一文看懂-动力电池包液冷板及电池包的气密性测试标准

文摘   2025-01-12 21:31   江苏  

液冷板通常由一些薄片状的铝合金散热片通过嵌套或焊接等方式组成,其内部也会设置一些导流型内部通道,用于导流流体冷却介质以带走热量。


液冷板在出厂前需进行严格的气密性检测,来确保散热效果与耐用性。下文小编就带大家详细了解液冷板的气密性检测。




一、液冷板气密性检测方法


01
压力法

又称为降压法、气检法。通常有直压气密检测、差压气密性检测等多种检测方式,根据不同的产品需求来选择检测方式,动力电池液冷板气密性测试通常采用直压检测方式进行。


这种方法需要按照检测需求,把特定压力的气体注入液冷板部件,通过保压观察工件内部压力变化的大小,进而判断液冷板工件是否存在泄漏;观察其保压情况,如果保压能力超过标准,则液冷板气密性能较好-公众号-新能源电池包技术-。



02
浸泡法

又称水检,将待检的液冷板浸入水中,然后观察是否有气泡产生,如有气泡,说明液冷板有漏洞,不符合检测标准。

03
氢检漏法

在检测之前,准备一个装水的容器,将容器内的水加压处理,使容器的水压前后差值在5~10MPa之间,再将液冷板的输出口,放置在加压容器的水面下,如液冷板发生泄漏,那么输出口处的氢气就会被水吸收,而水里的氢气用检测仪器进行检测,就能定位液冷板泄漏点的位置。

04
热循环法

这种方法是先将液冷板放于低温环境中,然后快速加热到高温环境,观察液冷板是否有变形或产生漏洞的情况,如存在,则说明液冷板气密性不佳。


二、水冷板测试要求


测试压力:200kpa-250kpa  标准:测试30秒 <100pa,IP67


三、气密性试验的介绍

气密性试验是验证容器气密性的检测方式,又称密封性测试或者防水测试。是为防止压力容器发生泄漏,从而采用的以气体为加压介质的致密性试验。气密性试验必须在液压试验合格才能进行,根据装置不同,检验的方法也会有区别。


在选择与准备检测的过程中,还需掌握一些原则,比装置内的液体要构成一个封闭的环境,这样就能够改变温度,也可以导致压力的强度出现变化,通过这个变化就可以有效判断气密性好坏。



一般来说,电池厂商和整车厂商对电池包都要求达到IP67等级及以上,这便对电池包防水性的技术有很高的要求。因此,电池包在设计之初就要考虑一项重要性能——电池气密性,以达到能够通过浸水实验


一、影响电池包气密性的因素


1.1碳素钢钣金箱体

一般而言,碳素钢钣金箱体采用钣金冲压成零部件后,直接进行拼接,再进行点焊成型。在焊接时,首先要控制焊接电流大小,防止焊穿或漏焊。

其次,在箱体焊接成型后,要进行整形处理,特别是要求箱体密封面平整、无毛刺。再次,是要保持接插件安装面的漆膜表面粗糙度。

1.2铝合金型材箱体

采用“铝型材挤压成型+搅拌摩擦焊+冷金属过渡(CMT)补焊”的工艺是目前比较通用的做法。具体控制要点如下:

首先须防止焊穿、偏缝、CMT漏焊。

其次,在进行搅拌摩擦焊时,刀具与箱体底板接触会产生大量热量,引起箱体的变形,使得后期在进行装配时,箱盖压紧密封垫,密封垫局部受压不均匀,从而形成不同的压缩变形率。-公众号-新能源电池包技术-当电池包内外产生压差时,会产生漏气现象。为保证良好的焊接质量,减少变形及焊接缺陷,搅拌摩擦焊的建议参数为1600~1800r/min,走速为800~1000mm/min。 

再次是CMT补焊,当搅拌摩擦焊下线后,一般要采用手工补焊的方式进行加焊,在可能漏气或者焊接不良的位置适当满焊,特别是在箱体密封面边框结合部位,此部位一般厚度为2mm。由于铝合金材质本身的特性,焊接电流过小时熔焊深度不够,容易产生虚焊;焊接电流过大时,薄板位置又容易产生开裂和穿焊。

