王慧敏，黃 河，劉進(jìn)程，張 彪

(1.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412000；2.長沙中車智馭新能源科技有限公司，長沙 410000)

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，其安全性、穩(wěn)定性一直備受關(guān)注，研發(fā)高安全、長壽命、高性能的動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。防水透氣閥作為維護(hù)內(nèi)部環(huán)境清潔、保持內(nèi)外氣壓平衡的零部件，廣泛應(yīng)用于汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)車用動(dòng)力電池箱時(shí)，防水透氣閥已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，以預(yù)防車輛在使用工況中受雨水、粉塵、油污以及高低溫的影響[1-2]，為電池系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作提供保障。

1 防水透氣閥工作原理

防水透氣閥是通過注塑、焊接、粘結(jié)、熱熔等工藝手段將透氣膜材與閥體結(jié)合在一起形成的一種可裝配、可拆卸的防護(hù)組件,一般在動(dòng)力電池箱箱體側(cè)壁或箱蓋上開設(shè)安裝孔，用螺栓將防水透氣閥(圖1中虛框部分)安裝在電池箱的側(cè)壁或箱蓋上，如圖1所示。電池箱體內(nèi)外氣體在壓差的作用下，通過閥體氣體通道，穿過透氣膜材，進(jìn)行氣體補(bǔ)償，保持電池箱內(nèi)外氣體壓力平衡。

圖1 防水透氣閥工作原理

透氣膜材是防水透氣閥的核心組成部分，汽車動(dòng)力電池用防水透氣閥的透氣膜材多選用膨體聚四氟乙烯(E-PTFE)，其具備良好的耐候性、耐化學(xué)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、疏油性等，廣泛應(yīng)用于防水透氣領(lǐng)域[3-5]。E-PTFE膜材具有密致的微孔結(jié)構(gòu)，孔徑在0.1～10 μm之間，空氣分子直徑僅有0.000 4 μm，可自由通過膜材；而雨水分子直徑為400 μm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜材孔徑，再加上E-PTFE膜材表面能很低，表面張力使其附著的水滴變形成較大水珠，雨水無法潤濕和滲透膜材[6-7]。因此，使用該材料的防水透氣閥具備良好的防水透氣性能，還能有效阻隔油污、灰塵等污染物質(zhì)，保證汽車動(dòng)力電池密封性，為電池內(nèi)部提供良好、穩(wěn)定的工作環(huán)境，保障電池穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[8-9]。

2 防水透氣閥分類及功能

2.1 防水透氣閥分類

1)防水透氣閥按照有無閥體，可分為有閥體型和無閥體型兩種。有閥體型防水透氣閥(如圖1所示)將透氣膜材固定在閥體上，再將閥體安裝在電池箱側(cè)壁或箱蓋開孔處。根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)、形式不同，安裝方式可靈活多樣，便于后期維護(hù)和更換。更可根據(jù)使用需求定向開發(fā)閥體，增強(qiáng)適用性。無閥體型防水透氣閥是直接將透氣膜材粘結(jié)或焊接在電池箱側(cè)壁或箱蓋開孔處，相比之下成本大大降低，但結(jié)構(gòu)形式單一，對后期維護(hù)、更換的技術(shù)要求較高。

2)防水透氣閥按照閥體材質(zhì)不同可分為金屬型和非金屬型兩種。金屬型包括銅合金型、不銹鋼型、鋁合金型等，非金屬型多為塑料型、硅膠型。不同材料類型可滿足不同使用條件對性能、成本以及材質(zhì)的不同需求。

3)防水透氣閥按照透氣膜材與閥體的連接形式可分為注塑型、焊接型、過盈配合型以及粘結(jié)型。注塑型防水透氣閥是將透氣膜材在閥體內(nèi)直接注塑成型，一體性好、工藝要求較高，適合塑料材質(zhì)閥體結(jié)構(gòu)。焊接型防水透氣閥是將透氣膜材焊接在閥體結(jié)構(gòu)上，常用的焊接方式包括熱壓焊、超聲焊和激光焊。其中熱壓焊比較常見，設(shè)備簡單、易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，主要用于非金屬型閥體的防水透氣閥焊接；超聲焊、激光焊對設(shè)備投入要求較高，焊接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，主要用于金屬型閥體的防水透氣閥焊接[10]。粘結(jié)型防水透氣閥通常在透氣膜材一側(cè)部分區(qū)域有背膠，可將其粘貼在閥體上或者直接粘貼在電池箱壁，成本較低，但附加防護(hù)及后期維護(hù)要求較高。過盈配合型防水透氣閥直接將透氣膜材預(yù)粘貼在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上，再整體壓入過盈配合的外圈內(nèi)，將膜材壓固在內(nèi)外圈之間，主要用于金屬型閥體的防水透氣閥。

