动力电池外壳防水设计
文章来源：《电动汽车空调最佳制冷剂充注量分析》
作者单位：福建飞毛腿动力科技有限公司
DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2020.04.018
随着全球共享经济的发展，共享助力车、共享滑板车、共享平衡车、共享摩托车、换电电池等领域如雨后春笋般催生。与此同时，这些产品也对其动力电池提出了更高的要求。
共享产品长期工作在野外环境下，环境温度多变、工况复杂多样，如果电池内部进水，可能导致电池短路、起火甚至爆炸。
因此，动力电池外壳防水成为结构设计的工作重点，这也要求产品的防水等级至少需要提升到IP67及以上。根据相关技术资料，结合多年工作经验，本文对动力电池外壳的防水设计做总结介绍，资同行借鉴。
1防水设计方法
在多年的结构设计过程中，总结出多种防水设计方法，确保动力电池外壳可以达到IP67及以上级别。所谓的IP67防水代表尘埃无法进入物体，在常温常压下，外壳浸泡在1m深的水里30min后不会进水。
1.1 超声波焊接
在产品尺寸较小且防水要求级别较低的情况下，一般选用超声波焊接。图1所示为超声波焊接设计。超声波焊接对产品上下塑胶外壳的定位、超声波导熔线的结构、塑料的材质、壁厚的选择、超声波设备的频率和功率等都有着严格的要求。
超声波焊接防水主要原理是用超声能量将三角形柱快速软化和熔化接触面，塑胶熔化成液态后将上下塑胶外壳紧密粘合在一起。因此，超声波导熔线设计和定位设计是防水成败的关键。
1.1.1定位方式设计
上下塑胶件在超声焊接过程中需要保证三角形柱的定位准确，且限位高度一般不低于1mm。可在上下塑胶件配合位置增加圆柱、凹槽定位结构，确保整个塑胶壳体定位准确。
在设计的过程中，还需要考虑到塑胶壳外形的平面度和变形度，因此塑壳设计需要增加防变形设计，对模具分型线位置增加抛光等方式。
1.1.2导熔线的设计
导熔线的设计有很多种类型。其中有一种是上模产品面做成断点三角形柱，下模产品面做成水平面；还有一种是导熔线做成凹凸槽结构，超声波上模产品面做成凸结构、另外一半则做成凹槽结构，凸型结构的尺寸大于凹型结构的深度为0.5～1mm最佳。
1.2胶槽点胶防水
在防水处理中，最常见的一种方法为点胶防水：对缝隙处进行点胶，待胶水凝固即实现密封，
达到防水的目的。点胶槽结构可设计成类似密封圈防水的筋条和胶槽结构，用于壳体与物料之间缝隙的点胶密封；一般在上盖设置筋条，下盖设置对应的凹槽；凹槽的深度为2～4mm最佳，筋条高于凹槽底部位置1～2mm，如图2所示。
点胶防水使用的胶水一般为RTV防水密封点胶。RTV胶具有良好的憎水性和粘接性能，固化后可变为弹性体，因此在振动、跌落、机械撞击等可靠性测试后仍然能保持原有的橡胶弹性，有助于动力电池的防震防跌落。
1.3灌胶防水
灌胶防水是目前可满足防水级别最高的方式，可以达到IP68及以上。但是因为灌胶防水还具有重量大、成本高、无法返工等特性，使得整个动力电池成本上升，很多低成本项目无法使用。
目前，关于这些缺点很多厂家都在做技术性研究，以便改善这些缺点，比如：使用泡沫灌胶可以解决重量大的问题、使用匹配性溶剂熔化胶水可以解决无法返工的问题等。
灌封防水常见的是使用环氧树脂灌封胶或者AB胶，可以将动力电池外壳内部全部灌封，有防水、防震、防跌落、抗外力冲击等功能。环氧树脂是一种高分子聚合物，当和相应的固化剂反应后，就会形成一种稳定膜，隔离水分子使之无法穿透。
在灌胶过程中，因为胶体的流动可以填满电芯之间的间隙，也可以形成一种稳定可靠的导热体。从目前的试验测试结果，整体散热比塑胶表现更佳。
1.4密封圈防水