为了保证焊接强度,往往需要在接缝处堆焊,高度一般≤2.5mm。然而,堆高的焊缝会在焊缝与法兰面之间产生不规则角度及缝隙。在装配环节,当箱盖压缩密封垫时,密封垫会受到不同的挤压应力,需要对焊缝进行打磨处理,形成最佳圆弧过渡形状。在装配时,密封垫受力变形,可将焊缝周边位置进行填充,起到良好的密封效果。装配示意图如图2和图3所示。


密封垫压紧前的装配示意图

密封垫压紧前的装配示意图

另外,除了要调整好搅拌摩擦焊的工艺参数外,还要制作精良的焊装夹具,以减小焊接变形,降低焊接缺陷的产生。


1.3铝压铸箱体

铝压铸箱体可以一体成型,改善要点主要针对合金材质,防止有“砂眼”、夹渣等制造缺陷。此外,铝压铸箱体对密封条安装面的平面度和精度要求较高,需要对安装平面进行精加工处理。铝压铸箱体一般适用于小型电池包。当电池箱尺寸较大时,可以增加拼焊工艺来弥补。这类箱体可以很好地满足IP67标准要求,但铸造箱体受模具及工艺条件和自身质量等因素的限制,对于大型电池包,需从轻量化及工艺实现的角度去具体考量。

1.4密封垫

密封垫对整包的气密性起决定性作用,材质要具备阻燃性能,并符合汽车行业禁用物质的标准要求,同时要避免永久变形。密封垫材料可使用硅胶泡棉。在设计时需要综合考虑压缩率与永久变形率的关系。选用合适的压缩率的同时,密封垫的宽度要尽可能的覆盖住整个箱体密封面。

1.5电池箱盖

根据不同的制造成型工艺,电池箱盖产品的韧性及强度差别很大。在电池包封盖安装时,容易造成受力不均而开裂,从而影响电池包的气密性。在改善设计时,需要根据电池包的使用环境和具体要求进行匹配。-公众号-新能源电池包技术-例如:SMC电池箱盖可以增大箱盖法兰边与立面的圆角半径,优化纤维分布位置,以降低开裂风险。

1.6电气接插件

电气接插件的质量优劣与电池包气密性的关系最为密切。电气接插件的改善要点主要是接插件自身的密封性,特别是插针位置要有密封设计,接插件安装面的平面度、O型密封圈的永久变形性等方面,这些因素都会直接或间接影响电池包的气密性。

1.7防爆透气阀

防爆透气阀作为电池包的安全部件,具有内部排气和外部密封的双重作用。其气密性要求与电气接插件类似,但要求防爆透气阀的使用寿命应满足电池包的整个生命周期。因此,在设计改善时,除充分考虑其密封性外,对使用寿命也有较高的要求。


二、电池Pack包一体化气密性检测方案


在检测电池包气密性的过程中,需要关注到5个重要参数:充气气压、充气时间、稳压气压、稳压时间、泄漏率(如小于100Pa即使用泄漏时间)。

锂电池Pack包待测部分如下图所示

一是直冷板/液冷板管件气密性检测,

液冷板测试压力250-400KPa,直冷板测试压力1-2MPA。

二是锂电池包体气密性检测,

检测托盘框体与上盖组装后气密性,锂电池包体整包测试压力0-10Kpa

直冷板/液冷板气密性检测时需要高压检测,电池包体需要低压检测,以往的检测方案要配备高低压两套不同量程的气密性检测设备,分别对直冷板/液冷板、电池包整体进行测试,设备成本与管理成本成倍增加;且以前的技术,加压充气慢,效率相对低下。创新解决方案如海瑞思推出的锂电池Pack包一体化气密性检测系统,如下图所示,系统构成为加压气泵+一体化气密性检测仪+快速连接器。-公众号-新能源电池包技术-测试量程0-2MPA,集成了高低压检测功能,可满足直冷板/液冷板管件和电池包整体的测试压力需求,一台设备即可轻松应对整个电池Pack包的气密性检测。


