基于氦氣質譜法的動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統

摘要：根據動力電池包熱管理模塊密封性檢測要求，提出一種基于氦氣質譜法的動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統。為避免氦氣泄露污染，先利用低氦進行大漏粗檢，再利用氦氣進行精檢；通過氦氣回收和氮氣清掃等工藝，降低檢測成本，提高檢測可靠性；采用雙真空箱交替工作模式，提高檢測效率。經實驗驗證，最小檢測漏率小于1.5×10-6 mbar·L/s，滿足動力電池包熱管理模塊密封性檢測要求。

關鍵詞：氦氣質譜法；泄漏檢測；電池包熱管理模塊；真空箱

中圖分類號：TB42" " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：1674-2605（2024）02-0008-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.02.008

Sealing Detection System for Thermal Management Module of" " " " " " " Power Battery Pack Based on Helium Mass Spectrometry

ZHANG Rufeng1" TANG Luxin2" WANG Yonghuang1" YU Dichao1" " " " " " " " " JIANG Dezhi1" LI Bo1" MA Zhenhua1

（1.Upton Automation Systems （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510530， China

2.Guangzhou Institute of Science and Technology/Guangdong Industrial Robot Integration and" " " " Application Engineering Technology Research Center， Guangzhou 510540， China）

Abstract： According to the sealing inspection requirements of the thermal management module of the power battery pack， a sealing inspection system for the thermal management module of the power battery pack based on helium mass spectrometry is proposed. To avoid helium leakage pollution， first use low helium for large leakage rough inspection， and then use helium for fine inspection; By using processes such as helium recovery and nitrogen cleaning， the cost of testing is reduced and the reliability of testing is improved; Adopting a dual true empty box alternating working mode to improve detection efficiency. Through experimental verification， the minimum detection leakage rate is less than 1.5×10-6 mbar·L/s， which meets the sealing detection requirements of the power battery pack thermal management module.

Keywords： helium mass spectrometry; leak detection; battery pack thermal management module; vacuum chamber

0" 引言

近年來，電動汽車自燃事故時有發生，主要原因是動力電池包熱失控。目前，動力電池包一般利用液

體實現熱交換，而動力電池包熱管理模塊主要實現液冷系統中流體的匯流和切換功能。動力電池包熱管理模塊采用鑄鋁工藝，內部管路之間、管路和外界之間

均不能產生泄露，否則可能引起電池短路。因此，對動力電池包熱管理模塊的密封性能要求極高，需要高精度的密封性檢測系統對其進行工藝檢測[1-3]。

動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統通常采用空氣檢測法[4]。其中，常規的壓氦式檢測法已較為成熟，但主要對密封性產品進行檢測，批量檢測效率較低[5-6]。氦氣是惰性氣體，在常溫常態下無色無味，不易與其他物質發生反應，且密度小于空氣密度，易從細微氣孔中滲出，適合高精度的氣密性檢測[7-9]。

本文采用氦氣質譜法（也稱氦示蹤法）[10-13]進行動力電池包熱管理模塊的密封性檢測，通過粗檢、精檢2步檢測，使檢測結果更加準確可靠；具有氦氣回收、氮氣清掃功能，提高氦氣利用率，減少氦氣殘留對檢測結果的影響；具有自檢功能，通過標準氦氣漏孔對氦質譜檢漏儀進行自校，保證檢測結果的準確性。

1" 系統原理

基于氦氣質譜法的動力電池包熱管理模塊密封性檢測系統（以下簡稱密封性檢測系統）工作原理如圖1所示。

1―箱蓋開啟位移傳感器；2―箱蓋關閉位移傳感器；3―產品感應傳感器；4―真空規（真空度傳感器）；5―壓力傳感器；V1～V6―電磁閥。

密封性檢測系統主要包括泄漏檢測、氦氣回收、氮氣清掃3個氣路，其中泄漏檢測是核心氣路，其檢測過程為：

1） 打開真空箱（箱蓋開啟位移傳感器監測箱蓋是否完全打開），將被測產品放入真空箱，并與氦氣接口連接；產品感應傳感器感應到被測產品后，關閉真空箱（箱蓋關閉位移傳感器監測箱蓋是否完全關閉）；

2） 打開V1電磁閥，通過真空泵1對真空箱抽氣，當真空規監測到真空箱內的絕對壓力小于20 Pa時，關閉V1電磁閥；

3） 粗檢，打開V2電磁閥，向被測產品短暫充氦氣0.5 s后，迅速關閉V2電磁閥；

4） 打開V3電磁閥，利用氦質譜檢漏儀檢測真空箱內的氦氣漏率，并根據氦氣漏率判斷被測產品是否存在大漏，如果存在大漏，則終止檢測，否則，關閉V3電磁閥繼續進行精檢；

5） 精檢，打開V2電磁閥，向被測產品充入氦氣，當壓力傳感器檢測充入被測產品的氦氣壓力達到指定檢測壓力后，關閉V2電磁閥；

6） 打開V3電磁閥，通過氦質譜檢漏儀檢測真空箱內氦氣漏率，并根據氦氣漏率判斷被測產品的密封性；

7） 關閉V3電磁閥，打開V4電磁閥，通過氦氣回收裝置回收充入被測產品的氦氣；

8） 打開V5電磁閥，向真空箱通入氮氣進行清掃后，打開真空箱，取出被測產品，檢測完成；

9） 當懷疑檢測結果數據不可靠時，可通過氦氣漏孔進行自檢。關閉真空箱，打開V1電磁閥，利用真空泵1對真空箱抽氣，當真空規監測到真空箱內的絕對壓力小于20 Pa時，關閉V1電磁閥；打開V3和V6電磁閥，通過對比氦質譜檢漏儀的檢測數據與氦氣漏孔的標稱漏率是否一致，判斷檢測結果數據的準確性。