密封圈防水是现有最常见的设计，具有应用范围广、节省空间、操作简单、稳定性强、可返工性良好、防水效果好等特点。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气的流通，具体表现为O形密封圈的形变后成为可阻挡的墙体。O形密封圈的密封效果取决于O形圈尺寸和沟槽尺寸是否正确匹配，以及密封圈压缩量和拉伸量是否合理。图3所示是现有动力电池外壳最为普遍的密封圈防水设计方式。
1.4.1 O形密封圈设计
1）压缩率：
式中：W——压缩率，%；d0——O形圈在自由状态下的截面直径，mm；h——O形圈压缩后的截面高度，mm。
O形圈的压缩率为15%～30%，而动力电池外壳一般使用静密封，因此决定了所选用的压缩率不能过高；加上电池外壳的压力固定：所以只有增加整体沟槽的宽度和尽量提高O形圈的压缩率，才能将整体防水级别提升到IP68。
2）拉伸量：
O形圈在装配过程中，需要计算拉伸量，一般其拉伸量为1%～5%。拉伸量过大会导致安装困难，降低压缩率，引起外壳泄露。拉伸量公式：
式中：α——拉伸量，%；d——轴径，mm；d1——O形圈的内径，mm。
1.4.2 O形密形圈的材料选择
大部分O形圈选用橡胶材料。在选择材料的过程中，需要根据许多不同的应用要求选择材料。主要的应用要求有工作温度、耐紫外线、耐燃性、抗化学腐蚀、密封圈的厚度和尺寸、整体的成本等等。各橡胶密封材料特性对比如图4所示。
动力电池对耐紫外线、耐油性和耐化学药品性要求较低，对工作温度和耐磨性要求较高，所以一般优先选择三元乙丙橡胶（EPDM）和丁晴橡胶（NBR）。
1.4.3 O形密封圈沟槽设计
沟槽的形状多种多样，有矩形沟槽、燕尾槽、半圆形槽、梯形槽、三角形槽等，具体以实际测试结果为准。密封圈沟槽设计一般要遵循如下原则：
1）槽宽大于O形密封圈变形后的最大直径。
2）需要考虑到密封圈的膨胀系数。
3）沟槽不宜过大，避免磨损。一般槽宽设置为O形密封圈截面面积的1.5倍。
4）沟槽深度设计要合理。沟槽的深度加上间隙，必须小于自由状态下的O形圈截面直径，以保证O形圈在槽内压缩的变形量。
5）尺寸合理，易加工。
1.4.4 空心密封圈选用
影响到外壳防水的主要因素有：密封圈的截面积；压缩率；容积-间隙比；外壳压力，即摩擦力；沟槽的设计；密封材料的选择。密封圈防水如果需要达到更高级别的防水，就必须在这些因素的某个或几个上有重要的提升。
相对实心O形密封圈，很多公司已经开始设计生产空心密封圈。空心密封圈拥有这些优点：压缩率更高，可以达到30%～50%；更小的外壳压力；容积-间隙比更高。因此，空心密封圈更多地应用IP68级别以上的防水外壳上。空心密封圈有多种形状，例如空心O形、空心D形、空心U形、空心P形等。
1.5 液态硅胶二次注塑
液态硅胶是一种惰性、无味、五毒的柔性热固性材料，其具有低黏度、快速固化、剪切变稀以及较高的热膨胀系数等特性。多年来，液态硅胶广泛应用于航空、汽车、IT等领域，这种方式可以提高生产率，保证零件的一致性，确保大容量成型。
如图5所示，液态硅胶二次注塑是把液态硅胶等弹性体通过二次注塑的方式与金属或塑胶件等结合成一体。使用二次注塑可以把2个零件合并为1个零件，在装配工程中不易脱落、可靠性较高。动力电池外壳中的密封圈也可以使用液态硅胶二次注塑替代，可以更好地保证产品的质量和稳定性；但是因为其需要模具进行二次注塑实现，成本更高。
2 结论
本文通过介绍多种防水方法，在设计过程中可根据不同动力电池的需求选择不同的防水方法。
1）超声波焊接一般用于尺寸较小，防水级别较低的电池规格。
2）胶槽点胶防水主要用于壁厚较小、防水级别IP67以上的电池规格；但是返工性很差，外壳无法重复利用。
3）灌胶防水一般用于IP68及以上防水级别，且电池要求防延烧、温度均衡性较高的电池，缺点是无法返工。
4）密封圈防水需要壁厚较大、且压力均匀的电池，防水级别可达IP67及以上，容易返工，外壳可循环利用。
5）液态硅胶二次注塑一般用于尺寸较小，但是要求IP67及以上防水级别的电池。该种方法相比密封圈更加稳定，但是成本较高。