锂电池Pack包一体化气密性检测系统


气密检测标准制定

IP68防护等级中IP是Ingress Protection的缩写,第一个数字是固态防护等级,6表示无尘埃进入,第二个数字是液态防护等级,8表示进入规定的压力水中经规定时间后外壳进水量不致达到有害程度,IP68对动力电池检测标准条件为测试件处在水深1m,沉水1h,通过标准为内部无水进入。

IP68沉水测试的方法耗时较长,对动力电池具有破坏性,且具有一定的安全风险,不适合作为动力电池的下线检测。目前各大主机厂和电池厂均使用气密检测来保证动力电池满足IP68的要求,目前国内大部分主机厂和电池厂使用压降法来检测动力电池的密封性,压降法优点是只需干净的压缩气源,测试成本低、操作简单、设备成本低廉和效率高;缺点是压降法与动力电池内部的空间体积有很大关系,对于不同的电池系统压降法允许的压降值不同。

需要设定合适的气密检测标准才能满足IP68的要求,气密检测标准的制定需压降值与泄漏率的关系,以及孔径与漏水的关系等。在第19届世界无损检测大会上Rudolf等针对汽车孔径和泄露量的关系研究中表明,当孔径直径≈0.01mm时,在100s内,100kPa的压差下,漏气量≈1cm3。
实验验证的目的是验证孔径的大小和数量与漏水的关系,物料状态如表1。
测试件准备:
(1)将微孔板用密封胶粘接在型材的一端,将板端向下防止在装平台上,板中部悬空;
(2)向管内注入纯净水至1m高度位置(模拟水下1m压力状态);
4个试件注入水后在工装平台上静置1h,观察其渗漏和低落情况,试验结果见表2。
 
通过上述结果得知,当有6个直径为0.01mm的小孔时,无水滴落,此时的状态满足IP68的要求。
通过上述Rudolf等的研究[得知,此时允许的气体泄漏量为6cm3/100s@100kPa。水深1m处的压力值为10kPa,根据同一气体测试压与泄露量之比的关系如式(1)。
得出此时允许的泄露率约为:90cm3/100s@10kPa,即54cm3/min@10kPa,即要在保证动力电池满足IP68的要求,流量法检测气密时需泄漏率小于54cm3/min@10kPa。
同时根据理想气体计算公式:
p×V=N×K×T(2)
(p-∆p)×V=(N-∆p)×K×T(3)
(Q1/60)×t×patm=∆N×K×!(4)
Q1=(60×V×∆p/t)/patm(5)
∆p=Q1×patm×t/(60×V)(6)
式中,p为测试压力;V为气体体积;∆p为压力损失;∆N分子量的泄漏;patm为大气压力;N为分子量;Q为泄漏率。

根据理想气体的计算公式,计算压差与泄露量的关系,见表3。以动力电池内部体积85L,检测时间1min,测试压力10kPa为例,此时计算出的允许的压差泄露量为64.37Pa,但目前各大主机厂动力电池下线检测压力为5kPa,此时允许的泄露率为32.19Pa/min@5kPa。


3气密检测标准验证

基于北汽新能源某款动力电池进行气密性验证,此款动力电池包内体积为85L,下线测试压力为5kPa,完全符合表3条件。
测试方法:
(1)按照动力电池气密检测标准完成对动力电池的气密检测,记录气密检测值;
(2)以封堵工装对动力电池对外接口进行封堵,封装工装贴近于实际整车状态;
(3)以IP68对动力电池进行沉水试验,记录试验状态;
(4)从水中取出电池包,擦拭动力电池外包络,避免外部水分进入动力电池内部;
(5)拆开动力电池进行观察,记录动力电池内部是否有水进入。
试验结果见表4。

4结论

当小孔的直径≤0.01mm时,且同一区域的小孔数量≤6个时,动力电池可以满足IP68的要求;
相同试验条件下,随着充气压力的增加,允许的最大泄漏量增加;
当最大泄漏量一定时,动力电池内部的体积越大,允许的压差值越小;
为保证动力电气满足IP68的要求,动力电池气密测试时最大泄露率≤27cm3/min@5kPa,根据测试压力不同,需相应改变泄露量的值;
电池系统内部空间确定好后,根据理想气体计算公式可以计算出允许泄露的压差值;
动力电池的密封性与箱体结构有较大关系,理论计算出最大允许泄露量后仍需进行沉水验证。
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