电动汽车电子零部件防水透气解决方案

Rainer Enggruber

（W.L.Gore&Associates GmbH）

汽车电子零部件易受恶劣环境条件影响。无论是安装在汽车底盘下还是发动机舱中，电子零部件（如电动机、控制单元、传感器、压缩机或泵中的电子零部件）都会受到极端温度波动的影响，因此必须为其提供保护，防止污物或液体侵入。满足最基础要求的防护等级为IP6k9k，该等级可确保电子设备外壳免受灰尘颗粒物、短时浸没和蒸汽的影响。基于此，文章提出一种电动汽车电子零部件防水透气解决方案。

1 纯电动和混合动力汽车所面临的特殊挑战

由于混合动力和纯电动汽车的电子部件具有极高的工作温度和更大体积的电子部件外壳，使得汽车制造商和供应商更加难以均衡温度和压力，因此动力系统的敏感电子零部件，如电动机、高性能电子部件、充电器及启停发电机等，必须要耐受极高的温差和压差。

一方面，运行过程中产生的热量对这些敏感的高性能电子零部件造成的影响要超过对传统内燃机汽车电子零部件造成的影响。为防止这些高性能电子部件因极端温度波动而损坏，并使其在最佳温度范围内工作，通常会使用液体对它们进行冷却。但这种方法也有风险，它会在外壳中温度最低点形成凝露，腐蚀电子部件，致使其过早出现故障。另一方面，汽车行驶时接触低温溅射水或洗车水造成的温度突变也会损坏电子设备。同时，这种情况会在电子部件外壳中形成极致的真空效应，致使空气通过密封圈进入部件中。经过一段时间后，这种压力不均会在密封圈和密封组件中产生应力，从而造成污物颗粒和液体侵入，对电子部件产生腐蚀作用并缩短其使用寿命。低黏度液体和清洁剂用于汽车时会加剧这种侵入危险。

2 空气和压力均衡的透气膜技术

要想实现压力均衡并确保电动机、动力电子装置和高压电池等电子部件在使用寿命内保持可靠性能，就要采用安装透气膜的防水透气解决方案。

透气膜技术允许密闭外壳的空气交换，而且还可阻止液体和污物颗粒的侵入。对于某个特定应用而言，透气量和透水压是决定透气膜性能的2个基本参数。透气量是指在给定时间和给定压差下穿过透气膜的空气量。借助透气量可确定均衡压差所需的时间。透水压是指透气膜发生泄漏前必须承受的最小静水压力。但是，透气量和透水压并非是唯一的变量，耐温性和耐化学性也是透气膜组件的重要参数。透气膜供应商必须根据具体的防水透气应用，为透气膜选择最佳的性能组合。对于需要让大量空气快速进出，而防护等级又无需太高的大型电池外壳而言，采用透气膜可以获得较高的透气量。而安装在发动机舱的电子部件外壳需要经常应对温度峰值，因此通常应采用耐温性高的透气膜。由于与具体应用相关的挑战各不相同，因此汽车制造商和供应商应与透气膜制造商紧密协作，以开发出技术性及经济性方面最合适的解决方案。

3 防水透气产品在电动汽车中的应用

3.1 逆变器

电动汽车的逆变器可将电池输出的直流电转换为交流电，以供电动机使用。在本例中，逆变器外壳尺寸为40 cm×20 cm×20 cm（容积约为16 L）。外壳内部空间的1/4为空，即外壳内包含4 L可以自由流动的空气。汽车运行过程中，逆变器的温度可达到70℃；洗车时，温度为8～10℃的冷水会喷射到汽车底部，使逆变器在5 min内冷却至40℃。

在未采用防水透气产品的外壳中，每当汽车驶过积有冷水的区域时，该温差都会造成约9 kPa的真空度。真空会对密封圈产生极大的应力，经过一段时间后，密封圈将发生泄漏，导致清洁剂、油、化学品和水等物质进入逆变器外壳，对敏感的电子元器件造成损坏。加装防水透气产品可以确保真空效应得到快速均衡，而且还能消除压力突变。图1示出采用防水透气产品前后逆变器外壳压差对比。从图1可以看出，采用防水透气产品的外壳中压力在短短6 min后便恢复为环境压力。

3.2 高压电池

由于体积原因，混合动力或纯电动汽车的高压电池需采用更有效的解决方案来均衡压力。这种情况下的最佳方法是选用具有极高透气量的防水透气解决方案。由于电池只会与溅射水而非高压水接触，因此无需采用与发动机机罩内组件一样高的防护等级。

在本例中，电池外壳尺寸为100 cm×50 cm×30cm，容积为150 L，其中的自由空气体积为50 L。在从海拔570～1 370 m的30 min车程中，电动汽车向上爬升的标高差为800 m。在未采用防水透气产品的电池上，这种情况会产生9 kPa的正压，即使在山口的休息站等待15 min后，压力仍未均衡，这样就会使密封圈产生永久应力。9 kPa的正压相当于约450 kg的压力作用于面积为0.5 m2的表面，轻型外壳无法长时间承受这样的压力。尽管密封圈的设计可以应对高载荷，但这种极端应力最终会导致其失效，致使外壳无法密封。

比上山时在外壳中形成的正压更危险的是下山时形成的9 kPa真空度。为了均衡这种真空度，空气会穿过受影响的密封圈进入外壳，将污物颗粒和液体带入其中，从而在外壳内形成凝露，进而造成损害。图2示出采用防水透气产品前后高压电池外壳压差对比。从图2可以看出，在采用防水透气产品的外壳中，只会产生约1.5 kPa的真空度，因而不会对密封圈造成过重的负担，并且这种压差可以在15 min的停车休息时间内被完全均衡。

4 结论

对于纯电动和混合动力汽车而言，电子部件温度管理所面临的关键挑战来自高性能电子部件的液体冷却问题以及电子部件外壳较大的体积。液体冷却本身会在外壳内产生很高的温差，对于体积较大的电子零部件来说，即使极小的压差也会产生非常高的机械载荷，轻型外壳几乎无法承受这样的载荷。因此必须采用透气膜解决方案进行补偿，以均衡巨大的压差并降低形成凝露的风险。

经过实际应用对比，采用防水透气产品可有效保护汽车电子零部件免受污物和密封失效的影响，尤其是防水透气膜可以快速均衡压差和温差，防止污物和液体侵入电子零部件，显著提高部件的可靠性，延长其使用寿命，更减少了设计、制造和保修中的成本投入。