新能源汽車電池包動態氣密性實時監測系統設計與研究

摘 要：隨著全球氣候變化和能源危機的加劇，新能源汽車因其節能、綠色高效的特點，成為交通工具發展的重要方向。電池包作為新能源汽車的核心部件，其氣密性對車輛的安全性和電池壽命至關重要。當前，電池包的氣密性檢測主要集中在靜態檢測，但在車輛實際行駛過程中，動態氣密性對車輛性能的影響不容忽視，因此急需一種能夠實時檢測與監控電池包氣密性的系統。文章提出了一種新能源汽車電池包動態氣密性實時監測系統設計方案，通過實時監測與評估電池包在行駛過程中的氣密性，旨在顯著提升車輛行駛的安全性，并為新能源汽車電池包的氣密性檢測技術提供新的思路與解決方案。

關鍵詞：電池包 動態氣密性 電池壽命

1 緒論

1.1 新能源汽車發展現狀

面對全球氣候變化和能源危機的嚴峻挑戰，新能源汽車憑借其顯著的節能性、綠色環保及高效能特性，已迅速崛起為交通工具領域發展的主流方向，并持續吸引著全球范圍內的廣泛關注[1]。國際社會對于減少溫室氣體排放、實現碳中和目標的緊迫性認識日益加深。在此背景下，能源危機，尤其是傳統化石燃料的枯竭風險與價格波動，成為推動全球能源結構轉型與升級的又一重要驅動力。

新能源汽車，作為能源轉型浪潮中的先鋒，憑借其節能、環保、高效的顯著優勢，正穩步邁向未來交通出行的核心舞臺。這些車輛主要依賴電力或其他可再生能源作為動力源，顯著降低了對石油等傳統能源的依賴，從而有效減少了二氧化碳及其他有害氣體的排放，為緩解全球變暖、改善空氣質量作出了不可磨滅的貢獻。新能源汽車的興起，不僅是應對全球能源危機、環境污染和氣候變化挑戰的關鍵舉措，更是推動交通領域綠色低碳轉型的重要力量。

與此同時，新能源汽車的快速發展還帶動了整個產業鏈的蓬勃發展。從電池、電機、電控等關鍵零部件的研發與生產，到充電基礎設施的建設與運營，每一個環節都充滿了創新與活力，為經濟增長注入了強勁的新動力。在全球范圍內，中國已穩居新能源汽車發展的領先地位，產銷量連續多年位居世界第一，構建了完善的產業體系，并展現出強大的國際競爭力。這一成就的背后，既離不開中國政府對新能源汽車產業的大力扶持與政策引導，也離不開中國車企在技術創新、產品研發及市場拓展等方面的持續努力與卓越貢獻。

然而，盡管新能源汽車行業蓬勃發展，其快速發展之路亦非坦途，面臨著續航里程焦慮、充電設施不足等顯著挑戰。尤為關鍵的是，新能源汽車動力系統的核心部件——電池，其高昂的成本及部分品牌電池容量的快速衰減[1]，加之電池包固有的熱失控風險，一旦失控即可能引發火災事故[2]，使得提升電池包的安全性與使用壽命成為亟待解決的重要課題。

1.2 電池包氣密性重要性

在新能源汽車及儲能技術日益發展的今天，電池包作為能量儲存與供給的核心組件，其性能的穩定與安全性直接關系到整個系統的運行效率與用戶的生命財產安全。其中，電池包的氣密性作為衡量其設計制造水平及安全性能的重要指標之一，其重要性不言而喻。

氣密性，簡而言之，是指電池包內部與外界環境隔絕的能力，即防止水分、塵埃、腐蝕性氣體等有害物質侵入電池包內部，同時確保電池包在壓力變化時不會發生泄漏。這一特性對于電池包而言至關重要，因為任何外部雜質的滲入都可能對電池內部的電化學環境造成破壞，加速電池老化，降低續航能力，甚至引發短路、熱失控等嚴重安全問題。此外，良好的氣密性還能有效防止電池包在極端氣候條件下因內部壓力變化而導致的結構損壞，確保電池包在各種工況下的穩定運行。

電池包的氣密性對電池壽命有著很大影響，隨著汽車制造技術的發展，產品的質量和性能也在不斷提高，有些電池類產品對自身的氣密性提出了很高的要求[3]。孫等[4]基于Android系統設計了上位機查詢系統，使得汽車電池包的氣密性檢查更加方便。胡等[5]通過改進影響鋰離子電池系統氣密性的關鍵因素來提升電池包的氣密性。但是目前對電池包檢測的研究都還是靜態檢測。汽車在行駛過程中，電池包的氣密性對汽車的動態性能影響巨大，嚴重情況下，會對駕駛員的生命安全造成威脅，因此探索一種能夠實時檢測監控電池包氣密性的檢測系統十分重要。文章旨在通過探討電池包氣密性的重要性、影響因素、檢測方法以及提升策略，為電池包的設計提供理論參考，促進新能源汽車及儲能技術的健康發展。

