作者：唐纳森集成式防水透气解决方案产品开发经理Jake Sanders
随着电动汽车和混合动力汽车不断普及，锂离子电池在汽车行业中扮演着越来越关键的角色。 可充电电池可在单位体积内能提供高能量比，并且可以高效地安装到动力车辆的电池包中。 与家用电子设备中使用的小型锂离子电池不同，车用锂离子电池需要强劲的保护以免受恶劣外部条件的影响，并需适当透气以适应温度和压力波动。
两级外壳保护防水透气产品已被证明能够满足汽车电池的众多需求。 第一级防水透气产品可平衡压力，同时防止水和污染物的侵入。 在压力和热量快速累积的情况下，第二级防水透气产品完全打开以便膨胀气体逸出，防止对剩余电池造成进一步损坏。 在大多数情况下，单个防水透气组件均可实现这两个功能。
外壳为何需要防水透气保护
电池外壳通常为密封的金属外壳或塑料外壳，旨在保护电池免受灰尘、碎屑和湿气的影响，如雨、雪和洗车喷剂。 这些元件中的任何一个都可能会损坏电池和附带的电子元件，因此受到有效保护的电池包可以防止可能有害的物质损害电池。 如图1所示，电动汽车电池包的几个模组内可能包含数百个电池。
除了要防止污染物侵入，电池外壳还需要应对外壳内部与周围大气之间的压差。 由于环境温度的变化、电池产生的热量和周边压差，车辆在正常运行期间的压差可能会波动很大。 就像汽车乘客在穿越山区时可能会经历“耳朵爆裂”一样，电池包随着高度变化也会经历类似的压力波动。
为了防止电池包外壳的坍塌或损坏，必须让电池包透气以平衡内部和外部压力，同时释放通常称为“热失控”的由快速压力累积而产生的气体。 无论是渐变还是突变，压力聚积都会对密封件造成压力，导致泄漏和潜在爆炸。
通过观察汽车锂离子电池的内部构造，可以更好地理解防水透气产生的具体影响。 电池包通常由两个不同部分固定在一起，通过垫圈密封连接。 如果外壳不能充分防水透气，则在出现多次小幅度压差后，可能会发生泄漏。 因为电动汽车制造商有时会提供八年的保修，因此电池包的预期寿命至少也需要这么长。 合理的防水透气产品可减少密封件受到压差的次数和严重程度，从而延长密封件和外壳的预期使用寿命。
第一级防水透气产品
第一级防水透气产品，也称为被动型防水透气产品，通常依靠膨体聚四氟乙烯(ePTFE)防水透气膜实现压力平衡，同时还能防止污染物进入外壳。如图2所示，ePTFE膜在肉眼看来是不透明的，并且可针对水、灰尘、溶剂和其他污染物提供的防尘防水保护。 然而，膜中的亚微米开口可让气体通过，从而实现压力平衡。
根据预期面临的污染物类型，防水透气产品可以设计为针对异物和/或湿气提供不同程度的防护。 典型的电池外壳设计可针对灰尘、浸没和高压喷水提供有效防护，并在高达690mbar的压力下阻隔水分。
图 3 显示经过第一级防水透气产品时压差减小的情况。 将电池外壳置于温度在60分钟内上升50°C摄氏度的环境中，大致模拟寒冷天里启动汽车并以高速行驶的情形，在这期间外壳会在不透气的情况下经受高达180mbar的压差。 带有50毫米直径防水透气产品组件的外壳会经受小于10毫巴的压差。
第二级防水透气产品
第一级防水透气产品在处理渐变压力时，可能无法处理热失控情况中快速形成的突变压力。 而第二级防水透气产品，也称为主动型防水透气产品，旨在处理此类情况，即防水透气阀完全打开，让快速膨胀的气体以受控的方式逸出，防止进一步损坏剩余的电池，并避免电池包自身失控爆炸。
第二级防水透气产品通常具有可与ePTFE膜集成的机械特征，在热散逸期间，即气体以一定速率膨胀而ePTFE材料无法被动平衡压差时，可实现快速排气。 从本质上讲，在所产生的气体快速增加和温度迅速升高的情况下，防水透气产品可以防止电池外壳在热散逸期间承受的压力超出会导致灾难性故障的压力值。
图 4显示被动与主动联合防水透气系统如何防止外壳破裂。 在1500mbar压力下会破裂的外壳可以配备在500mbar压力下开启的主动型防水透气系统。 该联合系统将压差限制在大约750mbar，远低于破裂压力。 如果不透气，外壳就会很快破裂。
在添加第二级防水透气产品时，设计师必须考虑气体释放的速度以及防水透气产品完全打开时的压力。 然后必须将防水透气产品设计成将压力保持在低于爆炸压力，即外壳在破裂之前可以承受的最大压力。
另一个设计考虑因素是外壳可能发生塑性变形的压力 - 可导致形状发生不可逆转变化的压力。 这种压力会对外壳造成超出预期的损坏，但不一定造成安全问题。 对于金属外壳，塑性变形发生在比爆炸压力低得多的压力下。 对于塑料外壳，塑性变形发生在更接近爆炸压力的压力下。 因此，合理的透气设计应考虑材料外壳的差异。
当发生热失控时，需要维修和/或更换电池。 第二级防水透气产品注重的不是电池寿命，而是安全性。 气体需要透气以减少热量，逐渐扩散有害化学物质以避免高浓度烟雾，并避免可能导致爆炸的飞散碎屑。
摘要/结论
随着锂离子电池成为电动汽车的主要动力手段，合理的防水透气变得至关重要。 设计合理的防水透气系统可在正常工作条件下提供对污染物的防护以及保持压力平衡，从而实现更持久的外壳和电池寿命周期。 在极少数情况下，当电池着火时，而湿气和碎屑防护不是首要考虑因素时，透气系统必须也能够立即释放压力，以避免可能发生的爆炸和其他灾难性后果。 采用两级防水透气系统是满足各种汽车防水透气需求的关键所在。
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