CTB结构中电池与车身密封设计研究
［摘要］ CTB（cell to body）电池车身一体化技术在提升续航里程、整车刚度和耐撞性等方面具有很大优势，已成为新能源汽车行业发展新方向，但要将电池上盖与车身地板二合为一，密封是限制 CTB 技术发展的最大难题之一，目前行业在CTB密封领域的研究还是空白。本文从CTB密封策略、密封结构设计、密封组件选型、失效后果分析和用户工况设计验证展开研究，首次提出攻克行业内CTB密封设计难题的解决方案，加速CTB技术普及应用，推动全球新能源汽车产业电动化转型。
关键词：CTB；电池车身一体化；密封设计
前言
新能源汽车近年来发展迅速，而纯电动汽车作为新能源汽车未来的发展方向，其续航里程存在的瓶颈问题，一直是新能源汽车领域的技术难点。在电池技术没有突破的情况下，提升续航的主要途径便是增加电芯数量以提高电池容量，但这势必会带来电池包侵占空间［1］、增加质量的问题。电池车身一体化 CTB（cell to body）技术通过将电池上盖与车身地板合二为一（图 1），从原来的“电池三明治”结构进化为“整车三明治”结构，动力电池系统既是能量体，也是结构件。这种深度融合让车身系统扭转刚度、弯曲刚度、安全性和轻量化水平均大幅提升，同时节省了传统车身地板与电池包垂向空间，有效提高了电池系统体积利用率、能量密度，并改善了Z向乘员空间。目前各大新能源主机厂都在研发电池车身一体化技术，CTB 技术研发已成为新能源车发展的新方向。
但电池上盖与车身地板集成后，电池与车身的密封成为制约CTB技术发展的最大难题之一。传统电池包和车身各自形成密封结构，二者按照各自成熟的密封方案进行密封即可。电池包的传统密封方案 主 要 有 橡 胶 密 封 件、胶 粘 剂、海 绵 胶 带 等 3 大类［2-3］，白车身密封的首要手段则为密封胶［4］。CTB方案突破了传统电池包的概念，电池包和车身相互融合，上述传统的密封手段能否满足要求，密封策略如何，要进行全新的研究。
图1 CTB与传统CTP方案差异
1 CTB密封策略
CTB 电池上盖与车身地板集成有两种策略，如图 2所示，策略 1是取消原有车身地板，用电池包密封车身乘员舱；策略2是取消电池包的上盖板，用车身地板面密封电池包。
图2 CTB电池上盖与车身地板集成策略
电池包的密封失效后果比车身失效后果严重，电池密封失效会造成电芯短路引发起火风险，安全隐患严重；相反，车身乘员舱密封失效后果比较轻微，通常会造成地毯浸湿。将线束做好防护并将电器元件布置在高位通常能够规避失效损害，整体风险可控。
策略 1 的密封风险为车身乘员舱密封失效，电池仍为单独的包体，其自身密封与传统电池密封方案无变化，电池生产检测、售后维修与传统电池包方案无明显差异。
策略 2 的密封风险为电池包密封失效，车身地板结构上的搭接接头、定位孔、漏液孔、焊点和涂胶等都将成为密封失效的影响因素；电池包气密检测时需跟随彩车身检测，总装车间需开发电池包检测线和返修线，会降低生产节拍，增加成本工时，同时漏气排查困难，无法短时间内返修，存在堆积停线风险；维修性方面，4S店终端需增加设备和专业人员，具备电池包密封性检测和维修能力，如果车身地板密封失效无法返修，将导致整台车身报废。
基于以上分析，CTB 电池上盖与车身地板集成采用策略1较有优势。电池与车身的密封面有两种形式，一种是设置在车身门槛下方，如图 3 的方案 1；另一种是设置在车身门槛侧上方与地板配合处，如图3的方案2。
图3 电池与车身密封面选型方案
车身地板结构中，为保证侧柱碰门槛充分吸能，门槛截面会尽量做大，门槛下表面通常与电池包下表面平齐。同时为了保证电池包前后能出线，车身在电池包前后的结构通常会高于电池包下表面。
如图4所示，如果采取方案1将侧密封面设置于门槛下方形式，则会出现侧密封面区域与前后密封区域在高度方向存在落差，为保证密封面连续性，过渡处密封区域会做成落差形式的圆弧过渡面结构。
