发泡硅橡胶在电池包壳体密封圈上的应用研究

李书鹏，李波

(广州汽车集团股份有限公司广汽研究院，广东广州 511434)

0 引言

电池包作为纯电动汽车的动力来源，其内部结构精密复杂，并含有大量电子元器件。根据GB 4208-2017《外壳防护等级(IP代码)》对电气设备外壳防护等级要求，电池包应满足标准中相应的防护等级。目前行业内对电池包的防护等级要求一般要达到IP67，才能保证电池包密封防水防尘，电池组不会进水而引起短路[1]。因此，电池包防水、防尘的可靠性设计就变得尤其重要。

1 电池包壳体密封圈应用方案介绍

目前市场上量产的电池包中，壳体密封圈主要有三大类，分别是橡胶密封圈类(材质主要为EPDM、SBR等)、胶黏剂类(材质主要为有机硅体系)、泡绵胶带类(材质主要为发泡硅橡胶、聚氨酯等)。各类型的成型工艺、优缺点见表1。

表1 密封圈方案对比

2 电池包壳体密封用材性能

动力电池包通常被安装在新能源汽车的底部，长期使用的工况比较苛刻，同时为了满足电池包全寿命使用的密封性、安全性及施工便利性要求，在选择密封圈材料时应主要考虑以下性能：密度、吸水率、压缩应力松弛、压缩永久变形、撕裂强度、抗拉强度和阻燃性等，对于发泡材料还需要考虑泡孔结构(闭孔、开孔或通孔)、胶黏剂材料还需考虑固化时间等。

此次选取某供应商提供的发泡硅橡胶(A牌号)开展相关实验，验证发泡硅橡胶材料相关性能，评估发泡硅橡胶应用于电池包密封圈的可行性。材料的信息见表2。

表2 材料信息

2.1 吸水率

根据ASTM D1056《Standard Specification for Flexible Cellular Materials-Sponge or Expanded Rubber》标准中规定的方法(仅使用于闭孔发泡材料)，测试发泡硅橡胶的吸水率。将试样浸入蒸馏水面以下50 mm处，降低水面压力到17 kPa，保持180 s。释放真空，恢复到大气压下保持180 s，取出试样，去除表面水分，按式(1)计算吸水率，结果见表3。

(1)

式中：W为吸水率，%；A为试验后的质量，g；B为试验前的质量，g。

表3 吸水率测试结果

2.2 压缩应力松弛

当向橡胶施加一恒定应变时，保持该应变所需的力不是恒定不变的，而是随时间的增加而降低，这种现象称为应力松弛[2]。电池包上下壳体对密封圈的最大压缩量一般不超过50%，压缩量通常为恒定值。此时，压缩应力松弛就是衡量材料长期密封性的重要指标。根据GB/T 1685-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 在常温和高温下压缩应力松弛的测定》中规定的方法，考查发泡硅橡胶在85 ℃/2 000 h加速老化的压缩应力松弛性能，按式(2)计算规定测试时间下的应力松弛，应力松弛曲线见图1，结果见表4。

(2)

式中：R(t)为应力松弛，%；F0为30 min后测量的初始作用力，N；Ft为达到规定时间t后测量的作用力，N。

图1 压缩应力松弛曲线

材料发泡硅橡胶(A牌号)测试方法GB/T 1685-2008 (A法)结果/%14.7

2.3 压缩永久变形

与压缩应力松弛相比，压缩永久变形是衡量橡胶在受不同压缩量的时候，抵抗永久变形的能力。压缩量大小直接影响密封圈的密封性：压缩量过小，则会引起泄漏；压缩量过大，则容易发生永久变形。因此，通过考察材料的压缩永久变形，对密封圈设计时压缩量的选取有着重要意义。根据ASTM D1056《Standard Specification for Flexible Cellular Materials-Sponge or Expanded Rubber》中规定的方法，测试材料的压缩变形。由于密封圈的厚度定义一般在5 mm，此次测试选取的材料厚度也是5 mm，压缩量选取50%，条件选取85 ℃/2 000 h进行加速测试，按式(3)计算规定测试时间的压缩变形，结果见表5。

(3)

式中：C为压缩变形，%；t0为初始厚度，mm；t1为压缩后恢复厚度，mm；ts为限位块厚度，mm。

表5 发泡硅橡胶(A牌号)压缩永久变形测试结果

2.4 其他性能

吸水率、压缩应力松弛和压缩永久变形是衡量材料密封性的3个重要指标，然而对于电池包壳体密封圈而言，除了对密封性有要求外，对密封圈的安装便利性(可反复拆装)、阻燃性及环境适应性等也有要求。

对于较大尺寸的密封圈，在安装施工过程中，尤其需要反复拆装时，要求材料具有良好的抗撕裂强度。然而对于发泡硅橡胶材料，由于其本身强度较低，抗拉强度一般在0.3～0.6 MPa，因此，考虑到施工操作时，需要发泡硅胶的抗撕裂强度大于拆装时泡绵与壳体的粘接力，以免在拆装时泡绵本体被撕裂影响装配。

此外，动力电池包的防火设计也至关重要，阻燃等级要求较高，目前行业内常见的要求一般要达到V-0的阻燃等级。密封圈作为电池包部件之一，也必须满足V-0的阻燃等级。与烃类橡胶相比，硅橡胶极限氧指数较高，燃烧速度慢，本身就是一种优质的阻燃材料[3]。因此，对发泡硅橡胶进行阻燃处理后，根据UL94《Test for Flammability of Plastic Materials for Parts

in Devices and Appliances》中规定方法测试，发泡硅橡胶(A牌号)满足V-0的阻燃要求。

3 结束语

发泡硅橡胶既具有硅橡胶耐热、耐寒及阻燃优良的特性，又具有海绵的固有弹性[4]。选取某供应商A牌号的发泡硅橡胶，通过测试材料的吸水率、压缩应力松弛、压缩永久变形、抗撕裂强度及阻燃特性得出：发泡硅橡胶具有较低的吸水性、优异的压缩应力松弛及抵抗永久变形的能力，可作为电池包密封圈选材之一。

然而电池包的密封性不仅与材料有关，还与密封的结构设计有着密切的关系。因此，一个好的密封方案，不仅需要匹配合适的材料，也需要搭配合适的结构设计。电池包的密封也是行业内一直在研究的课题，只有不断地尝试、创新，才能找到最优的解决方案，带动行业的发展。

参考文献:

[1]李东锋，金利芳.纯电动汽车电池包密封结构研究[C]//第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集.许昌：河南省汽车工程学会，2012：312.

[2]全国橡胶与橡胶制品标准化技术委员会橡胶物理和化学试验方法分会.硫化橡胶或热塑性橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定:GB/T 1685-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]韦震宇，邹华，张立群，等.硅橡胶阻燃及成炭性能研究[J].特种橡胶制品，2011，32(2)：15-20.

WEI Z Y,ZOU H,ZHANG L Q,et al.Research on Flame Retardance and Charring of Silicone Rubber[J].Special Purpose Rubber Products,2011，32(2)：15-20.

[4]赵红娟.发泡硅橡胶胶料[J].橡胶参考资料，2002，32(1)：13-16.