電動(dòng)汽車電子零部件防水透氣解決方案

Rainer Enggruber

（W.L.Gore&Associates GmbH）

汽車電子零部件易受惡劣環(huán)境條件影響。無論是安裝在汽車底盤下還是發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，電子零部件（如電動(dòng)機(jī)、控制單元、傳感器、壓縮機(jī)或泵中的電子零部件）都會(huì)受到極端溫度波動(dòng)的影響，因此必須為其提供保護(hù)，防止污物或液體侵入。滿足最基礎(chǔ)要求的防護(hù)等級(jí)為IP6k9k，該等級(jí)可確保電子設(shè)備外殼免受灰塵顆粒物、短時(shí)浸沒和蒸汽的影響。基于此，文章提出一種電動(dòng)汽車電子零部件防水透氣解決方案。

1 純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車所面臨的特殊挑戰(zhàn)

由于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的電子部件具有極高的工作溫度和更大體積的電子部件外殼，使得汽車制造商和供應(yīng)商更加難以均衡溫度和壓力，因此動(dòng)力系統(tǒng)的敏感電子零部件，如電動(dòng)機(jī)、高性能電子部件、充電器及啟停發(fā)電機(jī)等，必須要耐受極高的溫差和壓差。

一方面，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)這些敏感的高性能電子零部件造成的影響要超過對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車電子零部件造成的影響。為防止這些高性能電子部件因極端溫度波動(dòng)而損壞，并使其在最佳溫度范圍內(nèi)工作，通常會(huì)使用液體對(duì)它們進(jìn)行冷卻。但這種方法也有風(fēng)險(xiǎn)，它會(huì)在外殼中溫度最低點(diǎn)形成凝露，腐蝕電子部件，致使其過早出現(xiàn)故障。另一方面，汽車行駛時(shí)接觸低溫濺射水或洗車水造成的溫度突變也會(huì)損壞電子設(shè)備。同時(shí)，這種情況會(huì)在電子部件外殼中形成極致的真空效應(yīng)，致使空氣通過密封圈進(jìn)入部件中。經(jīng)過一段時(shí)間后，這種壓力不均會(huì)在密封圈和密封組件中產(chǎn)生應(yīng)力，從而造成污物顆粒和液體侵入，對(duì)電子部件產(chǎn)生腐蝕作用并縮短其使用壽命。低黏度液體和清潔劑用于汽車時(shí)會(huì)加劇這種侵入危險(xiǎn)。

2 空氣和壓力均衡的透氣膜技術(shù)

要想實(shí)現(xiàn)壓力均衡并確保電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電子裝置和高壓電池等電子部件在使用壽命內(nèi)保持可靠性能，就要采用安裝透氣膜的防水透氣解決方案。

透氣膜技術(shù)允許密閉外殼的空氣交換，而且還可阻止液體和污物顆粒的侵入。對(duì)于某個(gè)特定應(yīng)用而言，透氣量和透水壓是決定透氣膜性能的2個(gè)基本參數(shù)。透氣量是指在給定時(shí)間和給定壓差下穿過透氣膜的空氣量。借助透氣量可確定均衡壓差所需的時(shí)間。透水壓是指透氣膜發(fā)生泄漏前必須承受的最小靜水壓力。但是，透氣量和透水壓并非是唯一的變量，耐溫性和耐化學(xué)性也是透氣膜組件的重要參數(shù)。透氣膜供應(yīng)商必須根據(jù)具體的防水透氣應(yīng)用，為透氣膜選擇最佳的性能組合。對(duì)于需要讓大量空氣快速進(jìn)出，而防護(hù)等級(jí)又無需太高的大型電池外殼而言，采用透氣膜可以獲得較高的透氣量。而安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的電子部件外殼需要經(jīng)常應(yīng)對(duì)溫度峰值，因此通常應(yīng)采用耐溫性高的透氣膜。由于與具體應(yīng)用相關(guān)的挑戰(zhàn)各不相同，因此汽車制造商和供應(yīng)商應(yīng)與透氣膜制造商緊密協(xié)作，以開發(fā)出技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性方面最合適的解決方案。