4)防水透氣閥按照氣體流動(dòng)方向可分為單向型和雙向型兩種。單向型防水透氣閥是在透氣膜的一側(cè)安裝單向閥門，當(dāng)氣壓超過閥門開啟壓力時(shí)，推動(dòng)閥門開啟，氣體單方向流動(dòng)；當(dāng)壓力小于閥門開啟壓力時(shí)，閥門關(guān)閉，切斷氣體流動(dòng)通道；常用單向型防水透氣閥的單向閥門向箱外開啟，因此氣體只能由箱內(nèi)向箱外流動(dòng)，減少外部水汽的進(jìn)入。雙向型防水透氣閥又分為無閥門式和雙向閥門式兩種，無閥門式防水透氣閥的氣體可自由通過隔膜材料；雙向閥門式設(shè)有兩個(gè)單向閥門，可單獨(dú)設(shè)置兩個(gè)方向閥門的開啟壓力。

5)防水透氣閥按照安裝連接方式不同主要分為螺紋型、壓入型、卡扣型和紐扣型等，不同連接方式可滿足不同安裝位置的不同要求，提升產(chǎn)品適用范圍。

2.2 防水透氣閥功能

常規(guī)防水透氣閥具備防水、透氣、防油、防灰的功能，在起到防護(hù)作用的同時(shí)，平衡電池箱內(nèi)外部壓力，保護(hù)內(nèi)部元器件，所以也叫平衡閥。平衡閥的透氣膜材一般厚度較厚、韌性較強(qiáng)，能承受較大壓力而不發(fā)生損壞。

針對汽車動(dòng)力電池內(nèi)部電芯發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，在常規(guī)防水透氣閥的基礎(chǔ)上開發(fā)出了具有爆破或開啟功能的防爆閥。其在電池箱正常工作時(shí)起到防水透氣作用，當(dāng)電池箱內(nèi)部電芯發(fā)生熱失控或熱擴(kuò)展，釋放出大量氣體而導(dǎo)致電池箱內(nèi)部氣壓迅速升高時(shí)，其隔膜爆破或開啟，定向快速打開泄壓通道，防止電池箱箱體及電池發(fā)生爆炸[11]。

1)采用爆破方式泄壓的防爆閥為一次性防爆閥，常用頂針結(jié)構(gòu)，內(nèi)部氣壓迅速升高時(shí)，其頂針將內(nèi)部膨脹的膜材刺破，形成泄壓通道。爆破后電池包需要更換防爆閥。

2)采用開啟方式泄壓的防爆閥為重復(fù)性防爆閥，常見結(jié)構(gòu)為彈簧壓力型和膜材彈性擴(kuò)張型。當(dāng)內(nèi)部壓力迅速升高時(shí)，其彈簧受壓開啟閥門或彈性膜材受壓彈性擴(kuò)張產(chǎn)生間隙，形成泄壓通道。待電池內(nèi)部壓力降低后，彈簧或彈性膜材恢復(fù)原狀，泄壓通道關(guān)閉。此類防爆閥可重復(fù)使用。

3 防水透氣閥在汽車動(dòng)力電池上的應(yīng)用

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池配置防水透氣閥可以提升汽車動(dòng)力電池使用的安全性和使用壽命。如果采用高能量密度的三元體系電芯，從安全性方面考慮，通常會選用具有定向快速泄壓功能的防爆閥；如果采用磷酸鐵鋰電芯，由于其自身熱穩(wěn)定性高，加上成本因素制約，多選用普通防水透氣閥。

在防護(hù)等級上，汽車用防水透氣閥通常選擇IP67及以上防護(hù)等級產(chǎn)品，如IP67、IP68。若考慮洗車時(shí)高壓水槍誤作用的影響，可再增加IP6K9K等級要求。

在使用數(shù)量上，單個(gè)電池箱通常配置一個(gè)防水透氣閥，其閥體大小及透氣速率需根據(jù)電池內(nèi)部凈空氣體積進(jìn)行計(jì)算和選擇。過多的防水透氣閥對整體防護(hù)作用的提升效果不明顯，并且會增加失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。因此，單個(gè)電池箱通常只配置一個(gè)防水透氣閥。

在品牌選擇上，國內(nèi)主要有沃瑞、蒲微、泛亞等，涉及各類防水透氣閥，產(chǎn)品型譜較完善，其中沃瑞以頂針一次性防爆閥為主，蒲微以彈簧重復(fù)型防爆閥為主；國外品牌主要有戈?duì)柡吞萍{森，兩家企業(yè)在隔膜材料研發(fā)和防水透氣產(chǎn)品應(yīng)用上都有悠久歷史，但對于動(dòng)力電池防水透氣閥產(chǎn)品的研發(fā)起步較晚，現(xiàn)各有幾款產(chǎn)品在推廣應(yīng)用。

