La hermeticidad del paquete de baterías es un indicador crucial en los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía. La prueba de hermeticidad del paquete de baterías se lleva a cabo principalmente en la carcasa del paquete de baterías, la interfaz, el conector, el conjunto de enfriamiento, etc. para garantizar que el interior del paquete de baterías no esté contaminado ni invadido por impurezas como polvo y humedad del entorno externo, y que el conjunto de enfriamiento no tenga fugas, a fin de garantizar que el paquete de baterías mantenga un rendimiento y una vida útil normales, y no provoque accidentes de seguridad como cortocircuito o explosión.

1- Formulación estándar para pruebas de hermeticidad y nivel de protección de paquetes de baterías

Nivel de protección internacional (IEC60529), también conocido como nivel de protección contra cuerpos extraños o código IP. El sistema de nivel de protección IP (Ingress Protection) es un estándar establecido por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) para clasificar el nivel de protección de las carcasas de equipos eléctricos contra la intrusión de cuerpos extraños y la intrusión de agua. El nivel de hermeticidad de la carcasa del paquete de baterías generalmente se requiere para alcanzar IP67 o IP68, lo que significa que la carcasa del paquete de baterías debe estar completamente protegida contra la entrada de polvo (nivel de resistencia al polvo 6) y puede sumergirse en agua a una cierta presión durante un período de tiempo sin que el agua ingrese a un nivel perjudicial (nivel de impermeabilidad 7). Los requisitos más estrictos son que la carcasa del paquete de baterías se pueda sumergir en agua a 1 m de profundidad durante 60 minutos sin que ingrese agua (nivel de impermeabilidad 8). El nivel de protección IP generalmente consta de dos dígitos. Cuanto mayor sea el número, mayor será el nivel de protección, como se muestra en la Figura 1:

Figura 1: Descripción del nivel de protección IP

Para garantizar que el paquete de baterías cumpla con los requisitos IP67 e IP68, es necesario sumergirlo en agua. Este método requiere mucho tiempo, es destructivo para el paquete de baterías de potencia y presenta ciertos riesgos de seguridad. No es adecuado como prueba fuera de línea para baterías de potencia. Por lo tanto, se ha convertido en una práctica común en la industria utilizar pruebas de hermeticidad para garantizar que el paquete de baterías cumpla con los requisitos IP67 e IP68. La formulación de estándares de prueba de hermeticidad debe considerar la relación entre el valor de caída de presión y la tasa de fuga, así como la relación entre la apertura y la fuga de agua. La formulación de estándares de prueba de hermeticidad implica una serie de pasos desde los extremos teóricos hasta la verificación experimental para lograr la conversión del nivel IP a estándares de prueba de hermeticidad. Por ejemplo, tomando IP68 como ejemplo:

Figura 2: Pasos para formular estándares de pruebas herméticas

2- Selección de métodos de ensayo de hermeticidad y análisis de las dificultades de ensayo

El diseño y la calidad de fabricación del paquete de baterías son factores clave que afectan la hermeticidad del aire, incluida la dureza y la resistencia de la cubierta de la caja de la batería, el sellado de la carcasa del paquete de baterías, las interfaces y los conectores, los respiraderos a prueba de explosiones y el sellado del propio conector eléctrico. Además, habrá algunos problemas que afecten la hermeticidad del aire durante el uso, como problemas de expansión y contracción térmica, envejecimiento del material y vibración e impacto. En la producción y fabricación de carcasas de paquetes de baterías, prestamos más atención a la mala hermeticidad del aire causada por problemas como los puntos de soldadura y la calidad de las juntas, como puntos de soldadura desiguales, soldaduras débiles o agrietadas, espacios de aire y sellado deficiente de las conexiones de las juntas.

La prueba de hermeticidad del aire del paquete de baterías se divide principalmente en la prueba de hermeticidad del aire de la carcasa superior, la carcasa inferior y las piezas de ensamblaje. La prueba de hermeticidad del aire de las carcasas superior e inferior debe cumplir con los requisitos de fuga de hermeticidad del aire después del ensamblaje. Al seleccionar el método de prueba de hermeticidad del aire para el paquete de baterías, las características del paquete de baterías, los requisitos de precisión de la prueba, la eficiencia de producción y el costo generalmente se consideran de manera integral.

