電動(dòng)汽車鋁制動(dòng)力電池殼體密封設(shè)計(jì)

我國(guó)政府不斷出臺(tái)支持措施，新能源汽車的銷量近年來(lái)一路飆升。其中，電動(dòng)汽車在環(huán)保和節(jié)能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車對(duì)傳統(tǒng)燃油車的沖擊越來(lái)越大，造車新勢(shì)力如雨后春筍般紛紛成立，各大資本也紛紛入場(chǎng)，在中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)上掀起了新的消費(fèi)主義浪潮。

電動(dòng)汽車想要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間行駛，需要?jiǎng)恿﹄姵刈鳛槟芰績(jī)?chǔ)存裝置來(lái)使用，因此動(dòng)力電池的質(zhì)量和安全性至關(guān)重要。動(dòng)力電池殼體承擔(dān)著裝載和保護(hù)電池模組或電芯的作用。其中，動(dòng)力電池的密封問(wèn)題是一個(gè)重要的問(wèn)題，因?yàn)槿绻姵貧んw不密封的話，會(huì)導(dǎo)致電池包進(jìn)水、電池包內(nèi)氣體泄漏等問(wèn)題，從而影響車輛性能和安全。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文將主要關(guān)注電動(dòng)汽車鋁制動(dòng)力電池殼體密封設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題。

一、鋁制動(dòng)力電池殼體方案介紹

1.1 電池殼體的結(jié)構(gòu)概述

電池殼體是電池模塊、電芯的重要支撐結(jié)構(gòu)，通常采用箱體形式，由上蓋、下托盤和底部護(hù)板組成。近年來(lái)，集成水冷板的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成為主流。其中，動(dòng)力電池殼體的托盤結(jié)構(gòu)由邊框和水冷板組合而成。

1.2 鋁制電池殼體的結(jié)構(gòu)分析及密封界面識(shí)別

1.2.1材料

電池殼體是動(dòng)力電池的主要承載結(jié)構(gòu)，為了保證其結(jié)構(gòu)性能，一般選用鋼、鋁合金等金屬材料作為電池殼體的主體材料。鋼板是一種制作方便、價(jià)格實(shí)惠、剛性和耐用的材料。鋁合金材料具有輕量化優(yōu)勢(shì)外，工藝優(yōu)勢(shì)明顯（擠壓工藝簡(jiǎn)單、工裝成本低、鑄造工藝的高集成性）。

1.2.2制造流程

從制造流程的角度出發(fā)，動(dòng)力電池殼體在進(jìn)入電池組裝車間之前，會(huì)完成電池殼體上蓋和電池殼體下托盤兩個(gè)主體零件的制備，部分車型的電池殼體下托盤總成中包含動(dòng)力電池底護(hù)板結(jié)構(gòu)。因此，動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)分析和密封界面的識(shí)別，包含這些方面：動(dòng)力電池殼體上蓋的結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力電池殼體下托盤的結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力電池殼體底護(hù)板的結(jié)構(gòu)分析。

1.2.3動(dòng)力電池殼體上蓋板的分析

上蓋作為動(dòng)力電池的關(guān)鍵組件，一般可以分為平板式和異型式兩種，它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也各不相同，比如SMC復(fù)合材料、鋁制或者鋼制，它們的制作過(guò)程也各有千秋。無(wú)論是何種材質(zhì)，為了減少自密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電池殼的上蓋通常采用整體式設(shè)計(jì)。此外，上蓋的開(kāi)孔要求也應(yīng)符合接口的要求，并且應(yīng)將其獨(dú)立于密封界面，以減少對(duì)電池包密封的影響。

綜上，動(dòng)力電池殼體上蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)遵循如下密封原則：

1）采用一體式零件設(shè)計(jì)，避免分件設(shè)計(jì)，確保上蓋“自密封”性能的穩(wěn)定；

2）定位孔、定位特征設(shè)計(jì)在上蓋邊緣（上蓋和下托盤密封界面外側(cè)）；

3）上蓋與下托盤密封界面，需要匹配面滿足“均勻”、“連續(xù)”的密封要求；

1.2.4動(dòng)力電池殼體下托盤的分析

下托盤作為動(dòng)力電池的關(guān)鍵組件，一般可分為一體式（如鑄鋁電池托盤）、框架式（鋼制、鋁制框架電池托盤）。考慮到低成本的開(kāi)發(fā)要求，鋼制、鋁型材電池殼體也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，為了確保大型電池在行駛過(guò)程中的碰撞安全，框架式電池托盤已經(jīng)成為最佳選擇。因此，建議采用擠壓鋁型材作為動(dòng)力電池的框架主體結(jié)構(gòu)，這樣可以大幅降低固定投資的同時(shí)，可以獲得較優(yōu)的動(dòng)力電池能量密度。

