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動(dòng)力電池外殼防水設(shè)計(jì)

2020-08-25 23:10:03·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
作者單位：福建飛毛腿動(dòng)力科技有限公司隨著全球共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，共享助力車、共享滑板車、共享平衡車、共享摩托車、換電電池等領(lǐng)域如雨后春筍般催生。與此同時(shí)，
作者單位：福建飛毛腿動(dòng)力科技有限公司
 
隨著全球共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，共享助力車、共享滑板車、共享平衡車、共享摩托車、換電電池等領(lǐng)域如雨后春筍般催生。與此同時(shí)，這些產(chǎn)品也對(duì)其動(dòng)力電池提出了更高的要求。
共享產(chǎn)品長(zhǎng)期工作在野外環(huán)境下，環(huán)境溫度多變、工況復(fù)雜多樣，如果電池內(nèi)部進(jìn)水，可能導(dǎo)致電池短路、起火甚至爆炸。
因此，動(dòng)力電池外殼防水成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)，這也要求產(chǎn)品的防水等級(jí)至少需要提升到IP67及以上。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)動(dòng)力電池外殼的防水設(shè)計(jì)做總結(jié)介紹，資同行借鑒。
1防水設(shè)計(jì)方法
在多年的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，總結(jié)出多種防水設(shè)計(jì)方法，確保動(dòng)力電池外殼可以達(dá)到IP67及以上級(jí)別。所謂的IP67防水代表塵埃無法進(jìn)入物體，在常溫常壓下，外殼浸泡在1m深的水里30min后不會(huì)進(jìn)水。
1.1 超聲波焊接
 
在產(chǎn)品尺寸較小且防水要求級(jí)別較低的情況下，一般選用超聲波焊接。圖1所示為超聲波焊接設(shè)計(jì)。超聲波焊接對(duì)產(chǎn)品上下塑膠外殼的定位、超聲波導(dǎo)熔線的結(jié)構(gòu)、塑料的材質(zhì)、壁厚的選擇、超聲波設(shè)備的頻率和功率等都有著嚴(yán)格的要求。
超聲波焊接防水主要原理是用超聲能量將三角形柱快速軟化和熔化接觸面，塑膠熔化成液態(tài)后將上下塑膠外殼緊密粘合在一起。因此，超聲波導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)和定位設(shè)計(jì)是防水成敗的關(guān)鍵。
1.1.1定位方式設(shè)計(jì)
上下塑膠件在超聲焊接過程中需要保證三角形柱的定位準(zhǔn)確，且限位高度一般不低于1mm?？稍谏舷滤苣z件配合位置增加圓柱、凹槽定位結(jié)構(gòu)，確保整個(gè)塑膠殼體定位準(zhǔn)確。
在設(shè)計(jì)的過程中，還需要考慮到塑膠殼外形的平面度和變形度，因此塑殼設(shè)計(jì)需要增加防變形設(shè)計(jì)，對(duì)模具分型線位置增加拋光等方式。
1.1.2導(dǎo)熔線的設(shè)計(jì)
導(dǎo)熔線的設(shè)計(jì)有很多種類型。其中有一種是上模產(chǎn)品面做成斷點(diǎn)三角形柱，下模產(chǎn)品面做成水平面；還有一種是導(dǎo)熔線做成凹凸槽結(jié)構(gòu)，超聲波上模產(chǎn)品面做成凸結(jié)構(gòu)、另外一半則做成凹槽結(jié)構(gòu)，凸型結(jié)構(gòu)的尺寸大于凹型結(jié)構(gòu)的深度為0.5～1mm最佳。
1.2膠槽點(diǎn)膠防水
在防水處理中，最常見的一種方法為點(diǎn)膠防水：對(duì)縫隙處進(jìn)行點(diǎn)膠，待膠水凝固即實(shí)現(xiàn)密封，
達(dá)到防水的目的。點(diǎn)膠槽結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成類似密封圈防水的筋條和膠槽結(jié)構(gòu)，用于殼體與物料之間縫隙的點(diǎn)膠密封；一般在上蓋設(shè)置筋條，下蓋設(shè)置對(duì)應(yīng)的凹槽；凹槽的深度為2～4mm最佳，筋條高于凹槽底部位置1～2mm，如圖2所示。
 
