新能源汽车电池包用泡沫硅橡胶密封性能及防水结构设计的研究

1 概述

  在全球能源短缺和气候变暖日益严重的形势下，人们对新能源的需求越来越迫切。汽车作为一个主要的能源消费者，应该与时俱进，适应环境保护的需要。因此，新能源汽车有望成为未来汽车发展的最终趋势。

随着电动汽车的发展，电池组作为新能源汽车的动力源，其性能安全性直接决定了整机的安全性。如果电池组充满水，将严重影响其性能。因此，电池组的结构对密封和防水功能规划提出了更高的要求。

传统的电池组防水方法通常包括填充、涂胶、现场发泡等，但我们知道，这些传统的防水方法有许多缺点和缺点，如电池组修理或修补成本高、生产工艺复杂、防水密封性能差、易损坏等。老化。我们设计的泡沫密封条的防水结构可以避免这些缺点，使电池组装置更方便，维修成本更低，满足新能源汽车电池组在复杂恶劣环境下的使用要求。

2 密封结构形式及原理

      由于电池包在电动汽车中的安装位置较低，并且暴露在相对开放的空间中，容易遭受雨雪天气的侵袭，特别是在汽车泡水的情况下，必须承受一定的水压，因此对 橡胶密封件-密封条的防水结构设计提出了更大的要求。以下重点介绍下发泡密封条密封原理及设计。

2.1 发泡密封条与接触界面的防水

硅橡胶泡沫密封的防水原理：在压力作用下，硅橡胶密封件会发生弹性变形，使接触界面与密封件之间的空间被填满并反弹，从而引起接触面与泡沫密封件之间的摩擦。当密封条本身不泄漏时，当摩擦力和反弹力大于密封介质的内外压力时，密封材料不会因变形或位移而泄漏，否则会发生泄漏。

下图显示了密封制造商的密封结构。弹性变形也指密封垫的收缩率。压缩比为C＝（H1-H2）/H1＊100%（H1是指自由状态下硅橡胶泡沫的截面高度，H2为压缩下的截面高度）。

图1　硅橡胶泡沫密封示意图

图2　硅橡胶泡沫压缩示意图

    如密封件厂家所述，压缩产生的反弹力（又称CFD）是指硅橡胶在压缩到一定比例并达到机械平衡时对所施加材料的响应。对于同一种硅橡胶，压缩比越大，弹性越大，密封保护效果越好。然而，过多的压缩会对硅橡胶泡沫和界面本身的固定产生不利影响。

       下图是我们硅橡胶泡沫TY640产品、某国外R品牌产品800系列产品和国内某高温胶CFD对比示意图：

图3　TY640、国外800系列和国内某高温胶CFD对比示意图

注：此分析中行程应变亦为上面所述压缩率C。

图3数据反映到表格中见下图表1：

表1　压缩反弹力数据

从CFD图可以看出，在行程应变变化过程中，国外Ty640系列、800系列和中国高温胶粘剂的CFD变化更为相似。当压缩比低于50%时，CFD随着压缩率的增加而缓慢增加，这主要是由于泡沫材料中压缩空气的变化。当压缩比大于50%时，泡沫材料中的空气发生变化。完全压缩后，硅橡胶材料本身被压缩，CFD急剧增加。因此，当使用硅橡胶泡沫密封电池组时，其压缩率不应过高和过低；如果过低，CFD小，并且一定的液体压力将导致泡沫材料的变形，并导致液体沿界面流入内部。如果压缩速率过大，CFD会相应增加，导致电池底板和外壳变形，导致密封件加工困难，也会产生接触。接口不能完全填充和密封，在以后的使用过程中由于外部液体的进入而导致泄漏。根据我们在该行业的多年经验，建议压缩率应保持在30-50%。此外，硅橡胶泡沫密封防水性能除了压缩率外，还与泡沫密封条的宽度有关，一般来说，宽度越宽，密封效果越好。根据泡沫密封的密度、孔结构类型和闭孔率确定最佳宽度。