Las pruebas de hermeticidad de la carcasa de la batería en ingeniería generalmente se dividen en pruebas de hermeticidad de proceso y pruebas de hermeticidad de envío. Además, las pruebas de hermeticidad de las carcasas superior e inferior deben cumplir con los requisitos de hermeticidad de fugas después del ensamblaje, lo que plantea requisitos más estrictos para las normas de prueba. Para garantizar que la hermeticidad cumpla con los requisitos, se deben superar las siguientes dificultades en la operación real:

l Estabilidad de la estructura del producto: la calidad de las soldaduras, incluidas las soldaduras de tapón, las soldaduras de grifo, las soldaduras de viga, las soldaduras de la placa inferior del marco, las soldaduras de la placa de cubierta delantera y trasera del marco, etc. Los problemas de fugas de soldadura se concentran principalmente en los puntos de inicio y finalización del arco y los defectos causados por quemaduras; agrietamiento causado por la tensión de deformación de la soldadura, como la soldadura de la pared lateral de la cavidad de la placa inferior, la estratificación del material de la cavidad de la placa inferior y la incapacidad de soportar la tensión de deformación de la soldadura.

l Adaptabilidad y estabilidad de los dispositivos herméticos: el diseño de los dispositivos debe coincidir estrechamente con la forma y las dimensiones de los componentes probados, lo que garantiza que los componentes se puedan fijar de forma segura a los dispositivos durante el proceso de prueba, reduciendo así los errores de prueba causados por cambios de posición o vibraciones. Sin embargo, en la práctica, el tamaño y la forma de los paquetes de baterías varían significativamente, lo que requiere el diseño y la fabricación de múltiples dispositivos de prueba diferentes, lo que aumenta los costos y la complejidad operativa. El diseño de un dispositivo universal complicaría aún más el proceso de diseño.

l Repetibilidad de los resultados de la prueba de hermeticidad: factores como la presión del aire, la temperatura y la sequedad de la pieza de trabajo/accesorio de prueba afectarán los resultados de la prueba de hermeticidad.

l En el caso de piezas con muchas grietas diminutas no penetrantes, debido a la influencia de factores como la precisión del equipo de detección y los parámetros de detección, es posible que no se descubra la fuente de la fuga, lo que da como resultado una detección fallida.

Figura 3: Herramientas para pruebas de hermeticidad

3- Combinación de soluciones de detección de hermeticidad de paquetes de baterías comúnmente utilizadas en ingeniería

La prueba de hermeticidad del proceso de la carcasa del paquete de baterías generalmente incluye una prueba de hermeticidad y una prueba de inmersión en agua. En la prueba de hermeticidad, se sella la tapa superior de la caja de la batería, dejando solo un puerto de conexión como entrada de aire. La hermeticidad del paquete de baterías se juzga controlando la presión del aire y observando si hay fugas de aire. La prueba de inmersión en agua consiste en sumergir completamente toda la caja de la batería en agua y juzgar su hermeticidad comprobando si hay agua en la caja.

La detección de fugas de helio es una tecnología que utiliza helio como gas trazador para detectar fugas mediante la detección de la concentración de helio en el punto de fuga. Cuando el helio ingresa al interior o exterior del dispositivo que se está probando donde puede haber una fuga, si hay una fuga, el helio ingresará o escapará rápidamente del sistema a través de la fuga y será detectado por el espectrómetro de masas. El método de detección de fugas de helio tiene una alta eficiencia de detección, especialmente en la detección de pequeñas fugas.

Figura 4: Comparación de métodos de detección de fugas

En la producción real, se suelen combinar varios métodos de detección para mejorar la eficiencia y la precisión de la detección. Por ejemplo, el método de detección de fugas con helio es adecuado para la detección de fugas pequeñas y de alta precisión, mientras que el método de presión diferencial tiene las características de alta precisión y respuesta rápida. Además, aunque el método tradicional de detección de agua tiene una baja precisión de detección, es intuitivo y de bajo costo, y es una forma conveniente de localizar fugas.

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