點(diǎn)膠防水使用的膠水一般為RTV防水密封點(diǎn)膠。RTV膠具有良好的憎水性和粘接性能，固化后可變?yōu)閺椥泽w，因此在振動(dòng)、跌落、機(jī)械撞擊等可靠性測(cè)試后仍然能保持原有的橡膠彈性，有助于動(dòng)力電池的防震防跌落。
1.3灌膠防水
灌膠防水是目前可滿足防水級(jí)別最高的方式，可以達(dá)到IP68及以上。但是因?yàn)楣嗄z防水還具有重量大、成本高、無法返工等特性，使得整個(gè)動(dòng)力電池成本上升，很多低成本項(xiàng)目無法使用。
目前，關(guān)于這些缺點(diǎn)很多廠家都在做技術(shù)性研究，以便改善這些缺點(diǎn)，比如：使用泡沫灌膠可以解決重量大的問題、使用匹配性溶劑熔化膠水可以解決無法返工的問題等。
灌封防水常見的是使用環(huán)氧樹脂灌封膠或者AB膠，可以將動(dòng)力電池外殼內(nèi)部全部灌封，有防水、防震、防跌落、抗外力沖擊等功能。環(huán)氧樹脂是一種高分子聚合物，當(dāng)和相應(yīng)的固化劑反應(yīng)后，就會(huì)形成一種穩(wěn)定膜，隔離水分子使之無法穿透。
在灌膠過程中，因?yàn)槟z體的流動(dòng)可以填滿電芯之間的間隙，也可以形成一種穩(wěn)定可靠的導(dǎo)熱體。從目前的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，整體散熱比塑膠表現(xiàn)更佳。
1.4密封圈防水
密封圈防水是現(xiàn)有最常見的設(shè)計(jì)，具有應(yīng)用范圍廣、節(jié)省空間、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)、可返工性良好、防水效果好等特點(diǎn)。密封圈防水最常使用O形密封圈。
O形密封圈可以阻止水或者空氣的流通，具體表現(xiàn)為O形密封圈的形變后成為可阻擋的墻體。O形密封圈的密封效果取決于O形圈尺寸和溝槽尺寸是否正確匹配，以及密封圈壓縮量和拉伸量是否合理。圖3所示是現(xiàn)有動(dòng)力電池外殼最為普遍的密封圈防水設(shè)計(jì)方式。
 
1.4.1 O形密封圈設(shè)計(jì)
1）壓縮率：
 
式中：W——壓縮率，%；d0——O形圈在自由狀態(tài)下的截面直徑，mm；h——O形圈壓縮后的截面高度，mm。
O形圈的壓縮率為15%～30%，而動(dòng)力電池外殼一般使用靜密封，因此決定了所選用的壓縮率不能過高；加上電池外殼的壓力固定：所以只有增加整體溝槽的寬度和盡量提高O形圈的壓縮率，才能將整體防水級(jí)別提升到IP68。
2）拉伸量：
 
O形圈在裝配過程中，需要計(jì)算拉伸量，一般其拉伸量為1%～5%。拉伸量過大會(huì)導(dǎo)致安裝困難，降低壓縮率，引起外殼泄露。拉伸量公式：
式中：α——拉伸量，%；d——軸徑，mm；d1——O形圈的內(nèi)徑，mm。
1.4.2 O形密形圈的材料選擇
大部分O形圈選用橡膠材料。在選擇材料的過程中，需要根據(jù)許多不同的應(yīng)用要求選擇材料。主要的應(yīng)用要求有工作溫度、耐紫外線、耐燃性、抗化學(xué)腐蝕、密封圈的厚度和尺寸、整體的成本等等。各橡膠密封材料特性對(duì)比如圖4所示。
 