4 防水透氣閥發(fā)展趨勢

防水透氣閥作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的重要防護(hù)部件，對其功能和性能的要求將不斷提高，其主要發(fā)展趨勢如下：

1)研發(fā)低爆破/低開啟壓力防爆閥。傳統(tǒng)防爆閥受透氣膜結(jié)構(gòu)和工藝限制，爆破或開啟壓力較高，多在20～40 kPa之間，主要應(yīng)用在高強(qiáng)度金屬材質(zhì)的電池箱上。隨著新材料、新技術(shù)的不斷應(yīng)用，對輕量化要求不斷提升，電池箱箱體結(jié)構(gòu)部件可采用高分子復(fù)合材料制作，因此需要防爆閥在低于復(fù)合材料一定變形壓力下就開始動(dòng)作，以達(dá)到保護(hù)箱體零部件的作用。另一方面，電池內(nèi)部集成的敏感元件也容易受到高壓力損壞。因此研發(fā)低爆破/低開啟壓力的防爆閥，對于保護(hù)電池箱內(nèi)外部元件、有效發(fā)揮防爆閥功用具有重要意義。

2)研發(fā)可實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)的防水透氣閥。傳統(tǒng)防水透氣閥多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，依靠透氣膜材自身物理性能發(fā)揮防水透氣功能，防水透氣閥狀態(tài)不可監(jiān)控。當(dāng)尖銳異物刺破隔膜或者彈簧長久受力發(fā)生松弛時(shí)，防水透氣閥損壞，此處變?yōu)槌ㄩ_式通道，外界水、灰塵、油污等有害物質(zhì)將進(jìn)入電池箱內(nèi)部，對電芯的工作環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，甚至引發(fā)安全事故。因此，研發(fā)能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)的防水透氣閥尤其重要，當(dāng)監(jiān)測到閥受損時(shí)可發(fā)出信號提醒駕駛員及時(shí)更換，持續(xù)保護(hù)電池箱內(nèi)部電芯工作環(huán)境。

3)研發(fā)主動(dòng)消除電池內(nèi)部凝露的防水透氣閥。凝露現(xiàn)象一直是困擾防水透氣閥應(yīng)用的重要問題。透氣膜材可有效阻隔液體，但不能阻止水汽分子的進(jìn)入，因此，隨著電池溫度的不斷變化，水汽凝結(jié)在電池箱內(nèi)部[12]。特別是內(nèi)部設(shè)計(jì)有液冷板的電池箱，冷卻液溫度低，內(nèi)部水汽在液冷板表面凝結(jié)成水珠，不斷積累，對內(nèi)部用電安全造成嚴(yán)重威脅。防水透氣閥廠家在消除凝露上做過很多嘗試，如在電池箱內(nèi)安裝干燥盒、設(shè)計(jì)電池箱內(nèi)部負(fù)壓以減少水汽進(jìn)入等，但效果甚微，而且前者需要經(jīng)常更換干燥盒，提高了維護(hù)檢修的難度。研發(fā)主動(dòng)消除水汽的產(chǎn)品，在水汽通過隔膜材料進(jìn)入電池之前就把它消除干凈是防水透氣閥的另一個(gè)發(fā)展方向。

4)研發(fā)平衡和防爆各司其職的防水透氣閥。電池箱有定向快速泄壓需求時(shí)，一般會選用防爆閥，如沒有定向泄壓需求，一般會選用平衡閥。二者在膜材厚度、孔徑尺寸等方面?zhèn)戎攸c(diǎn)不同，前者要求膜材厚度薄、孔徑大、容易刺破；后者要求膜材厚度厚、孔徑適中、韌性強(qiáng)能承受較大壓力而不損壞，在平衡與防爆兩種功能之間進(jìn)行折中考量，進(jìn)而限制了各個(gè)功能的作用效果。因此，防水透氣閥發(fā)展的另一個(gè)方向就是將防爆閥和平衡閥分開布置，將兩種不同膜材集成在同一個(gè)閥體上，使平衡和防爆的作用都得以充分發(fā)揮。

5 結(jié)束語

防水透氣閥可靠穩(wěn)定的防護(hù)功能使其在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著防水透氣技術(shù)的不斷升級，性能穩(wěn)定、功能完備的產(chǎn)品一定會得到市場越來越廣泛的認(rèn)可和推廣。