同理，电池包上盖侧面密封区域与前后密封区域在高度方向也会存在落差，为保证密封面连续性，过渡处密封区域会做成落差形式的圆弧过渡面结构，如图5所示。
图4 方案1侧面密封区域与前后密封区域落差示意图
图5 电池包密封面区域说明
为保证圆弧面精度，通常上盖会做成冲压件，但冲压形式的电池包上盖侧面相对上表面需要有一定的成型拔模角度，此部分形成的电池包内部空间电芯无法利用上，如图6所示，电池容量降低。综上所述，方案1密封形式会牺牲电池容量。
图6 电池包上盖拔模角对电芯空间的影响
如图 7 所示，如果采取方案 2，将密封面设置在车身地板下表面，与之对应的电池包上盖上表面平整的结构更好做成密封面，图 6 中电池包上盖侧面拔模角度可做小，更多空间可以布置电芯。或将侧面做成铝型材方形截面更好地参与侧柱碰吸能［5］。由此可知，如表 1所示，方案 2密封形式相比方案 1，电池空间利用率更大，电池包边框能够做成铝边框参与碰撞吸能更好的保护电芯，安全性防护能力更强。
图7 方案2侧面密封区域与前后密封区域平整示意图
2 CTB密封结构设计
电池上盖与车身地板集成策略及密封面选型确定后，密封面将由电池上盖平面及车身地板下表面组成，但车身地板下表面结构通常由多个零件组成，如图 8 所示，零件间搭接面不平整，接头多，密封面精度难以保证。
图8 车身地板下部结构由多个零件组成示意图
为此，车身地板的密封面需要做成完整的一体式密封板，如图 9 所示，由几个零件拼焊组成，接头磨平处理，也可以单独一个件冲压而成，为提高冲压件材料利用率，封板中部区域可以生产其它零件并实现共模生产。
车身地板下部一体式密封板侧面与门槛搭接，上面与车身横梁连接，下表面与电池包上表面形成密封间隙，通过设置在其中的密封介质进行密封，如图10所示。
图9 车身地板下部一体式密封板
图10 密封结构断面图
3 密封组件选型
3. 1 密封组件分类
密封组件可分为压缩类密封和粘接类密封两种。压缩类密封是靠外力压紧而产生弹性或塑性变形，从而填满金属表面上微小的凹凸不平来实现密封的［6］，压缩过程主要为物理过程；而粘接类密封是通过界面物理和化学变化来实现。
3. 2 密封组件选型影响因素
粘接类密封可选方案有热熔丁基胶、粒子丁基胶和 PU 胶剂等；压缩类密封组件可选方案有密封条、硅胶发泡和硅胶泡棉［7-8］等。密封组件的选择需要从耐候耐老化性能、疲劳耐久性能、耐化学性能、粘接强度、维修便利性和成本等几方面考虑，如图11所示。几种密封组件的优缺点如表2所示。粘接类密封的密封组件往往难以清除，从维修
图11 密封组件选型影响因素
便利性方面考虑，粘接类密封组件难以满足电池与车身密封要求。对于压缩类密封组件，通过分析发现，密封条需要加大密封间隙，这对车身与电池包设计间隙值限定较大；硅发泡胶需要在线发泡［9］，发泡时间 6 h（常温），会影响生产节拍。硅胶泡棉类产品可同时满足性能及工艺生产要求，可作为首选方案。硅胶泡棉在工业环境应用中具有密封和缓冲减震作用。
硅胶泡棉类产品具有如下特点：（a）弹性持久、缓冲性好和防火阻燃，长时间使用厚度不塌陷，确保长期发挥作用；（b）反弹应力持久保持，为设备提供持久可靠的支撑和缓冲；（c）重复压缩性能稳定，适合于汽车频繁振动的复杂工况［3］；（d）此系列硅胶泡棉可以提供不同厚度的卷材，易于加工成所需的尺寸，可根据车身与电池包之间的理论间隙值进行厚度设计，在满足性能的同时节约成本。不同系列硅胶泡棉压缩反弹力曲线如图12所示。
图12 不同系列硅胶泡棉压缩反弹力曲线图
4 硅胶泡棉尺寸设计
4. 1 硅胶泡棉有效压缩率确定
按密封属性分类，硅胶泡棉密封属于压缩率密封，压缩率的大小决定密封的有效性，压缩率越高，密封性能越强。为确定硅胶泡棉的有效压缩率，需通过试验工装对不同压缩率下的零部件密封效果进行测试，试验方法如表3所示。
