電動汽車鋁制動力電池殼體密封設計
一、鋁制動力電池殼體方案介紹
1.1 電池殼體的結構概述
電池殼體是電池模塊、電芯的重要支撐結構，通常采用箱體形式，由上蓋、下托盤和底部護板組成。近年來，集成水冷板的設計方案已經(jīng)成為主流。其中，動力電池殼體的托盤結構由邊框和水冷板組合而成。
1.2 鋁制電池殼體的結構分析及密封界面識別
1.2.1 材料
電池殼體是動力電池的主要承載結構，為了保證其結構性能，一般選用鋼、鋁合金等金屬材料作為電池殼體的主體材料。鋼板是一種制作方便、價格實惠、剛性和耐用的材料。鋁合金材料具有輕量化優(yōu)勢外，工藝優(yōu)勢明顯（擠壓工藝簡單、工裝成本低、鑄造工藝的高集成性）。
1.2.2 制造流程
從制造流程的角度出發(fā)，動力電池殼體在進入電池組裝車間之前，會完成電池殼體上蓋和電池殼體下托盤兩個主體零件的制備，部分車型的電池殼體下托盤總成中包含動力電池底護板結構。因此，動力電池的結構分析和密封界面的識別，包含這些方面：動力電池殼體上蓋的結構分析、動力電池殼體下托盤的結構分析、動力電池殼體底護板的結構分析。
1.2.3 動力電池殼體上蓋板的分析
上蓋作為動力電池的關鍵組件，一般可以分為平板式和異型式兩種，它們的結構特點也各不相同，比如SMC復合材料、鋁制或者鋼制，它們的制作過程也各有千秋。無論是何種材質(zhì)，為了減少自密封結構的復雜性，電池殼的上蓋通常采用整體式設計。此外，上蓋的開孔要求也應符合接口的要求，并且應將其獨立于密封界面，以減少對電池包密封的影響。
綜上，動力電池殼體上蓋板結構設計，應當遵循如下密封原則：
1）采用一體式零件設計，避免分件設計，確保上蓋“自密封”性能的穩(wěn)定；
2）定位孔、定位特征設計在上蓋邊緣（上蓋和下托盤密封界面外側）；
3）上蓋與下托盤密封界面，需要匹配面滿足“均勻”、“連續(xù)”的密封要求；
1.2.4 動力電池殼體下托盤的分析
下托盤作為動力電池的關鍵組件，一般可分為一體式（如鑄鋁電池托盤）、框架式（鋼制、鋁制框架電池托盤）。考慮到低成本的開發(fā)要求，鋼制、鋁型材電池殼體也具有明顯的優(yōu)勢。此外，為了確保大型電池在行駛過程中的碰撞安全，框架式電池托盤已經(jīng)成為最佳選擇。因此，建議采用擠壓鋁型材作為動力電池的框架主體結構，這樣可以大幅降低固定投資的同時，可以獲得較優(yōu)的動力電池能量密度。
綜上，動力電池殼體下托盤結構設計，應當遵循如下密封原則：
1）采用封閉截面型材進行框架的搭建，接頭處采用自密封的線性連接技術，如CMT焊接技術；
2）鋁型材拼接的電池托盤需要設計有連續(xù)的一道或多道密封膠體；
3）托盤集成水冷板的情況下，需要考慮使用膠體密封或采用自密封的線性連接技術，如FSW攪拌摩擦焊技術；
4）上蓋與下托盤密封界面，需要匹配面滿足“均勻”、“連續(xù)”的密封要求，必要時進行機加工對密封界面進行打磨處理；
1.2.5 動力電池殼體底護板的分析
底護板作為動力電池的底部保護組件，其主要作用是在車輛行駛時，防止來自外部的石擊、異物撞擊，同時兼顧電池殼保溫材料的承載結構。為了確保大型電池的安全使用，鋼制底護板是最佳選擇，其材料強度高、沖壓工藝簡單、成本低。
綜上，動力電池下托盤結構設計，應當遵循如下密封標準：
1）需要對結構進行設計，阻擋固體異物侵入底護板和動力電池之間；
2）根據(jù)保溫材料的親水性，選擇是否進行底護板的防水設計；
1.3 動力電池殼體的關鍵密封界面
綜上所述，動力電池殼體的關鍵密封界面主要包含以下方面：
1.3.1上蓋與下托盤的匹配密封界面
1.3.2 鋁型材邊框拼接過程中形成的接縫處的密封界面
1.3 鋁型材邊框與水冷板之間的密封界面
該密封界面存在兩個設計方向：
方向一，水冷板與鋁型材邊框不做集成化處理，單獨由電池組裝車間完成裝配，作為純粹的包內(nèi)零件，不參與電池殼體的密封；
方向二，水冷板集成在電池下托盤中，與鋁型材邊框形成類似于上蓋的環(huán)形密封界面，該密封界面的密封要求與電池殼體的密封要求保持一致，其差異在于，該密封界面在電池殼體制造過程中完成閉合，同時不需要考慮售后維修方便性的問題；
1.4 鋁型材了邊框/水冷板與底護板之間的密封界面
該密封界面同樣存在兩個設計方向：
方向一，水冷板不做集成處理的情況下，底護板需要與電池殼邊框形成完整的電池下托盤，該密封界面的密封要求與上蓋密封方案要求一致，可以不考慮維修方便性；