2 電池包氣密性檢測方法選擇

電池包作為電動汽車和儲能系統的核心部件，其安全性至關重要。氣密性檢測能夠及時發現電池包內部的泄漏問題，防止水分、塵埃、腐蝕性氣體等有害物質侵入，從而避免電池內部短路、熱失控等安全隱患。選擇合適的檢測方法，能夠更準確地評估電池包的氣密性能，確保其在各種工況下的安全運行。良好的氣密性能夠延長電池包的使用壽命，提高其可靠性。通過精確的氣密性檢測，可以及時發現并修復潛在的泄漏點，防止電池包因長期暴露在惡劣環境中而加速老化或損壞。這對于提升電動汽車和儲能系統的整體性能，減少維護成本具有重要意義。電池包氣密性檢測方法的不斷創新和完善，是推動新能源汽車和儲能技術產業升級的重要動力。本節將選擇合適的氣密性檢測方法。

2.1 壓力衰減法

壓力衰減法，通常也被稱為壓降法，是利用氣體壓力變化來檢測電池包密封性能的一種方法。在實際操作中，首先將一定壓力的氣體充入電池包內部，然后通過監測一段時間內氣壓的變化來判斷是否存在泄漏。氣壓的下降趨勢若超過預定的閾值，則可以認定電池包存在泄漏點。

壓力衰減法的實施步驟。

（1）準備階段：將被測產品或系統置于封閉環境中，并連接好壓力傳感器和記錄設備。

（2）充氣階段：向封閉環境中充入一定壓力的氣體，并記錄初始壓力值。

（3）監測階段：關閉充氣源后，開始監測并記錄壓力隨時間的變化情況。通常需要設定一定的監測時間（如幾分鐘到幾小時不等），以確保能夠準確捕捉到壓力的變化趨勢。

（4）分析階段：根據監測到的壓力變化數據，分析被測產品或系統的氣密性能。如果壓力下降較快且超過允許范圍，則表明存在泄漏問題；如果壓力保持相對穩定或下降速度很慢，則說明氣密性能良好。

壓力衰減法的主要優勢在于其操作簡單、快速，適合于初步篩選出具有明顯泄漏問題的電池包。然而，該方法對于微小泄漏點的檢測能力相對有限，且無法提供泄漏點的精確位置信息，這在一定程度上限制了其在精細化質量控制中的應用。

2.2 氦氣檢漏法

氦氣作為一種輕質且化學性質穩定的惰性氣體，在氣密性檢測領域得到了特別的應用。氦氣檢漏法通過向電池包內注入氦氣，并使用專門的探測器來捕捉可能逸出的氦氣分子，從而判斷電池包的密封性能。

氦氣檢漏法在測試前需要進行設備準備，確保氦氣檢漏儀、噴槍（或吸槍）、真空泵、壓力計等相關設備處于良好狀態，并已正確連接。將被測件（如電池包、管道、閥門等）清洗干凈，去除表面的油脂、水分等雜質，以確保檢測結果的準確性。選擇一個安靜、無風、無塵的環境進行檢測，以減少外部因素對檢測結果的影響。

氦氣檢漏法的優勢在于能夠檢測到極微小的泄漏點，靈敏度高，適用于對氣密性要求極高的場合。然而，氦氣檢漏法的成本較高，對操作環境的要求也比較嚴格，這限制了其在某些經濟敏感型領域的廣泛應用。

2.3 水浸法

又稱為泡水法，是一種傳統的氣密性檢測方法。它通過將電池包浸入水中，觀察是否有氣泡產生來判斷電池包的密封性。該方法直觀、簡單，易于實施。

水浸法的優勢在于設備簡單，成本低廉，適合于對泄漏點進行直觀的定位。但是，該方法的測試效率較低，精度不高，且存在電池包進水的潛在風險，可能導致后續的干燥處理復雜化。

2.4 差壓式檢測法

差壓式檢測法通過在系統中引入差壓傳感器，并設置一個標準件作為參照，來檢測被測工件的泄漏情況。具體而言，該方法首先向被測工件和標準件同時充入一定壓力的氣體，并關閉充氣閥門使系統處于保壓狀態。此時，差壓傳感器會實時監測被測工件與標準件之間的壓力差。如果被測工件存在泄漏，其內部壓力將逐漸下降，導致與標準件之間的壓力差增大。差壓傳感器將這一壓力差轉換為電信號輸出，從而實現對泄漏量的精確測量。

該方法精度高，穩定性好，適用范圍廣的優點，但是其設備復雜且昂貴，由于需要引入差壓傳感器和標準件等高精度設備，因此差壓式檢測法的設備成本較高。同時操作比較復雜，相對于其他檢測方法，差壓式檢測法的操作步驟更為復雜，需要專業的技術人員進行操作。