按零部件密封实验方法进行密封性试验，硅胶泡棉在压缩率≥15% 条件下密封性能良好，如图 13所示，对应的压缩率与密封性能关系图如图14所示。
图13 硅胶泡棉测试结果
图14 压缩率与密封性能关系图
4. 2 车身与电池包间隙公差计算
通过以上试验确定了硅胶泡棉的有效压缩率为15%，即整车状态下硅胶泡棉的压缩率≥15%时才能满足密封要求，而整车状态下车身与电池包的实际
间隙值受3个方面的影响，即车身的公差、电池包的公差及车身与电池包的理论设计间隙值。其中车身的公差受车身零件的公差、焊接公差和工装的公差等因素的影响；电池包的公差受电池包零件公差、装配公差等因素的影响。根据车身与电池包的装配关系，通过尺寸链计算得出在极值（考虑公差带范围内理论上完全不失效）情况下，车身与电池包的间隙公差为±4. 7 mm，公差分布如表4所示。
4. 3 密封理论间隙值设计及硅胶泡棉尺寸确定
图15所示为车身与电池包配合结构断面图，硅胶泡棉粘贴于电池包表面周圈，电池包垂直装配后硅胶泡棉与车身封板接触并压缩形成密封关系。
图15 密封结构断面图
根据如图 15 所示车身结构断面图和如图 16 所示的硅胶泡棉不同压缩量示意图，可知压缩率计算公式为
式中：η 为泡棉压缩率；G 为车身与电池包 Z 向理论间隙；B 为硅胶泡棉厚度；T 为车身与电池包配合公差。
图16 硅胶泡棉不同压缩量示意图
结合硅胶泡棉的有效压缩率及车身封板允许的最大变形量的要求，车身与电池包配合关系尺寸需满足以下要求：
（1）当公差为极大值时，硅胶泡棉的压缩量最小，此时需要满足的条件为G+T≥15%B。
（2）当公差为极小值时，硅胶泡棉的压缩量最大，此时需要满足的条件为G-T≤85%B。
根据以上条件可得出理论间隙G与硅胶泡棉厚度B之间的关系如表5所示。
同时硅胶泡棉的宽度也存在限制条件，宽度过大导致成本上升，又影响设计空间，过小达不到密封效果，所以合理的宽度选择也是十分必要的［6］。受车身封板结构的影响，一般情况下硅胶泡棉的宽度不超过30 mm，这样既可以保证封板刚度及轻量化，也有利于节约成本。从硅胶泡棉粘接后的稳定状态考虑，当硅胶泡棉的高宽比大于1∶2时，会出现塌陷情况，如图 17 所示，硅胶泡棉塌陷后将会影响密封性能，故为了确保硅胶泡棉在压缩后不塌陷，其高宽比须小于1∶2。
图17 硅胶泡棉压缩后塌陷实物图
结合以上理论分析及实际情况，推荐车身与电池 包 理 论 间 隙 设 计 为 7 mm，硅 胶 泡 棉 的 尺 寸 为28 mm×14 mm。
5 密封试验验证
根据密封失效的影响因素和用户实际使用工况，整个密封验证分为零部件级、彩车身级和整车级3个维度，覆盖了10种验证工况。
5. 1 零部件级的验证
采用工装代替电池包壳体，在工装上开 4 个通孔，通过螺栓和螺母对工装和密封盖固定，为了保证验证效果更加接近设计方案，根据设计方案中电池包安装点的间距设计零部件工装 4 个通孔间距；工装侧面开观察孔，通过内窥镜探头进行观察，试验前通过缠绕防水生胶带的螺栓进行密封。
除了验证常温工况下IPX7密封性能外，还按等效 10 年耐候要求分别验证高温高湿、冷热冲击、持续高温及盐雾工况下的IPX7密封性能。
5. 1. 1 常温IPX7密封性能验证
如图 18 所示，将 4 个相同的密封工装样本放入1 m 深的水池中，30 min 后取出样本观察密封效果。密封试验结果如表6和图19所示。
图18 常温密封试验前状态
图19 常温密封试验后状态
从表 6 中可以看出，硅胶泡棉在常温状态下密封效果良好，满足设计要求。
5. 1. 2 高温高湿密封性能验证
将4个相同的密封工装样本放入高温高湿环境箱中，设置温度参数为 85 ℃，湿度为 85%RH（相对饱和湿度），共存放 1 000 h，期间每 200 h 取出工装放入 1 m 深水池中静置 30 min 观察密封效果，结果如图20所示。
