新能源汽車電池包的三元乙丙橡膠密封圈研究

高 飛

[福特汽車工程研究（南京）有限公司，江蘇 南京 230601]

目前，汽車市場上涌現(xiàn)出越來越多的新能源（電動）汽車。新能源汽車作為重要的交通工具，其電池包的密封一般要達到IP67防護等級，以確保汽車在行駛時無水進入電池包里面[1-2]，保證汽車行駛安全，避免因電池包密封問題引起的人身安全和財產(chǎn)損失。另外，電池包是安全部件，應滿足GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求與測試方法》要求，即海水浸泡時不起火、不爆炸；在外部燃燒試驗時電池包無爆炸現(xiàn)象，若有火苗，應在火源移開2 min內(nèi)自熄，以確保電池包在發(fā)生電路短路或者遇到火源時可以快速熄滅火焰，保證人身安全。由于電池包安裝在汽車的底盤部位，容易受潮或浸入雨水，因此電池包的密封設計至關重要[3]。

三元乙丙橡膠（EPDM）是乙烯、丙烯和少量非共軛二烯烴的共聚物[4]，其分子由化學穩(wěn)定的飽和烴組成，只在側(cè)鏈中含有不飽和雙鍵，故EPDM的耐臭氧老化性能、耐熱老化性能和耐候性能優(yōu)異，EPDM被廣泛應用于汽車工業(yè)中。

本工作探討新能源汽車電池包的EPDM密封圈的設計和有限元分析以及電池包安全性能測試。

1 密封圈用EPDM膠料性能

1.1 物理性能

新能源汽車電池包的密封圈用EPDM膠料要求具有良好的物理性能[5-11]，老化前的物理性能指標為：邵爾A型硬度（70±5）度，拉伸強度 ＞10 MPa，拉斷伸長率 ＞200%，壓縮永久變形（150℃×22 h）＜40%，撕裂強度 ＞17 kN·m-1，耐水性（100 ℃×70 h水浸泡體積變化率）±5%，耐低溫性能（－50 ℃×3 min）不脆化；175 ℃×70 h熱空氣老化后物理性能指標為：邵爾A型硬度變化 ＜＋10度，拉伸強度下降率 ＜20%，拉斷伸長率下降率 ＜20%。

1.2 抗應力松弛性能

新能源汽車電池包的密封圈用EPDM膠料具有很好的抗應力松弛性能[12]。根據(jù)GB/T 1685－2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠在常溫和高溫下壓縮應力松弛的測定》測定EPDM膠料在85 ℃×2 000 h加速老化試驗中的的應力松弛性能。

應力松弛率計算公式為

式中：t為時間，h；R（t）為應力松弛率，%；F0為初始作用力，N；Ft為t時的作用力，N。

EPDM膠料的應力松弛曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，EPDM膠料的應力松弛曲線比較平緩，時間達到3 000 h，EPDM膠料的應力松弛率變化不大，抗應力松弛性能良好。

1.3 抗壓縮變形性能

新能源汽車電池包的密封圈用EPDM膠料具有很好的抗壓縮變形性能。在壓力的作用下，EPDM膠料的壓縮量基本呈線性增大；隨著溫度的升高，EPDM膠料的壓縮量也增大（見圖2）。因此，EPDM密封圈通過壓應力可提供良好的密封性能[13]。

2 EPDM密封圈的結構設計

新能源汽車電池包的EPDM密封圈通過壓應力進行密封，需要在電池盒上設計4.15 mm×6 mm溝槽來配合密封圈的安裝。在考慮密封圈自身公差和溝槽公差前提下，在密封圈結構設計中用CAE軟件仿真分析不同工況下密封圈與溝槽的尺寸，以評估EPDM密封圈在不同工況下的可靠性。EPDM密封圈與溝槽的裝配見圖3，不同實體工況下EPDM密封圈與溝槽的參數(shù)見表1，配合結構見圖4。

表1 不同實體工況下EPDM密封圈與溝槽的參數(shù)Tab.1 Parameters of EPDM seal rings and grooves under different physical working conditions mm

3 有限元分析

對于新能源汽車電池包，如果EPDM密封圈在最小和最大實體工況下均可以提供足夠的密封性能，那么EPDM密封圈在標準實體工況下更能滿足密封要求，因此對在最小和最大實體工況下EPDM密封圈進行有限元分析。通過Hypermesh軟件對電池包進行網(wǎng)格劃分和處理，通過Abaqus軟件進行后處理和分析[14-18]。

圖5示出了在最小實體工況下EPDM密封圈與溝槽應力的CAE分析結果。

從圖5可以看出，在最小實體工況下EPDM密封圈的應力仍大于1 MPa，考慮橫向公差的情況下，密封接觸面仍有1 mm寬帶的接觸量，即在最小實體工況下，EPDM密封圈的密封面具有足夠的壓應力和良好的接觸性能，EPDM密封圈可以提供足夠的密封性能。

圖6示出了在最大實體工況下EPDM密封圈與溝槽應力和應變的CAE分析結果。

從圖6可以看出，在最大實體工況下EPDM密封圈的最大應力為6.52 MPa（23 ℃），最大應變?yōu)?1%（100 ℃），均在EPDM膠料的允許范圍之內(nèi)，即在最大實體工況下EPDM密封圈的密封面具有足夠的壓應力和良好的接觸性能，EPDM密封圈在100 ℃下仍能夠提供可靠的密封性能。

4 電池包的安全性能測試

電池包固定在整車底盤，因此受汽車底部環(huán)境影響很大。汽車起火時，電池包會受強烈的明火燒烤，而下雨天氣電池包會受雨水浸蝕，因此要求電池包密封圈提供良好的密封性能，隔絕外部高溫環(huán)境和避免雨水浸入。為了驗證采用EPDM密封圈的電池包的安全性，按照GB/T 31467.3—2015對電池包進行安全性能測試，包括火燒試驗（見圖7）和海水浸泡試驗（見圖8）。

試驗結果表明：在燃燒測試后，采用EPDM密封圈的電池包無明火產(chǎn)生或者明火在2 min內(nèi)自熄滅；在海水浸泡時，采用EPDM密封圈的電池包沒有發(fā)生起火、漏電、爆炸及電解液泄漏等現(xiàn)象。因此，電池包的安全性能滿足國家標準要求。

5 結語

新能源汽車逐漸成為汽車行業(yè)的重要支撐部分，其電池包的密封圈直接影響電池包的安全性能，EPDM膠料具有良好的物理性能、抗應力松弛性能和抗壓縮變形性能，可以應用于電池包密封圈。通過CAE仿真分析，可以設計出結構強度高和密封性能良好的電池包的EPDM密封圈；電池包火燒和海水浸泡試驗結果表明，采用EPDM密封圈的電池包安全性能良好，滿足國家標準要求。