綜上，動(dòng)力電池殼體下托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)遵循如下密封原則：

1）采用封閉截面型材進(jìn)行框架的搭建，接頭處采用自密封的線性連接技術(shù)，如CMT焊接技術(shù)；

2）鋁型材拼接的電池托盤需要設(shè)計(jì)有連續(xù)的一道或多道密封膠體；

3）托盤集成水冷板的情況下，需要考慮使用膠體密封或采用自密封的線性連接技術(shù)，如FSW攪拌摩擦焊技術(shù)；

4）上蓋與下托盤密封界面，需要匹配面滿足“均勻”、“連續(xù)”的密封要求，必要時(shí)進(jìn)行機(jī)加工對(duì)密封界面進(jìn)行打磨處理；

1.2.5動(dòng)力電池殼體底護(hù)板的分析

底護(hù)板作為動(dòng)力電池的底部保護(hù)組件，其主要作用是在車輛行駛時(shí)，防止來(lái)自外部的石擊、異物撞擊，同時(shí)兼顧電池殼保溫材料的承載結(jié)構(gòu)。為了確保大型電池的安全使用，鋼制底護(hù)板是最佳選擇，其材料強(qiáng)度高、沖壓工藝簡(jiǎn)單、成本低。

綜上，動(dòng)力電池下托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)遵循如下密封標(biāo)準(zhǔn)：

1）需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，阻擋固體異物侵入底護(hù)板和動(dòng)力電池之間；

2）根據(jù)保溫材料的親水性，選擇是否進(jìn)行底護(hù)板的防水設(shè)計(jì)；

1.3 動(dòng)力電池殼體的關(guān)鍵密封界面

綜上所述，動(dòng)力電池殼體的關(guān)鍵密封界面主要包含以下方面：

1.3.1上蓋與下托盤的匹配密封界面

該密封界面在動(dòng)力電池內(nèi)部零件裝配完成后，完成封閉。

其主要難點(diǎn)在于，密封方案的選擇需要匹配電池車間常溫下操作的場(chǎng)景，以及維修方便性的售后場(chǎng)景要求；

1.3.2 鋁型材邊框拼接過(guò)程中形成的接縫處的密封界面

該密封界面需要考慮使用自密封的線性連接技術(shù)完成界面的封閉

其主要難點(diǎn)在于連接技術(shù)的制造穩(wěn)定性；

1.3.3 鋁型材邊框與水冷板之間的密封界面

該密封界面存在兩個(gè)設(shè)計(jì)方向：

方向一，水冷板與鋁型材邊框不做集成化處理，單獨(dú)由電池組裝車間完成裝配，作為純粹的包內(nèi)零件，不參與電池殼體的密封；

方向二，水冷板集成在電池下托盤中，與鋁型材邊框形成類似于上蓋的環(huán)形密封界面，該密封界面的密封要求與電池殼體的密封要求保持一致，其差異在于，該密封界面在電池殼體制造過(guò)程中完成閉合，同時(shí)不需要考慮售后維修方便性的問(wèn)題；

1.3.4 鋁型材了邊框/水冷板與底護(hù)板之間的密封界面

該密封界面同樣存在兩個(gè)設(shè)計(jì)方向：

方向一，水冷板不做集成處理的情況下，底護(hù)板需要與電池殼邊框形成完整的電池下托盤，該密封界面的密封要求與上蓋密封方案要求一致，可以不考慮維修方便性；

方向二，水冷板集成在電池殼體下托盤總成上，參與電池殼體的整體密封設(shè)計(jì)，此時(shí)該密封界面的密封要求與電池殼體的密封要求不一致，近需要做好防止使用過(guò)程中的異物進(jìn)入即可，此外如果電池殼下部保溫棉為親水材料，需要考慮進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，密封等級(jí)參考白車身底部零件密封要求，300 mm水壓下，30 min內(nèi)無(wú)泄漏。

1.3.5 其它密封界面

其他密封界面主要為緊固件、機(jī)械連接件的密封界面，推薦密封原則為：減少參與密封的緊固件、機(jī)械連接件數(shù)量，無(wú)法滿足密封要求的緊固件、機(jī)械連接件通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)自帶密封圈滿足密封要求的設(shè)計(jì)。

二、鋁制動(dòng)力電池殼體密封方案設(shè)計(jì)

電池殼體的材料，目前主要使用鋼板和鋁合金材料為主。綜合考慮成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間、固定投入、制造周期、設(shè)計(jì)變更的方便性等、未來(lái)電池殼體開(kāi)發(fā)的可遷移性，在某項(xiàng)目電池殼體的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選用的電池殼體的主體結(jié)構(gòu)方案如下：