2.2 硅橡胶泡沫材质对防水性能的影响

一般密封条材料，如普通实心 橡胶密封件 和普通发泡材料，可在防水等级要求较低的情况下使用，这些材料可达到IP45防水等级。防水等级越高，硅橡胶泡沫密封的优点越明显。这是因为硅橡胶泡沫是一种新型耐高温聚合物弹性材料。其最大特点是具有优异的耐高温、耐寒性能，并具有优异的耐老化性（耐臭氧、抗氧化、耐辐射、耐光、耐候性）。长期使用，具有很好的弹性变形，厚度损失小，耐老化，耐高温，高湿，防水等级。可达到IPX7和IPX8。

硅橡胶泡沫的结构如何决定其防水性能？

2.2.1 硅橡胶泡沫材料孔径结构类型对防水性能的影响

      硅橡胶泡沫材料根据孔隙大小可分为封闭结构、开放结构和混合结构。目前电池组的密封防水主要是闭孔式和混合式，闭孔式主要是由高温硅橡胶制成，初期具有良好的防水性和气密性。然而，随着使用时间的延长，泡沫材料由于其分子结构而不能恢复，导致整体坍塌、密封和防水性能下降。同时指出，高温胶粘剂制备的泡沫胶难以保持闭孔结构的一致性。这主要是由发泡原理决定的，然后对产品进行分析。目前，混合结构主要由800系列国外品牌组成。它具有良好的耐候性和弹性。长期使用后，仍能恢复原状，但对防水性能没有保证。通过多批试验验证，当压缩率较低（如小于30%）时，防水性能不能长期通过，如提高压缩率（如大于50%）。它能提高防水性能，但仍不能保证100%防水。批次之间存在差异。如果进一步提高压缩率，可以实现防水，但会影响密封结构的设计，增加许多不确定性。防水性能差的原因主要与开孔率有关，即开孔率越高，气泡与气泡之间的连通机会越大，防水性和气密性就越差。为此，我们对泡沫材料内部的泡沫结构进行SEM扫描，以观察孔径分布。

图4　国外某品牌800系列内部泡孔SEM图

图5　我们TY640系列内部泡孔SEM图

图6　国内某高温胶系列内部泡孔SEM图

通过对上述扫描电镜图像的对比，可以看出800系列和TY640系列都有相互连接的气泡，但后者明显较小，即开口率低于前者，使它们在相同的压缩率下具有更好的防水性和气密性。相对而言，国内高温橡胶泡沫具有较高的孔隙率，其防水和气密性能不好。这是由于高温泡沫硅橡胶的发泡原理。高温胶发泡是引入独立的发泡剂。高温释放的泡沫材料不参与发泡反应，因此孔结构难以控制，导致产品的一致性差。此外，在不同的老化条件下，TY640还具有与800系列相同的快速回弹性能，且厚度损失小甚至更好。在使用过程中没有倒塌，这对低开口材料是一个挑战。通过对材料的深入研究，发现在正常压缩范围内，材料的压缩主要是压缩气泡中的空气，从而实现快速回弹。当压缩率超过80%时，部分气体通过气泡壁排出。Ty640是一种非常有支撑力的材料。即使空气排出，也能保证材料的回弹，因此厚度损失很小。这是通过严格的老化试验和反复的压缩防水试验来保证的。

以上是防水性能的讨论。接下来，我们来看看这种材料的气密性。

为什么说高孔隙率泡沫材料可以通过增加压缩比或增加密封条的宽度来防水，但气密性很难通过？这主要是因为空气可以被压缩，它的粘度很低，没有表面张力，通过泄漏点的速度比液体快得多，所以气密性水平高于防水水平。

