动力电池包密封件密封与可靠性研究

动力电池包作为新能汽车的动力源，其内部包含经过一系列串、并联的单体电池和复杂电路，是新能源汽车的核心部件。如果动力电池包设计或使用不当，则会导致外界物质侵入和内部电流泄漏，引发动力电池热失控、起火，甚至爆炸，威胁乘客安全。表1列举了多起可能由于动力电池包密封不佳，导致的进水、起火事件。其中，荣威ERx5作为正面案例，说明优异的动力电池包密封性能设计带来了非常高的安全性，可以说动力电池包的密封设计是保障新能源汽车动力系统安全的重要因素之一。

行业内一般要求动力电池包满足电器设备外壳防护等级设计要求，达到了IP67防护等级，国家也制定了电动汽车动力电池包和系统安全性测试方法。然而，由于车辆复杂的使工况，相关测试标准一定程度上保证了车辆使用初期良好的密封性能，但随着使用年限的增长，密封件逐渐老化、性能变差，容易导致车辆进水、动力电池短路，如何保证车辆在全生命周期中防水的效果是需要深入研究的课题。

目前，市场上主要的动力电池包密封件分为三类，分别是胶黏剂类、实体橡胶密封件类和发泡橡胶类。以特斯拉等企业为代表的车型使用了胶黏剂类密封，将动力电池包盖板彻底封堵，该方案可靠性高、容易实现自动化，但不利于动力电池包的维护。国内企业多使用可拆卸的实体橡胶密封件和发泡橡胶产品。

李书鹏等介绍了发泡橡胶密封件在动力电池包壳体密封上的主要实验考核指标。虽然发泡类产品在电于工业、汽军车门封等方面有广泛应用，但发泡类材料力学性能复杂，全生命周期中密封防水效果研究尚未有报道。李东锋等基于实体橡胶密封垫片提出了三种典型的动力电池包壳体密封结构，验证了密封结构防水要求。实体橡胶密封件在其他方面的应用，例如汽车发动机缸盖密封垫、散热器密封条等，密封环境恶劣程度、密封要求远高于电池包，可证明橡胶密封件类的性能优势。

本文将通过实体橡胶密封件与发泡橡胶密封条性能的对比研究，基于两者的压缩特性、应力松弛、装配分析和实验验证结果，分析两种材料的优势和劣势，为新能源汽车电池包密封件设计提供科学合理的依据。

电池包通常包含上壳体和下壳体，电芯模组、控制器、逆变器和线缆等均装配在下壳体内。上壳体与下壳体之间通过密封件来保证电池包的密封，如图1所述。为保证密封件装配后的相对位置，密封件中间设计有安装孔孔，螺栓穿过安装孔进行安装。安装孔内有金属环以控制密封件压缩量。

本文所采用的发泡橡胶密封件具有低密度高弹性的特点，密度为0.44gcm。截面为矩形，高5mm，宽18.5mm,如图2a所示。密封件背面备双面胶，粘贴在电池包下壳体上，正面通过上壳体加压后形成接触密封。密封件上间隔一定距离冲有圆孔，孔内粘贴金属圆环，如图2b所示。发泡橡胶材料一般为片状，裁切为长条后通过粘接剂粘接成框形密封件，满足电池包整圈密封要求，典型的粘接接头如图2c、图2d所示。

发泡橡胶密封件的工作机理是基于发泡材料低刚度、高弹性的特点，通过材料压缩后的回复力实现间隙填充。当压缩率增大到一定程度后，材料孔隙率几乎为零，起主要支撑作用的是橡胶本身。本文所研究的发泡密封件压缩率为60%，若不考虑横向变形量，则压缩后的密度为1. Ig em ,接近橡胶本身的密度。

与发泡橡胶密封件不同，实体橡胶虽然弹性高，但材料刚度也较大，需要设计密封截面以实现更好的密封需求。根据电池包壳体空间，设计了一种上下对称截面的密封件，如图3所示，密封件最大高度为3.2mm，压缩后高度为2.4mm，压缩率25%，中间硫化粘接有金属环片。

密封件主要依靠压缩载荷实现密封，其压缩性能十分关键。图4所示为发泡橡胶密封件和两种截面实体橡胶密封件在平板间压缩时的载荷位移曲线。可见，发泡橡胶密封件的刚度最小，相同载荷条件下压缩位移最大。实体橡胶密封件刚度较大，相同载荷条件下压缩位移最小。

较大的压缩位移可弥补电池包壳体的公差，因此理论上发泡橡胶密封件在弥补公差方面的性能最优。但发泡橡胶压缩率必须处于较大水平（50％以上），以尽量减小孔隙率，维持一定的接触应力，实现较好的密封效果。因此，发泡橡胶有效补偿范围并没有表面上大。本例中如果发泡橡胶压缩率需在40%~60%之间，刚性补偿范围为±0.5mm。如果实体橡胶密封件压缩率在15%~35％间，则补偿范围为＋0.32mm。

为考核密封件在长期载荷作用下的性能，特别是与密封直接相关的力学性能，通常采用材料应力松弛试验进行研究。图5所示为不同温度下，发泡橡胶材料与一种实体橡胶的应力松弛性能。其中，实体橡胶材料压缩率为25%，发泡橡胶材料压缩率为60%，更接近实际使用工况。

图5橡胶材料应力松弛试验结果由图5可见，发泡橡胶和实体橡胶载荷衰减速度随温度增加而增加，不同之处在于实体橡胶在初期载荷大幅度衰减后，后期表现较平稳，而发泡橡胶材料后期载荷衰减速率也较高。