 
動(dòng)力電池對(duì)耐紫外線、耐油性和耐化學(xué)藥品性要求較低，對(duì)工作溫度和耐磨性要求較高，所以一般優(yōu)先選擇三元乙丙橡膠（EPDM）和丁晴橡膠（NBR）。
1.4.3 O形密封圈溝槽設(shè)計(jì)
溝槽的形狀多種多樣，有矩形溝槽、燕尾槽、半圓形槽、梯形槽、三角形槽等，具體以實(shí)際測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)。密封圈溝槽設(shè)計(jì)一般要遵循如下原則：
1）槽寬大于O形密封圈變形后的最大直徑。
2）需要考慮到密封圈的膨脹系數(shù)。
3）溝槽不宜過大，避免磨損。一般槽寬設(shè)置為O形密封圈截面面積的1.5倍。
4）溝槽深度設(shè)計(jì)要合理。溝槽的深度加上間隙，必須小于自由狀態(tài)下的O形圈截面直徑，以保證O形圈在槽內(nèi)壓縮的變形量。
5）尺寸合理，易加工。
1.4.4 空心密封圈選用
影響到外殼防水的主要因素有：密封圈的截面積；壓縮率；容積-間隙比；外殼壓力，即摩擦力；溝槽的設(shè)計(jì)；密封材料的選擇。密封圈防水如果需要達(dá)到更高級(jí)別的防水，就必須在這些因素的某個(gè)或幾個(gè)上有重要的提升。
相對(duì)實(shí)心O形密封圈，很多公司已經(jīng)開始設(shè)計(jì)生產(chǎn)空心密封圈?？招拿芊馊碛羞@些優(yōu)點(diǎn)：壓縮率更高，可以達(dá)到30%～50%；更小的外殼壓力；容積-間隙比更高。因此，空心密封圈更多地應(yīng)用IP68級(jí)別以上的防水外殼上?？招拿芊馊τ卸喾N形狀，例如空心O形、空心D形、空心U形、空心P形等。
1.5 液態(tài)硅膠二次注塑
液態(tài)硅膠是一種惰性、無味、五毒的柔性熱固性材料，其具有低黏度、快速固化、剪切變稀以及較高的熱膨脹系數(shù)等特性。多年來，液態(tài)硅膠廣泛應(yīng)用于航空、汽車、IT等領(lǐng)域，這種方式可以提高生產(chǎn)率，保證零件的一致性，確保大容量成型。
 
如圖5所示，液態(tài)硅膠二次注塑是把液態(tài)硅膠等彈性體通過二次注塑的方式與金屬或塑膠件等結(jié)合成一體。使用二次注塑可以把2個(gè)零件合并為1個(gè)零件，在裝配工程中不易脫落、可靠性較高。動(dòng)力電池外殼中的密封圈也可以使用液態(tài)硅膠二次注塑替代，可以更好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性；但是因?yàn)槠湫枰＞哌M(jìn)行二次注塑實(shí)現(xiàn)，成本更高。
2 結(jié)論
本文通過介紹多種防水方法，在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)不同動(dòng)力電池的需求選擇不同的防水方法。
1）超聲波焊接一般用于尺寸較小，防水級(jí)別較低的電池規(guī)格。
2）膠槽點(diǎn)膠防水主要用于壁厚較小、防水級(jí)別IP67以上的電池規(guī)格；但是返工性很差，外殼無法重復(fù)利用。
3）灌膠防水一般用于IP68及以上防水級(jí)別，且電池要求防延燒、溫度均衡性較高的電池，缺點(diǎn)是無法返工。
4）密封圈防水需要壁厚較大、且壓力均勻的電池，防水級(jí)別可達(dá)IP67及以上，容易返工，外殼可循環(huán)利用。
5）液態(tài)硅膠二次注塑一般用于尺寸較小，但是要求IP67及以上防水級(jí)別的電池。該種方法相比密封圈更加穩(wěn)定，但是成本較高。
 
 
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