隨著全球共享經濟的發展，共享助力車、共享滑板車、共享平衡車、共享摩托車、換電電池等領域如雨后春筍般催生。與此同時，這些產品也對其動力電池提出了更高的要求。共享產品長期工作在野外環境下，環境溫度多變、工況復雜多樣，如果電池內部進水，可能導致電池短路、起火甚至爆炸。因此，動力電池外殼防水成為結構設計的工作重點，這也要求產品的防水等級至少需要提升到IP67及以上。根據相關技術資料，結合多年工作經驗，本文對動力電池外殼的防水設計做總結介紹，資同行借鑒。

1防水設計方法

     在多年的結構設計過程中，總結出多種防水設計方法，確保動力電池外殼可以達到IP67及以上級別。所謂的IP67防水表示塵埃無法進入物體，在常溫常壓下，外殼浸泡在1m深的水里30min后不會進水。

1.1 超聲波焊接

      在產品尺寸較小且防水要求級別較低的情況下，一般選用超聲波焊接。圖1所示為超聲波焊接設計。超聲波焊接對產品上下塑膠外殼的定位、超聲波導熔線的結構、塑料的材質、壁厚的選擇、超聲波設備的頻率和功率等都有著嚴格的要求。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，塑膠熔化成液態后將上下塑膠外殼緊密粘合在一起。因此，超聲波導熔線設計和定位設計是防水成敗的關鍵。

1.1.1定位方式設計

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確，且限位高度一般不低于1mm。可在上下塑膠件配合位置增加圓柱、凹槽定位結構，確保整個塑膠殼體定位準確。在設計的過程中，還需要考慮到塑膠殼外形的平面度和變形度，因此塑殼設計需要增加防變形設計，對模具分型線位置增加拋光等方式。

1.1.2導熔線的設計

     導熔線的設計有很多種類型。其中有一種是上模產品面做成斷點三角形柱，下模產品面做成水平面；還有一種是導熔線做成凹凸槽結構，超聲波上模產品面做成凸結構、另外一半則做成凹槽結構，凸型結構的尺寸大于凹型結構的深度為0.5～1mm比較好。

1.2膠槽點膠防水

     在防水處理中，比較常見的一種方法為點膠防水：對縫隙處進行點膠，待膠水凝固即實現密封，達到防水的目的。點膠槽結構可設計成類似密封圈防水的筋條和膠槽結構，用于殼體與物料之間縫隙的點膠密封；一般在上蓋設置筋條，下蓋設置對應的凹槽；凹槽的深度為2～4mm比較好，筋條高于凹槽底部位置1～2mm，如圖2所示。

      點膠防水使用的膠水一般為RTV防水密封點膠。RTV膠具有良好的憎水性和粘接性能，固化后可變為彈性體，因此在振動、跌落、機械撞擊等可靠性測試后仍然能保持原有的橡膠彈性，有助于動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別比較高的方式，可以達到IP68及以上。但是因為灌膠防水還具有重量大、成本高、無法返工等特性，使得整個動力電池成本上升，很多低成本項目無法使用。目前，關于這些缺點很多廠家都在做技術性研究，以便改善這些缺點，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氧樹脂灌封膠或者AB膠，可以將動力電池外殼內部全部灌封，有防水、防震、防跌落、抗外力沖擊等功能。環氧樹脂是一種高分子聚合物，當和相應的固化劑反應后，就會形成一種穩定膜，隔離水分子使之無法穿透。在灌膠過程中，因為膠體的流動可以填滿電芯之間的間隙，也可以形成一種穩定可靠的導熱體。從目前的試驗測試結果，整體散熱比塑膠表現更佳。

1.4密封圈防水

密封圈防水是現有比較常見的設計，具有應用范圍廣、節省空間、操作簡單、穩定性強、可返工性良好、防水效果好等特點。密封圈防水比較常使用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所示是現有動力電池外殼比較為普遍的密封圈防水設計方式。

1.4.1 O形密封圈設計

1）壓縮率：

公式中：W——壓縮率，%；d0——O形圈在自由狀態下的截面直徑，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，才能將整體防水級別提升到IP68。

2）拉伸量：

       O形圈在裝配過程中，需要計算拉伸量，一般其拉伸量為1%～5%。拉伸量過大會導致安裝困難，降低壓縮率，引起外殼泄露。拉伸量公式：

公式中：α——拉伸量，%；d——軸徑，mm；d1——O形圈的內徑，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，需要根據許多不同的應用要求選擇材料。主要的應用要求有工作溫度、耐紫外線、耐燃性、抗化學腐蝕、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比如圖4所示。

動力電池對耐紫外線、耐油性和耐化學藥品性要求較低，對工作溫度和耐磨性要求較高，所以一般優先選擇三元乙丙橡膠（EPDM）和丁晴橡膠（NBR）。

1.4.3 O形密封圈溝槽設計

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，具體以實際測試結果為準。密封圈溝槽設計一般要遵循如下原則：

1）槽寬大于O形密封圈變形后的比較大直徑。

2）需要考慮到密封圈的膨脹系數。

3）溝槽不宜過大，避免磨損。一般槽寬設置為O形密封圈截面面積的1.5倍。

4）溝槽深度設計要合理。溝槽的深度加上間隙，必須小于自由狀態下的O形圈截面直徑，以保證O形圈在槽內壓縮的變形量。

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；溝槽的設計；密封材料的選擇。密封圈防水如果需要達到更高級別的防水，就必須在這些因素的某個或幾個上有重要的提升。相對實心O形密封圈，很多公司已經開始設計生產空心密封圈。空心密封圈擁有這些優點：壓縮率更高，可以達到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用IP68級別以上的防水外殼上。空心密封圈有多種形狀，例如空心O形、空心D形、空心U形、空心P形等。

1.5 液態硅膠二次注塑

      液態硅膠是一種惰性、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等特性。多年來，液態硅膠廣泛應用于航空、汽車、IT等領域，這種方式可以提高生產率，保證零件的一致性，確保大容量成型。

      如圖5所示，液態硅膠二次注塑是把液態硅膠等彈性體通過二次注塑的方式與金屬或塑膠件等結合成一體。使用二次注塑可以把2個零件合并為1個零件，在裝配工程中不易脫落、可靠性較高。動力電池外殼中的密封圈也可以使用液態硅膠二次注塑替代，可以更好地保證產品的質量和穩定性；但是因為其需要模具進行二次注塑實現，成本更高。

2 結論

      本文通過介紹多種防水方法，在設計過程中可根據不同動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，防水級別較低的電池規格。

2）膠槽點膠防水主要用于壁厚較小、防水級別IP67以上的電池規格；但是返工性很差，外殼無法重復利用。

3）灌膠防水一般用于IP68及以上防水級別，且電池要求防延燒、溫度均衡性較高的電池，缺點是無法返工。

4）密封圈防水需要壁厚較大、且壓力均勻的電池，防水級別可達IP67及以上，容易返工，外殼可循環利用。

5）液態硅膠二次注塑一般用于尺寸較小，但是要求IP67及以上防水級別的電池。該種方法相比密封圈更加穩定，但是成本較高。

文章來源：《電動汽車空調比較好制冷劑充注量分析》

作者單位：福建飛毛腿動力科技有限公司

DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2020.04.018