2" 系統結構

密封性檢測系統主要由顯示單元、氦質譜檢漏儀、真空泵、真空箱、配電箱、氦氣瓶等組成，如圖2所示。

圖2中，2個真空箱代表2個檢測工位。當其中一個真空箱檢測完成，處于清掃階段時，氦質譜檢漏儀切換到另一個真空箱，對箱內的產品進行檢測；此時處于清掃階段的真空箱完成清掃，人工取出產品，再繼續放置被測產品。這樣不僅提高了氦質譜檢漏儀的利用率，還提高了檢測效率。

為提高密封性檢測系統的性能，對真空箱進行特殊設計和工藝加工：箱體、箱蓋均采用不銹鋼厚板制作，不易變形，焊接處的表面粗糙度Ra≤0.3 μm；箱體與水平面成20°傾斜角，方便放入、取出被測產品，并可加速清理真空箱內殘留的氦氣；箱蓋采用壓緊氣缸，通過平移式壓緊設計，保證箱蓋密封性良好。

另外，氦質譜檢漏儀應遠離真空泵等震動源，放置位置低于真空箱，避免清掃真空箱時，殘留氦氣上升，污染氦質譜檢漏儀。

3" 系統電控部分

密封性檢測系統電氣控制邏輯框圖如圖3所示。

密封性檢測系統的工控機具有程序操作界面、參數顯示、數據保存等功能；PLC控制系統通過接收或發送信號來控制密封性檢測系統。PLC開關量輸出包括3個真空泵（抽真空、泄漏檢測和氦氣回收）、電磁閥、聲光指示（指示密封性檢測系統的工作狀態和異常信息）；開關量輸入包括感應傳感器、安全光柵（監測檢測過程中操作人員或其他物品是否進入裝置）、操作按鈕（啟動、停止、保持和急停等）；模擬量輸入包括壓力傳感器、2個位移傳感器、真空規。

4 軟件部分

密封性檢測系統軟件采用LabVIEW編寫，程序流程圖如圖4所示。

5" 實驗驗證

5.1" 實驗要求與環境

本實驗在真空箱內進行，環境溫度為25 ℃，空氣濕度為50%RH。測試時間為60 s，其中抽真空時間為30 s；粗檢的預充氣時間為0.5 s，大漏檢測時間為4 s；精檢的被測產品充氣時間為1 s，被測產品氦氣壓力檢測時間為1 s，被測產品泄漏檢測時間為9 s；氦氣回收時間為5 s，氮氣清掃時間為9.5 s。動力電池包熱管理模塊要求最小檢測漏率為1×10-5 mbar·L/s。

為驗證密封性檢測系統的性能，將動力電池包熱管理模塊的泄露檢測實驗分為2組：一組為合格的動力電池包熱管理模塊，另一組為合格的動力電池包熱管理模塊和漏率為1.5×10-6 mbar·L/s的氦氣漏孔，其中氦氣漏孔用于模擬被測產品泄漏。

5.2" 實驗結果

實驗1被測產品為合格的動力電池包熱管理模塊，進行15次檢測，檢測數據如表1所示。

由表1可以看出：該合格動力電池包熱管理模塊的漏率很小，檢測結果全部為合格。

重復性是指在重復性測量條件下的測量精密度，可通過貝塞爾公式（公式（1））計算得到，其結果越接近0，說明系統的測量精密度越高。

（1）

式中：為重復性，為第i次測量的數值，為n次測量的平均值，n為重復測量次數。

將表1的檢測數據代入公式（1），計算重復性= 7.08×10-9，其非常接近0，說明本次檢測數據非常接近，也說明密封性檢測系統測量精密度較高。

實驗2被測產品由實驗1采用的合格動力電池包熱管理模塊和氦氣漏孔組成，進行15次檢測，檢測數據如表2所示。

由表2可以看出：實驗2被測產品的漏率約為1.427×10-6 mbar·L/s（15次檢測結果的平均值），滿足動力電池包熱管理模塊的密封性要求，密封性檢測系統能夠準確區分泄漏和不泄漏的產品。

將表2的檢測數據代入公式（1），計算重復性= 7.9×10-8，其非常接近0，說明密封性檢測系統在不同漏率下檢測數據的重復性較好。

6" 結論

基于氦氣質譜法的動力電池包熱管理模塊密封

性檢測系統采用粗檢、精檢2步檢測方法，實現自校準、人機交互等功能，提高了密封性檢測的速度和精度。經實驗驗證，該密封性檢測系統測試的重復性可達7.08×10-9 mbar·L/s，最小可檢泄漏1.427×10-6 mbar·L/s，滿足動力電池包熱管理模塊最小檢測漏率1×10-5 mbar·L/s的要求。但該系統目前只能檢測泄漏的總量，無法判斷被測產品泄漏的位置，還需優化改進。

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作者簡介：

張儒鋒，男，1984年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術。E-mail： 13560240622@163.com

唐露新，男，1958年生，碩士研究生，教授，主要研究方向：儀器科學與技術、智能控制、光機電一體化。E-mail： tangluxin@21cn.com

王勇煌，男，1985年生，專科，主要研究方向：密封性測試技術。E-mail： wang.yh@upton.cn

余迪超，男，1985年生，本科，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術與自動化技術。E-mail： yu.dc@upton.cn

姜徳志，男，1977年生，本科，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術。E-mail： jdz@upton.cn

李波，男，1979年生，本科，高級工程師，主要研究方向：密封性測試技術。E-mail： libo@upton.cn

馬鎮華，男，1992年生，專科，助理工程師，主要研究方向：密封性測試技術與計量校準。E-mail： ma.zh@upton.cn