1）電池殼體上蓋：采用鋼板一體沖壓成型，電泳處理后交付使用；

2）電池殼體邊框及內(nèi)部橫梁/縱梁結(jié)構(gòu)：采用鋁合金擠壓工藝，CMT拼接后交付使用；

3）水冷板：采用集成是水冷板方案，參與電池殼體的密封，與鋁型材邊框拼接后，交付使用；

4）底護(hù)板：采用鋼板一體沖鴨成型，電泳處理后交付使用；

5）緊固件/機(jī)械連接：緊固件靠外緣布置，不參與電池殼體密封，機(jī)械連接選用帶密封圈的FDS釘子，實(shí)現(xiàn)機(jī)械點(diǎn)連接的自密封。

2.1 密封方案設(shè)計(jì)一：上蓋@下托盤

上蓋和下托盤鋁型材邊框的密封界面設(shè)計(jì)是電池殼體的主要密封界面，由于電池模組、電芯、電池控制模塊等零部件的裝配要求，該密封界面無(wú)法通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)避，因此本文首先對(duì)該界面進(jìn)行詳細(xì)的分析和密封設(shè)計(jì)。

密封設(shè)計(jì)方案如圖4所示，主要從宏觀和圍觀角度，分別進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。宏觀上，需要采用連續(xù)的、封閉的密封路徑進(jìn)行密封；微觀上，本項(xiàng)目電池殼體開(kāi)發(fā)中選用CIPG類型的密封材料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，主要原因是CIPG類材料，具有成本低、施工方便、便于售后拆卸維修。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于密封材料壓縮比例、螺栓間距的設(shè)計(jì)。

通過(guò)mini-pack的試驗(yàn)，我們得出選用的CIPG材料的壓縮量30%～50%，螺栓間距90 mm較為適宜。

2.2密封方案設(shè)計(jì)二：鋁型材邊框

鋁型材的密封界面的形式與拼接方案的選擇密切相關(guān)，通過(guò)與電池殼體工程師進(jìn)行溝通交流，本文中描述的動(dòng)力電池殼體采用的拼接方案如下，在該方案下，通過(guò)自密封的CMT線連接技術(shù)是較好的選擇。

選用CMT連接作為此密封界面的額外原因在于：一方面，可以滿足打磨平整后，由于母材存在熔深，依然具有穩(wěn)健的密封性能；另一方面，CMT連接技術(shù)的發(fā)熱量較低，可以進(jìn)行連續(xù)的長(zhǎng)線焊接，保證框架焊接后的尺寸精度。

2.3 密封方案設(shè)計(jì)三：鋁型材邊框@水冷板

水冷板的上部用于堆垛電芯或電池模組，屬于直接的防護(hù)線，因此水冷板自密封的穩(wěn)健型要求盡可能少的使用連接技術(shù)進(jìn)行拼接、焊接、螺接等工藝，避免水冷板中的高壓冷卻液體直接泄漏侵入到電池包內(nèi)，導(dǎo)致電池發(fā)生安全問(wèn)題。本體描述的某電池殼體開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水冷板上板采用一體式鋁板上下釬焊拼接的設(shè)計(jì)方案，保證高效熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)水冷板的自密封。

解決了水冷板自密封的情況下，我們需要將水冷板與鋁型材邊框進(jìn)行拼接，形成完整的鋁制動(dòng)力電池的下托盤結(jié)構(gòu)。

2.4 密封方案設(shè)計(jì)四：鋁型材邊框@底護(hù)板

底護(hù)板的主要作用是動(dòng)力電池的底部防護(hù)，一般情況下，不需要做特殊的密封處理，僅需要滿足防止固體異物的侵入即可，由于本項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電池殼體的密封由水冷板和鋁合金邊框完成，因此，底護(hù)板的不做額外的密封設(shè)計(jì)，不在本文的討論范疇內(nèi)，僅就水冷板不做密封的情況下，提供一個(gè)參考的鋁型材邊框與底護(hù)板的密封方案。

三、結(jié)論

通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池殼體密封界面深度分析，基于某項(xiàng)目的鋁制動(dòng)力電池殼體開(kāi)發(fā)，筆者提出了一種先進(jìn)的整體式密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該密封方案不僅滿足了其動(dòng)力電池殼體的密封要求，還將其殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與密封方案設(shè)計(jì)進(jìn)行融合，使得本密封方案具備更高的安全性和可靠性。為了確保該密封系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性和可操作性，必須不斷改進(jìn)各項(xiàng)細(xì)節(jié)，并持續(xù)將技術(shù)方法應(yīng)用到后續(xù)各個(gè)動(dòng)力電池殼體的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中。