3 防水透氣產(chǎn)品在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

3.1 逆變器

電動(dòng)汽車的逆變器可將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供電動(dòng)機(jī)使用。在本例中，逆變器外殼尺寸為40 cm×20 cm×20 cm（容積約為16 L）。外殼內(nèi)部空間的1/4為空，即外殼內(nèi)包含4 L可以自由流動(dòng)的空氣。汽車運(yùn)行過程中，逆變器的溫度可達(dá)到70℃；洗車時(shí)，溫度為8～10℃的冷水會(huì)噴射到汽車底部，使逆變器在5 min內(nèi)冷卻至40℃。

在未采用防水透氣產(chǎn)品的外殼中，每當(dāng)汽車駛過積有冷水的區(qū)域時(shí)，該溫差都會(huì)造成約9 kPa的真空度。真空會(huì)對(duì)密封圈產(chǎn)生極大的應(yīng)力，經(jīng)過一段時(shí)間后，密封圈將發(fā)生泄漏，導(dǎo)致清潔劑、油、化學(xué)品和水等物質(zhì)進(jìn)入逆變器外殼，對(duì)敏感的電子元器件造成損壞。加裝防水透氣產(chǎn)品可以確保真空效應(yīng)得到快速均衡，而且還能消除壓力突變。圖1示出采用防水透氣產(chǎn)品前后逆變器外殼壓差對(duì)比。從圖1可以看出，采用防水透氣產(chǎn)品的外殼中壓力在短短6 min后便恢復(fù)為環(huán)境壓力。

3.2 高壓電池

由于體積原因，混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車的高壓電池需采用更有效的解決方案來均衡壓力。這種情況下的最佳方法是選用具有極高透氣量的防水透氣解決方案。由于電池只會(huì)與濺射水而非高壓水接觸，因此無需采用與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩內(nèi)組件一樣高的防護(hù)等級(jí)。

在本例中，電池外殼尺寸為100 cm×50 cm×30cm，容積為150 L，其中的自由空氣體積為50 L。在從海拔570～1 370 m的30 min車程中，電動(dòng)汽車向上爬升的標(biāo)高差為800 m。在未采用防水透氣產(chǎn)品的電池上，這種情況會(huì)產(chǎn)生9 kPa的正壓，即使在山口的休息站等待15 min后，壓力仍未均衡，這樣就會(huì)使密封圈產(chǎn)生永久應(yīng)力。9 kPa的正壓相當(dāng)于約450 kg的壓力作用于面積為0.5 m2的表面，輕型外殼無法長時(shí)間承受這樣的壓力。盡管密封圈的設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)高載荷，但這種極端應(yīng)力最終會(huì)導(dǎo)致其失效，致使外殼無法密封。

比上山時(shí)在外殼中形成的正壓更危險(xiǎn)的是下山時(shí)形成的9 kPa真空度。為了均衡這種真空度，空氣會(huì)穿過受影響的密封圈進(jìn)入外殼，將污物顆粒和液體帶入其中，從而在外殼內(nèi)形成凝露，進(jìn)而造成損害。圖2示出采用防水透氣產(chǎn)品前后高壓電池外殼壓差對(duì)比。從圖2可以看出，在采用防水透氣產(chǎn)品的外殼中，只會(huì)產(chǎn)生約1.5 kPa的真空度，因而不會(huì)對(duì)密封圈造成過重的負(fù)擔(dān)，并且這種壓差可以在15 min的停車休息時(shí)間內(nèi)被完全均衡。

4 結(jié)論

對(duì)于純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車而言，電子部件溫度管理所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)來自高性能電子部件的液體冷卻問題以及電子部件外殼較大的體積。液體冷卻本身會(huì)在外殼內(nèi)產(chǎn)生很高的溫差，對(duì)于體積較大的電子零部件來說，即使極小的壓差也會(huì)產(chǎn)生非常高的機(jī)械載荷，輕型外殼幾乎無法承受這樣的載荷。因此必須采用透氣膜解決方案進(jìn)行補(bǔ)償，以均衡巨大的壓差并降低形成凝露的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，采用防水透氣產(chǎn)品可有效保護(hù)汽車電子零部件免受污物和密封失效的影響，尤其是防水透氣膜可以快速均衡壓差和溫差，防止污物和液體侵入電子零部件，顯著提高部件的可靠性，延長其使用壽命，更減少了設(shè)計(jì)、制造和保修中的成本投入。