意图

当然了，根据不同的箱体结构，不同的密封面长度，压缩量数值是不同的。这里需要重点考虑几个关键指标和进行标定：密封边平面度、刚度、橡胶硬度、耐水压参数等。

电池系统密封“冗余”设计，是满足功能安全的屏障

我们常把“冗余”概念，用于软件的策略。其实，冗余理念可以使用在不同的设计场景中。冗余设计，是防止功能失效，保障功能安全最有效的手段之一。这一点，在近些年的设计中，被广泛应用，特别是在汽车工程设计中。

我们以leaf 密封为例,看其设计精髓,值得深入学习和研究:

其设计采用了多层防失效结构措施。其实，这与电池系统本身因密封失效的频度、严重度密切相关。

当电池系统进水，其短路风险非常大，由此导致电池热失控，燃爆概率也会大大增加。所以，其设计的慎重和采用多层冗余防失效的设计，也就不难理解了。

不可忽视的电器连接口密封失效

电器连接口是电池系统与整车或外界重要的输出、输入、通信、监控通道。因为接口连接件的多样性、数量多，设计有一定的难度。也是电池系统密封的薄弱环节。

电器接口密封失效之一：沿系统外线束线芯的泄漏

很多时候，当电池系统本身密封检测通过的时候，整车应用中，仍然有出现漏水导致的绝缘报警现象。其实，还有一个重要环节，就是外接高低压线束带来的问题。其失效模式主要有两种类型：

1、高压线束两端的一端插件密封不到位，沿线芯内泄漏到另一端；

2、低压线束密封堵无法承受相应水压或密封堵与插件不匹配而泄漏。

电器接口密封失效之二：电器连接接口零件与密封面的厚度和刚度不匹配

在前期的产品设计中，因接插件固定面的厚度原因，出现不少的问题。一方面，因连接件，直接固定在壳体薄钢板上，固定面刚度不够，钢板变形导致的密封失效；另一方面是连接件本身固定卡与壳体钢板厚度不匹配。严格的讲，这些不是技术难题。

综上所述：站在技术角度，密封并没有太多的难点。更不是难题。在前期的工程设计中，也是非常成熟的技术。今天，我们把这项技术，移植到新能源的电池系统应用中，最重要的不同在于，对功能安全的要求的高度，发生了很大的变化，而功能安全是直接威胁用户生命的项目或指标，基于这种特定的条件下，我们就不能等闲视之了。更需要作为重点的设计加以重视。