混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車電子零部件的防水透氣解決方案

引言：

汽車電氣化正在穩(wěn)步向前發(fā)展。無論采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)還是電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，在汽車使用壽命期內(nèi)為其敏感電子零部件提供保護(hù)是必不可少的?；旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車都面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，只有采用高效壓力均衡和防水透氣組件，汽車制造商和供應(yīng)商才有望應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

汽車電子零部件易受惡劣環(huán)境條件影響。無論是安裝在汽車底盤下還是發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，電子零部件(如電動(dòng)機(jī)、控制單元、傳感器、壓縮機(jī)或泵中的電子零部件)都會(huì)受到極端溫度波動(dòng)的影響，因此必須為其提供保護(hù)，防止污物或液體侵入。滿足最基礎(chǔ)要求的防護(hù)等級(jí)為IP6k9k，該等級(jí)可確保電子設(shè)備外殼免受灰塵顆粒物、短時(shí)浸沒和蒸汽的影響。

采用內(nèi)燃機(jī)的汽車和采用混合動(dòng)力電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的汽車中的電子零部件面臨著一個(gè)共同挑戰(zhàn)：其工作溫度與較低的外部環(huán)境溫度之間存在差異。部件在車輛運(yùn)行過程中會(huì)升溫，如果此時(shí)接觸到溫度較低的道路濺水或洗車水，它們的溫度會(huì)迅速降低。 這種情況會(huì)在電子部件外殼中形成極致的真空效應(yīng)，致使空氣通過密封圈進(jìn)入部件中。經(jīng)過一段時(shí)間后，這種不良的壓力均衡會(huì)在密封圈和密封組件中產(chǎn)生應(yīng)力，從而造成污物顆粒和液體侵入，對(duì)電子部件產(chǎn)生腐蝕作用并縮短其使用壽命。低粘度液體和清潔劑用于車輛時(shí)會(huì)加劇這種侵入危險(xiǎn)。

電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車所面臨的特殊挑戰(zhàn)

混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的電子部件會(huì)遭遇更加惡劣的環(huán)境條件影響。極高的工作溫度和更大體積的電子部件外殼使得汽車制造商和供應(yīng)商更加難以均衡溫度和壓力。動(dòng)力系統(tǒng)的敏感電子零部件，例如電動(dòng)機(jī)、高性能電子部件、充電器、啟動(dòng)-停車發(fā)電機(jī)等，必須要耐受極高的溫差和壓差。

其原因是，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)這些敏感的高性能電子零部件造成的影響要超過它們對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車電子零部件造成的影響。為防止這些高性能電子部件因極端溫度波動(dòng)而損壞，并使其在最佳溫度范圍內(nèi)工作，通常會(huì)使用液體對(duì)它們進(jìn)行冷卻。但這種方法也有風(fēng)險(xiǎn)，它會(huì)在外殼中溫度最低點(diǎn)形成凝露，腐蝕電子部件，致使其過早出現(xiàn)故障。 另一方面，例如車輛行駛時(shí)接觸低溫濺射水或洗車水造成的溫度突變也會(huì)損壞電子設(shè)備。

案例分析：均衡逆變器和高壓電池外殼中的壓力

下面的例子通過清洗車輛時(shí)交流逆變器外殼中的壓力變化來演示這一現(xiàn)象。逆變器可將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供電動(dòng)機(jī)使用。計(jì)算的對(duì)象是尺寸為 40cmx20cmx20cm的外殼(相當(dāng)于容積為16升)。在本例中，外殼內(nèi)部空間的四分之一是空的，這就是說，外殼內(nèi)包含4升可以自由流動(dòng)的空氣。車輛運(yùn)行過程中，逆變器的溫度可達(dá)到70°C。 洗車時(shí)，溫度為8°C至10°C的冷水會(huì)噴射到汽車底部，使逆變器在五分鐘內(nèi)冷卻至40°C，如圖1所示。

在未采用防水透氣產(chǎn)品的外殼中，這種溫差會(huì)造成約90mbar的真空度。每當(dāng)車輛駛過積有冷水的區(qū)域時(shí)，都會(huì)形成這樣的真空，真空會(huì)對(duì)密封圈產(chǎn)生極大的應(yīng)力，經(jīng)過一段時(shí)間后，密封圈將發(fā)生泄漏。 其后果是，清潔劑、油、化學(xué)品和水等物質(zhì)進(jìn)入逆變器外殼，對(duì)敏感的電子元器件造成損壞。加裝防水透氣產(chǎn)品可以確保真空效應(yīng)得到快速均衡，而且還能從消除壓力突變。采用防水透氣產(chǎn)品的外殼中壓力在短短六分鐘后便恢復(fù)為環(huán)境壓力。