下表是我们的产品ty640和国外品牌800系列的性能比较表。包括气密性试验。从数据上看，TY640的气密性优于800系列，具有较好的防水性能。

表2　TY640系列与国外800系列各性能对比情况

2.2.2 长时间使用条件下的防水情况

      我们都知道，作为新能源汽车的使用寿命一般在8年以上，其核心部件电池包也须具有相同的使用寿命，故对密封材料也要如此。对于硅橡胶来说，它具有优异的耐候性，但作为密封材料，它还需具有较低的压缩永久变形性，否则后期防水性能和气密性会下降。

       为此，我们在进行测试分析时，先对泡沫材料进行一系列防水和气密性能测试，然后进行各种老化处理，最后再进行防水和气密性测试，以此考察前后变化情况。

      目前，硅橡胶泡沫材料防水测试是在水下一米，压缩30%，分别在24小时及48小时来进行考察。实验发现：TY640系列可以通过，但是国外800系列硅橡胶经过多次试验通过率低，国内高温胶通不过防水测试。当然电池包的防水并不仅仅局限于24小时或48小时，要更久，最好是能保证8年以上的防水。由于硅橡胶在实际应用中长期处于压缩形变状态，在高温情况下更易造成永久变形，因此对于硅橡胶本身高温形变的性能要求很高。为此我们做了如下高温测试，将测试温度从一般标准的100℃，提高至150℃，然后考察厚度损失情况。见下表测试结果：

表3　高温老化性能对比

从以上实验数据可以看出，TY640硅橡胶在高温下的厚度损失小于国外800系列硅橡胶和国内一种高温橡胶的厚度损失。另外，通过对老化产品的防水性能的进一步测试，TY640硅橡胶的防水性能仍然良好。同时，对国产高温胶粘剂进行了高温老化试验。测试前，泡沫胶表现出优异的防水性和气密性，但通过不同的老化条件试验，发现泡沫硅橡胶出现整体塌陷，厚度损失大，无法恢复。主要原因是这一系列硅橡胶泡沫是由高温硅橡胶制成的。其自身的分子结构决定了压缩永久变形量大，其性能不能与液态硅橡胶相比。

3 防水测试验证

通过对上述防水设计的分析可知，影响硅橡胶泡沫封层防水性能的主要因素是硅橡胶泡沫封层、硅橡胶泡沫材料的压缩回弹和硅橡胶泡沫的表面强度。温度压缩。从以上因素可以看出，国外TY640系列和800系列产品的性能优于国内高温橡胶系列产品，能更好地保护新能源汽车的电池组，保证其使用安全。以下防水测试结果可以更好地验证这一观点：

对国产高温橡胶和国外的TY640系列、800系列进行了防水性能试验。试验条件为硅橡胶泡沫密封条的压缩率为30%，水深为1米后48小时。试验结果如下：

表4　防水实验测试

由上表可知，本次防水试验的试验结果表明，我公司的TY640系列产品和国外800系列产品均通过了试验，而国内一种高温胶粘剂未通过试验，且已泄漏。从防水性能上可以看出，我公司的TY640系列产品和国外800系列产品具有优异的防水性能。但是，根据我们长期的试验，800系列国外产品在48小时和30%的压缩下不稳定，在48小时和30%的压缩下无法通过防水试验。因此，综合考虑，采用TY640系列产品作电池组的防水保护，效果更加显著，性能更加稳定。

4 结束语

      由以上讨论可知，当硅橡胶泡沫用于密封电池组时，影响密封性能的因素很多，主要与密封条和盒的接触面产生的CFD尺寸、泡沫密封条的孔结构类型和老化性能有关。同时，根据客户的需求，在TY640的基础上，开发了一种新型的闭孔泡沫硅橡胶。与市场上的闭孔式相比，它具有相同的气密性和防水性。老化后具有回弹性快、厚度损失小的特点。老化后，密封性和防水性能仍保持不变。当然，电池组的密封和防水不仅与泡沫材料的性能有关，而且与密封条和电池组的设计结构有很大的关系。在这方面，我们可以根据长期的试验分析和实践验证，提供电池组防水解决方案，包括哪种底板和外壳材料是最佳的防水效果，以及哪种密封条是横切的。密封件定制，如何处理突出物等问题。