表2是根据时温等效方程计算两种材料在23℃、40℃和60℃温度下长期受载时的载荷变化情况。结果显示发泡橡胶材料应力衰减更严重，实体橡胶材料拥有更好的抵抗应力衰减的特性，即拥有更持久的密封能力。应力松弛性能的差异主要源于材料特性和结构的不同：一方面两种橡胶材料性能存在差异；另一方面发泡橡胶材料在压缩过程中，不仅有橡胶材料的应力松弛，还有内部气体排出造成的载荷衰减，造成了长期的衰减幅度更大。

2.密封件装配分析

本节主要通过有限元分析发泡橡胶密封件与实体橡胶密封件在电池包壳体装配条件下的应力与变形情况。其中，电池包下壳体一般较厚，刚度较大，忽略其变形影响。上壳体较薄，需要考虑变形对密封性能的影响。

图6所示为两种密封件装配后的接触应力分布及引起的壳体变形情况。实体橡胶密封件密封区域的最小接触应力为1.28MPa，发泡橡胶密封件最小接触应力为0.3MPa，实体橡胶密封件拥有更强的密封性能。实体密封件装配时，通过螺栓对上壳体施加0.8mm的位移，上壳体最小位移为0.52mm，产生了0.28mm的变形。发泡橡胶密封件装配时，通过螺栓对上壳体施加3mmn的位移，上壳体最小位移为2.30mm，产生了0.70mm的变形。发泡橡胶会引起更大的壳体变形，不利于密封。

3.密封件防水实验

电池包密封件主要起防尘、防水作用，使用前会进行串行实验和防水测试、已确保电池包的密封性能、但如何确保电池包在电动汽车生命周期内均有防水效果，依然是一个难题，需要建立试验与密封寿命的关系。

基于开发的密封防水实验装置，将加速老化试验与防水实验结合，以验证橡胶密封件的长期密封能力。密封件防水实验装夹装置如图7所示，密封件安装在夹具下板，周边布署且有调水变色特性的测试纸。以检测是否有水进人。上板覆盖在密封件上、通过螺栓定位、紧固。将该夹具装配后放人水箱中，到达规定时间后拆开夹具，观察试纸变化。将夹具装配密封件后放入老化箱中进行高温加速老化试验，并基于时温等效估算密封件在常温情况下的等效老化时间。

在145℃条件下老化64h后，对夹具进行防水实验。结果显示，密封件依然具有良好的防水效果。根据应力松弛试验结果，等效在23℃和40℃条件下工作大于15年和5年。

本文从材料性能、结构设计、装配和防水实验等角度研究了新能源汽车売体密封件的性能，重点对比分析了发泡橡胶密封件和实体橡胶密封件在接触应力、应力松弛和装配变形上的差异，旨在为密封件选用提供参考。

保证密封的前提是提供足够的接触应力。从接触应力角度看，实体橡胶密封件的接触应力远大于发泡橡胶密封件，这有助于填补密封件与电池包壳体间的微小缝隙。理论上，更大的接触应力容易引起更多的壳体变形，反而不利于密封。但根据计算，实体橡胶密封件压缩载荷比发泡橡胶密封件的小，使其引起的电池包壳体变形更小。这主要还是通过实体橡胶密封件优异的截面设计实现的，而发泡橡胶材料由于工艺原因，暂时无法实现如此精细的设计。

密封件在长期压缩状态下，不可避免地会出现应力松弛，一旦应力衰减到一定程度，就会影响密封。本文对比了发泡橡胶材料和实体橡胶材料应力松弛特性，并基于时温等效原理预测了常温长时间材料性能变化。结果表明实体橡胶材料长期的应力衰减低于发泡橡胶，更有利于保持密封性能。此外，通过加速老化和防水实验，进一步验证了实体橡胶长期密封能力。因此，从安全角度考虑，实体橡胶密封件密封效果更可靠。

由于密封问题的复杂性，本文虽然通过材料实验、加速老化及防水实验，初步建立了密封件在长期工作时的接触应力、但如何真正评价电池包全生命周期内的密封效果，还需要更多研究，例如，如何准确评价密封件当前状态能否满足壳体防水要求，如何考虑电池包密封件在长期循环温度下的密封性和使用寿命，都是需要进一步研究的课题。相信这些课题的研究，会对我国新能源汽车行业的发展起到积极的推动作用。

5 结论

本文针对新能源汽车电池包用橡胶密封件进行研究，从材料特性、密封结构、密封机理、装配分析、加速老化和防水性能等方面对发泡橡胶密封件和实体橡胶密封件进行了对比分析，得到如下结论：

1）发泡橡胶材料刚度小，主要依赖材料孔隙变形和橡胶材料自身回弹提供反力进行密封；实体橡胶刚度大，主要依赖橡胶材料自身回弹和合理的结构设计提供反力进行密封。

2）在应力松弛特性上，发泡橡胶材料应力持续衰减，实体橡胶材料应力衰减速度先快后慢；根据时温等效原理计算，实体橡胶在常温长期压缩工况下的应力衰减比发泡橡胶小，更有利于密封。

3）在设计装配工况下，相同长度的实体橡胶密封件比发泡橡胶密封件最小接触应力大，引起的壳体变形小，更有利于密封。

4）实体橡胶密封件装配在夹具中进行145℃、64h加速老化后，仍能维持密封性能；基于应力松弛特性数据和时温等效原理分析，该装配工况等效于23℃和40℃下装配大于15年和5年。