綜上所述，氦氣檢漏法價格昂貴，并且對使用環境要求苛刻，在汽車行駛過程中，環境變化波動大，因此該方法無法滿足新能源汽車的動態氣密性檢測。水浸法對電池包進水有風險，尤其在行駛過程中，甚至危害駕駛員生命安全，該方法也難以滿足新能源汽車的動態氣密性檢測。差壓式檢測法只適用于生產線上的電池包。壓力衰減法操作簡單，檢查速度快，在工況不斷變化的條件下可快速反應，因此差壓式檢測法符合動態下的氣密性檢查。

3 電池包動態氣密性檢測系統設計

基于第二章電池包氣密性檢測方法選擇分析，文章將基于壓力衰減法來設計新能源汽車電池包動態氣密性檢測系統，探究一種能夠實時、準確檢測電池包在正常使用過程中的氣密性檢測系統。其結構如圖1所示。

3.1 氣密性檢測系統結構

3.1.1 電池包

用于為汽車本體供電，也作為主要檢測對象，電池包整體呈長方體結構，在電池包的其中一側面的中部設有連接孔，在該連接孔中密封安裝有進氣接頭，所述進氣接頭的里端設有進氣噴嘴，其外端與輸氣管連接；進氣噴嘴為圓管結構，其端部設有封蓋，在進氣噴嘴的管壁以及封蓋上設有多個氣孔。

3.1.2 氣控裝置

氣控裝置內含儲氣罐，不需要額外的動力或電力或電控系統，結構更為簡單，更加節能，成本更低。罐中填充有二氧化碳氣體，并且氣壓大于電池包內腔中的氣壓。通過輸氣管與電池包的內腔連通，用于向電池包的內腔中充氣，并在輸氣管上設有開關電磁閥門，用于使輸氣管通/斷。

3.1.3 氣壓傳感器

安裝于電池包上，其檢測端伸入電池包的內腔中。實時檢測動力電池包的氣壓，并將檢查結果反饋到檢測設備。

3.1.4 檢測設備

電池管理系統作為檢測設備，與氣壓傳感器和/或氣控裝置連接。根據氣壓傳感器所反映的氣壓變化數據評估電池包的氣密性，同時，也能夠用于向電控裝置發送啟閉信號，使其工作或停止，可根據氣壓傳感器的氣壓變化數據自動控制，也可以用戶手動操作。

3.2 氣密性檢測系統運行模式

儲氣罐中的二氧化碳氣體的氣壓大于電池包內腔中的氣壓。通過開啟電磁閥，使儲氣罐中的二氧化碳氣體充入電池包中，當達到一定氣壓后，關閉電磁閥保壓，通過氣壓傳感器觀察電池包中的氣壓變化，包括變化的量和變化的快慢，從而反映出電池包的氣密性。使用時，用戶可以根據實際需求選擇檢測的時間和場地，使用靈活方便。同時，二氧化碳可以使電池包中形成缺氧環境，能夠保護電池包起火，提高了電池包的安全性。還包括報警裝置，所述報警裝置與檢測設備連接，當電池包的氣密性存在問題時，報警裝置報警，提示用戶及時對電池包進行詳細檢查和維修。其運行路線圖如圖2所示。

研究采用一種簡單的結構，使電池包和氣控裝置形成一個整體安裝在汽車本體上，氣控裝置在車輛的正常使用過程中可以根據用戶需求靈活地向電池包中充氣，并能夠通過電池包上的氣壓傳感器反映電池包中的氣壓變化，檢測設備能夠根據該氣壓變化確定電池包的氣密性。為能更好地集成在汽車車身上，該結構簡單，成本低廉，使用時能夠方便的隨時隨地對電池包的氣密性進行檢測，提高了車輛的安全性和用戶的體驗感。

4 結論與展望

文章深入探討了新能源汽車電池包在行駛過程中的動態氣密性檢測問題，并提出了一種基于壓力衰減法的實時檢測系統設計方案。該系統通過集成電池包、氣控裝置、氣壓傳感器及檢測設備，實現了對電池包內部氣壓變化的實時監測與評估，有效提升了新能源汽車在復雜工況下的安全性和可靠性。本設計創新性地采用壓力衰減法作為動態氣密性檢測的核心技術，克服了傳統靜態檢測方法的局限性，實現了對電池包在行駛過程中氣密性的實時、準確監測。該系統不僅能夠提升電池包的安全性能，還能延長電池使用壽命，降低維護成本，為新能源汽車產業的可持續發展貢獻力量。

參考文獻：

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[5]胡霞飛，劉浩，林志宏.影響電池包氣密性的關鍵因素及改善要點[J].汽車與新動力，2020，3（03）：85-87.