由于體積原因，混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車的高壓電池需采用更有效的解決方案來均衡壓力。 這種情況下的最佳方法是選用具有極高透氣量的防水透氣解決方案。由于電池只會(huì)與濺射水而非高壓水接觸，因此無需采用與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩內(nèi)組件一樣高的防護(hù)等級(jí)。

在本例中，電池外殼的尺寸為100cmx50cmx30cm，容積為150升，其中的自由空氣體積為50升。在從奧地利因斯布魯克(海拔570米)到布倫納山口(海拔1370米)的30分鐘車程中，電動(dòng)汽車向上爬升的標(biāo)高差為800米。在未采用防水透氣產(chǎn)品的電池上，這種情況會(huì)產(chǎn)生90mbar的正壓，即使在山口的休息站等待15分鐘后，壓力仍未均衡，這樣就會(huì)使密封圈產(chǎn)生永久應(yīng)力。90mbar的正壓相當(dāng)于約450kg的壓力作用于面積為0.5m²的表面，輕型外殼無法長(zhǎng)時(shí)間承受這樣的壓力。盡管密封圈的設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)高載荷，但這種極端應(yīng)力最終會(huì)導(dǎo)致其失效，致使外殼無法密封。

比上山時(shí)在外殼中形成的正壓更危險(xiǎn)的是下山時(shí)形成的90mbar真空度。為了均衡這種真空度，空氣會(huì)穿過受影響的密封圈進(jìn)入外殼，將污物顆粒和液體帶入其中，從而在外殼內(nèi)形成凝露，進(jìn)而造成損害。在采用防水透氣產(chǎn)品的外殼中，只會(huì)產(chǎn)生約15mbar微不足道的真空度，因而不會(huì)對(duì)密封圈造成過重的負(fù)擔(dān)，并且這種壓差可以在15分鐘的停車休息時(shí)間內(nèi)被完全均衡，如圖2所示。

適用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車空氣和壓力均衡的透氣膜技術(shù)

實(shí)現(xiàn)壓力均衡并確保電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電子裝置和高壓電池在使用壽命內(nèi)保持可靠，就要采用安裝透氣膜的防水透氣解決方案。透氣膜技術(shù)允許密閉外殼的空氣交換，而且還可阻止液體和污物顆粒的侵入。正如在前文高壓電池示例中所看到的情況，對(duì)于某個(gè)特定應(yīng)用而言，透氣量和透水壓是決定透氣膜性能的兩個(gè)基本參數(shù)。透氣量是指給定時(shí)間和給定壓差下穿過透氣膜的空氣量。借助透氣量可確定均衡壓差所需的時(shí)間。透水壓是指透氣膜發(fā)生泄漏前必須承受的最小靜水壓力。但是，透氣量和透水壓并非唯一的變量：耐溫性和耐化學(xué)性也是透氣膜組件的重要參數(shù)。透氣膜供應(yīng)商必須根據(jù)具體的防水透氣應(yīng)用，為透氣膜選擇最佳的性能組合。對(duì)于需要讓大量空氣快速進(jìn)出、而防護(hù)等級(jí)又無需太高的大型電池外殼而言，采用透氣膜可以獲得較高的透氣量。而安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的電子部件外殼需要經(jīng)常應(yīng)對(duì)溫度峰值，因此通常應(yīng)采用耐溫性高的透氣膜。由于與具體應(yīng)用相關(guān)的挑戰(zhàn)各不相同，因此汽車制造商和供應(yīng)商應(yīng)與透氣膜制造商緊密協(xié)作，以開發(fā)出技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性方面最合適的解決方案。

汽車透氣產(chǎn)品在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

對(duì)于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車而言，電子部件溫度管理所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)來自高性能電子部件的液體冷卻問題以及電子部件外殼的體積較大。液體冷卻本身會(huì)在外殼內(nèi)產(chǎn)生很高的溫差，因此必須采用透氣膜解決方案進(jìn)行補(bǔ)償，以均衡巨大的壓差并降低形成凝露的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于體積較大的電子零部件來說，即使極小的壓差也會(huì)產(chǎn)生非常高的機(jī)械載荷，輕型外殼幾乎無法承受這樣的載荷。

在這些極端條件下， 如今越來越多的全球汽車制造廠商在戈?duì)枮榛旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車尋求到了先進(jìn)高效的汽車透氣解決方案。戈?duì)柶嚪浪笟猱a(chǎn)品可有效保護(hù)汽車電子零部件免受污物和密封失效的影響，顯著提高部件的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，更減少了設(shè)計(jì)、制造和保修中的成本投入。其防水透氣膜的性能尤為獨(dú)特，可以快速均衡壓差和溫差，防止污物和液體侵入電子零部件。戈?duì)柶嚪浪笟饨鉀Q方案通過降低對(duì)厚重外殼、密封和墊圈的需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜性的簡(jiǎn)化以及制造成本的減少，性能更可靠，并使實(shí)現(xiàn)全球性平臺(tái)的一體化變得更為簡(jiǎn)單。