1. 简介
随着新能源汽车的快速发展，近几年纯电动汽车已经占据汽车市场的重要地位。由于动力电池往往安装在车辆驾驶舱底部，那么如何避免动力电池进水受潮和尘土的侵入，也是动力电池厂商和整车厂的重点考虑问题。GB 38031—2020 《电动汽车用动力蓄电池安全要求》和GB/T 4208—2017 《外壳防护等级（IP代码）》中规定动力电池外壳防护等级需要达到IP67以上，即无灰尘进入并且浸入规定压力的水中经规定时间后外壳进水量不致达有害程度。
动力电池的主要密封部位是上箱体与下箱体的法兰面，密封面积大，承受的载荷也复杂多变。既要承受外界水汽和尘土的侵蚀，也要承受电池内部单体工作受热产生的气体膨胀力，同时也要避免结构产生的变形导致法兰面密封失效。
对动力电池包密封性能的检查和校核主要集中在安全性试验和生产线检查两个阶段。生产线检查是指动力电池包在完成组装，调离生产线的最后一道检验程序,一般就是充气试验。而安全性试验按照国家标准规定是指动力电池包在进行完振动耐久试验后进行水浸试验。两个试验均在生产组装之后，那么如何在设计阶段预测动力电池包密封性能？有限元仿真分析技术能够在设计初期就能给出较为精确的预估。本文主要采用 Abaqus 软件对某款动力电池包进行密封性能分析，并对其影响因素进行探究。
2. 有限元仿真模型建立
以某款动力电池为例，建立密封仿真分析模型。根据结构特征和计算效率，选取包含1 个完整螺栓间距的局部结构进行建模。
其中，按照结构特征分别采用 S3、S4 和 C3D8I 单元模拟金属等弹塑性材料结构，采用 C3D8H 单元模拟超弹性材料结构，如结构胶和密封垫等。其中密封垫由于压缩量较大，需要保证单元的质量，同时严格控制厚度方向单元尺寸，避免由于尺寸过小，在求解过程中出现单元变形过大，从而导致不收敛现象的发生。
图 1. 有限元模型示意图
3. 超弹性泡沫材料模型
目前，动力电池密封垫一般采用发泡硅胶和泡棉等材料，具有优良的绝缘性能和耐化学腐蚀性、耐水性、耐老化性等特点。
Abaqus 提供的超弹性泡沫材料模型与发泡硅胶在物理和力学性能方面具有良好的适用
性。
超弹性泡沫材料模型具有以下特点：
1) 各向同性和非线性；
2) 适用于孔隙率允许非常大体积变化的多孔固体；
3) 可弹性变形至大应变，压缩应变高达 90%；
4) 要求在分析步骤中考虑几何非线性。
超弹性泡沫材料的典型压缩力学行为是：
1) 在小应变（5%）下，超弹泡沫以线弹性方式变形；
2) 第 2 阶段是几乎恒定应力下的变形，由孔隙边缘或孔隙壁的弹性屈曲引起。
3) 最后，出现致密化区域，孔隙壁挤压在一起，导致压缩应力迅速增加。典型材料的极限压缩应变为 0.7 至 0.9。
图 2. 超弹性泡沫材料典型压缩力学性能
本文中，采用压缩试验数据和泊松比定义超弹性泡沫材料的压缩力学性能。试验数据和有限元仿真数据对比见图 3，两者之间的吻合度在 90%以上。
图 3. 试验数据和有限元仿真数据压缩力学性能对比
4. 有限元仿真结果
提取动力电池上箱体和密封垫之间的接触压力，根据用户使用条件或试验条件进行评价。该动力电池上箱体密封垫的接触压力分布见图4所示，螺栓之间接触压力变化曲线如图5所示。
图 4. 密封垫接触压力云图
图 5 螺栓间接触压力变化曲线
根据密封垫接触压力云图和螺栓间的接触压力曲线显示，接触压力随远离螺栓而下降，该动力电池包螺栓中间位置接触压力大概为螺栓边缘的70%左右。根据用户实际使用场景或试验条件，对密封性能进行判定。要求如下：
5. 动力电池上箱体密封影响因素研究
5.1 上箱体翻边结构对密封性能的影响
该动力电池上箱体采用薄钣金结构，对其边缘进行翻边冲压，可有效提高动力电池上箱体整体刚度。保持其他结构不变的基础上，验证翻边结构对动力电池上箱体密封性能的影响，模型对比如图6所示。
有限元计算结果见图 7。当前结构和计算条件下，上箱体翻边结构密封垫接触压力为无翻边结构的 1.2 倍左右。
图 6 动力电池上箱体有无翻边结构模型对比
图 6 上箱体翻边结构对螺栓间密封垫接触压力影响
5.2 上箱体压板对密封性能的影响
压板结构相当于增加动力电池上箱体法兰面厚度，也是对局部刚度和整体刚度增加的有效方法，可以有效避免由于上箱体局部平整度不足引起的密封性能下降。
有无压板结构有限元模型见图 7，计算结果见图 8。当前结构和计算条件下，上箱体有压板结构密封垫接触压力为无压板结构的 1.1 倍左右。
图 7 动力电池上箱体有无压板结构模型对比
图 8 压板结构对螺栓间密封垫接触压力影响
5.3 螺栓预紧力对密封性能的影响
动力电池上箱体螺栓在经过长时间道路颠簸或耐久试验影响，往往会出现螺栓拧紧力矩大幅度衰减的情况。经过试验统计，在完成20万公里坏路耐久试验后，动力电池上箱体大部分螺栓拧紧力矩衰减至设计值的50%左右，个别螺栓只能达到设计值的30%左右。利用Abaqus计算密封垫厚度、接触压力与螺栓预紧力之间的关系，如图9所示。
由分析结果可知，当螺栓拧紧力矩达到设计值的9%左右时，密封垫压缩量就将达到设计值。所以增加螺栓拧紧力矩对动力电池上箱体密封性能影响不大。
图 9 螺栓拧紧力矩对密封垫压缩量和接触压力影响
5.4 螺栓间距对密封性能的影响
由于螺栓作用范围有限，螺栓间距必然对密封性能具有较大影响。在相同条件下，分别计算螺栓间距：80mm、90mm、100mm、120mm、150mm和200mm，验证螺栓间距对密封性能的影响，计算结果见图10所示。
图 10 螺栓间距对密封垫接触压力影响
由有限元计算结果可以看出，随着螺栓间距的增大，密封垫接触压力逐步下降，当螺栓间距增大到原来的2.5倍时，密封垫最小接触压力为原来的65%左右。
6. 结论
Abaqus软件能够在设计初期快速进行动力电池上箱体密封性能预测，并且其超弹性泡沫材料模型能够较好的模拟发泡硅胶或泡棉密封垫的力学性能。本文采用密封垫接触压力作为密封性能评价指标，对某款动力电池上箱体密封性能进行仿真分析，同时验证了影响动力电池上箱体密封性能的影响参数，提供动力电池上箱体密封性能设计的理论依据。
1) 动力电池上箱体翻边结构能够有效改善密封性能；
2) 动力电池上箱体压板结构能够有效改善密封性能；
3) 合理的设计动力电池上箱体螺栓间距，能够有效保证上箱体的密封性能；
4) 动力电池上箱体螺栓拧紧力矩对上箱体密封性能影响不大，只要达到螺栓的保证载
荷即可。
资料来源：达索官方