试验结果如表7所示，结果表明，硅胶泡棉在高温高湿环境中1 000 h耐候后密封效果良好，满足设计要求。
5. 1. 3 冷热冲击密封性能验证
将4个相同的密封工装样本放入高低温冷热交替 环 境 箱 中，设 置 温 度 参 数 为-45~80 ℃，共 存 放1 000 h，期间每200 h取出工装放入1 m深水池中静置 30 min 观察密封效果，结果如图 21 所示，工装内均无进水现象，硅胶泡棉在冷热冲击环境中 1 000 h耐候后密封效果良好，满足设计要求。
图20 高温高湿试验后密封状态
图21 冷热冲击试验后密封状态
5. 1. 4 持续高温及盐雾条件下密封性能验证
将密封工装放入高温（110 ℃）环境箱（盐雾箱）中600 h，期间每200 h取出工装放入1 m深水池中静置30 min观察密封效果，整个验证过程硅胶泡棉密封组件均未失效，工装内均无进水现象。盐雾试验后工装外表面出现腐蚀现象，如图22和图23所示。
图22 持续高温性能验证
图23 盐雾条件下性能验证
5. 2 彩车身级的验证
彩车身级密封验证分为彩车身气密性试验和彩车身闭水试验两种。抽取4台彩车身和4个电池包，将电池包和彩车身随机装配，随后先对每台车进行
气密性验证后，再进行闭水试验验证。
5. 2. 1 彩车身气密性试验验证
试验方法第一步，不装配电池包，车身底部沿着地板封板粘贴防水膜密封；车内沿着门槛、前围板下段及左右连接板、中地板前段用气密性胶带粘贴防水膜，与底部防水膜形成密封空腔，测量彩车身气密性；第二步，装配电池包，取消车身底部防水膜；车内沿着门槛、前围板下段及左右连接板、中地板前段用气密性胶带粘贴防水膜，与电池包形成密封空腔，测
量彩车身气密性，如图24所示。
图24 车身气密性试验验证
试验结果如表 8 所示，彩车身不装配电池包气密性试验结果为 3. 6 SCFM-5. 3 SCFM，彩车身装配电池包后气密性测试结果为 4. 0 SCFM-6. 3 SCFM，不装配电池包与装配电池包彩车身气密性测量差值0. 7 SCFM-1. 8 SCFM，小 于 目 标 值 2SCFM，满 足要求。
5. 2. 2 彩车身闭水试验验证
如图25所示，车身内注水至门槛高度，检查车身与电池包密封处有无漏水现象，试验结果如表9所示。
图25 车身闭水试验验证
测试结果表明，硅胶泡棉密封组件在彩车身级验证均满足车身气密性和闭水试验要求。
5. 3 整车级的验证
整车级的密封验证含有常温密封、耐久密封和耐候密封 3 部分。常温密封即整车耐久前涉水试验。抽取 2 台整车进行涉水试验，试验完后一台车进行耐久试验，另一台进行四立柱耐候试验，两个试验均为1 200个循环（等效整车全生命周期），期间每200 循环后进行涉水验证，用于检测使用过程中密封性能的变化，如图 26~图 28 所示。检测整车密封性能，测试方法根据表 10 中《乘用车防雨密封性试验方法及限值要求》进行，试验结果如表11所示。
图26 整车涉水试验验证
图27 耐久试验验证
图28 耐候试验验证
从零部件级、彩车身级、整车级3个维度验证结果表明，硅胶泡棉能够有效满足 CTB 车身与电池密封要求。
6 结论
本文从CTB密封策略、密封结构设计、密封组件选型、密封组件尺寸设计和密封验证 4 个维度对CTB 结构中电池包与车身的密封设计进行了研究。CTB 结构设计首次将电池包上盖与车身地板集成，面对此结构带来的密封困难的问题，通过一体式的密封板结构设计，结合密封组件的选型验证和合理的尺寸链计算，研究出了一种满足乘用车防水密封性试验方法及限值要求的密封结构，为整车带来优异性能的同时，也解决了密封失效的风险，为行业CTB技术发展过程中解决密封难题提供参考。
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