方向二，水冷板集成在電池殼體下托盤總成上，參與電池殼體的整體密封設計，此時該密封界面的密封要求與電池殼體的密封要求不一致，近需要做好防止使用過程中的異物進入即可，此外如果電池殼下部保溫棉為親水材料，需要考慮進行防水設計，密封等級參考白車身底部零件密封要求，300 mm水壓下，30 min內(nèi)無泄漏。
1.5 其它密封界面
其他密封界面主要為緊固件、機械連接件的密封界面，推薦密封原則為：減少參與密封的緊固件、機械連接件數(shù)量，無法滿足密封要求的緊固件、機械連接件通過二次開發(fā)，實現(xiàn)自帶密封圈滿足密封要求的設計。
二、鋁制動力電池殼體密封方案設計
電池殼體的材料，目前主要使用鋼板和鋁合金材料為主。綜合考慮成本、開發(fā)時間、固定投入、制造周期、設計變更的方便性等、未來電池殼體開發(fā)的可遷移性，在某項目電池殼體的實際開發(fā)過程中，選用的電池殼體的主體結構方案如下：
1）電池殼體上蓋：采用鋼板一體沖壓成型，電泳處理后交付使用；
2）電池殼體邊框及內(nèi)部橫梁/縱梁結構：采用鋁合金擠壓工藝，CMT拼接后交付使用；
3）水冷板：采用集成是水冷板方案，參與電池殼體的密封，與鋁型材邊框拼接后，交付使用；
4）底護板：采用鋼板一體沖鴨成型，電泳處理后交付使用；
5）緊固件/機械連接：緊固件靠外緣布置，不參與電池殼體密封，機械連接選用帶密封圈的FDS釘子，實現(xiàn)機械點連接的自密封。
2.1 密封方案設計一：上蓋@下托盤
上蓋和下托盤鋁型材邊框的密封界面設計是電池殼體的主要密封界面，由于電池模組、電芯、電池控制模塊等零部件的裝配要求，該密封界面無法通過結構設計進行規(guī)避，因此本文首先對該界面進行詳細的分析和密封設計。
密封設計方案如圖4所示，主要從宏觀和圍觀角度，分別進行密封設計。宏觀上，需要采用連續(xù)的、封閉的密封路徑進行密封；微觀上，本項目電池殼體開發(fā)中選用CIPG類型的密封材料進行方案設計，主要原因是CIPG類材料，具有成本低、施工方便、便于售后拆卸維修。其設計難點在于密封材料壓縮比例、螺栓間距的設計。
通過mini-pack的試驗，我們得出選用的CIPG材料的壓縮量30%～50%，螺栓間距90 mm較為適宜。
2.2 密封方案設計二：鋁型材邊框
鋁型材的密封界面的形式與拼接方案的選擇密切相關，通過與電池殼體工程師進行溝通交流，本文中描述的動力電池殼體采用的拼接方案如下，在該方案下，通過自密封的CMT線連接技術是較好的選擇。
選用CMT連接作為此密封界面的額外原因在于：一方面，可以滿足打磨平整后，由于母材存在熔深，依然具有穩(wěn)健的密封性能；另一方面，CMT連接技術的發(fā)熱量較低，可以進行連續(xù)的長線焊接，保證框架焊接后的尺寸精度。
2.3 密封方案設計三：鋁型材邊框@水冷板
水冷板的上部用于堆垛電芯或電池模組，屬于直接的防護線，因此水冷板自密封的穩(wěn)健型要求盡可能少的使用連接技術進行拼接、焊接、螺接等工藝，避免水冷板中的高壓冷卻液體直接泄漏侵入到電池包內(nèi)，導致電池發(fā)生安全問題。本體描述的某電池殼體開發(fā)過程中，水冷板上板采用一體式鋁板上下釬焊拼接的設計方案，保證高效熱傳導的基礎上，實現(xiàn)水冷板的自密封。
解決了水冷板自密封的情況下，我們需要將水冷板與鋁型材邊框進行拼接，形成完整的鋁制動力電池的下托盤結構。
2.4 密封方案設計四：鋁型材邊框@底護板
底護板的主要作用是動力電池的底部防護，一般情況下，不需要做特殊的密封處理，僅需要滿足防止固體異物的侵入即可，由于本項目實際開發(fā)過程中，電池殼體的密封由水冷板和鋁合金邊框完成，因此，底護板的不做額外的密封設計，不在本文的討論范疇內(nèi)，僅就水冷板不做密封的情況下，提供一個參考的鋁型材邊框與底護板的密封方案。
三、結論
通過對動力電池殼體密封界面深度分析，基于某項目的鋁制動力電池殼體開發(fā)，筆者提出了一種先進的整體式密封系統(tǒng)設計方案。該密封方案不僅滿足了其動力電池殼體的密封要求，還將其殼體結構設計與密封方案設計進行融合，使得本密封方案具備更高的安全性和可靠性。為了確保該密封系統(tǒng)的長期可靠性和可操作性，必須不斷改進各項細節(jié)，并持續(xù)將技術方法應用到后續(xù)各個動力電池殼體的開發(fā)項目中。
