保護汽車電子設(shè)備免受污物和密封失效的影響

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)燃機還是電動動力系統(tǒng)，在汽車使用壽命期內(nèi)為其敏感電子零部件提供保護是必不可少的?；旌蟿恿?strong>電動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)動機艙中，電子零部件(如電動機、控制單元、傳感器、壓縮機或泵中的電子零部件)都會受到極端溫度波動的影響，因此必須為其提供保護，防止污物或液體侵入。滿足最基礎(chǔ)要求的防護等級為IP6k9k，該等級可確保電子設(shè)備外殼免受灰塵顆粒物、短時浸沒和蒸汽的影響。

采用內(nèi)燃機的汽車和采用混合動力電機或電動機的汽車中的電子零部件面臨著一個共同挑戰(zhàn)：其工作溫度與較低的外部環(huán)境溫度之間存在差異。部件在車輛運行過程中會升溫，如果此時接觸到溫度較低的道路濺水或洗車水，它們的溫度會迅速降低。這種情況會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入部件中。經(jīng)過一段時間后，這種不良的壓力均衡會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會加劇這種侵入危險。

電動和混合動力汽車所面臨的特殊挑戰(zhàn)

混合動力和電動汽車的電子部件會遭遇更加惡劣的環(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。動力系統(tǒng)的敏感電子零部件，例如電動機、高性能電子部件、充電器、啟動-停車發(fā)電機等，必須要耐受極高的溫差和壓差。

其原因是，運行過程中產(chǎn)生的熱量對這些敏感的高性能電子零部件造成的影響要超過它們對傳統(tǒng)內(nèi)燃機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而損壞，并使其在最佳溫度范圍內(nèi)工作，通常會使用液體對它們進行冷卻。但這種方法也有風(fēng)險，它會在外殼中溫度最低點形成凝露，腐蝕電子部件，致使其過早出現(xiàn)故障。另一方面，例如車輛行駛時接觸低溫濺射水或洗車水造成的溫度突變也會損壞電子設(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，以供電動機使用。計算的對象是尺寸為40cm x 20cm x 20cm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升可以自由流動的空氣。車輛運行過程中，逆變器的溫度可達到70°C。洗車時，溫度為8°C至10°C的冷水會噴射到汽車底部，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，這種溫差會造成約90mbar的真空度。每當(dāng)車輛駛過積有冷水的區(qū)域時，都會形成這樣的真空，真空會對密封圈產(chǎn)生極大的應(yīng)力，經(jīng)過一段時間后，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)進入逆變器外殼，對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，混合動力或電動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。由于電池只會與濺射水而非高壓水接觸，因此無需采用與發(fā)動機機罩內(nèi)組件一樣高的防護等級。

在本例中，電池外殼的尺寸為100cm x 50cm x 30cm，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，輕型外殼無法長時間承受這樣的壓力。盡管密封圈的設(shè)計可以應(yīng)對高載荷，但這種極端應(yīng)力最終會導(dǎo)致其失效，致使外殼無法密封。

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

適用于混合動力和電動汽車空氣和壓力均衡的透氣膜技術(shù)

實現(xiàn)壓力均衡并確保電動機、動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，對于某個特定應(yīng)用而言，透氣量和透水壓是決定透氣膜性能的兩個基本參數(shù)。透氣量是指給定時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。對于需要讓大量空氣快速進出、而防護等級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)動機機艙的電子部件外殼需要經(jīng)常應(yīng)對溫度峰值，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)濟性方面最合適的解決方案。

汽車透氣產(chǎn)品在混合動力和電動汽車中的應(yīng)用

對于電動和混合動力汽車而言，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行補償，以均衡巨大的壓差并降低形成凝露的風(fēng)險。對于體積較大的電子零部件來說，即使極小的壓差也會產(chǎn)生非常高的機械載荷，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爾為混合動力和電動汽車尋求到了先進高效的汽車透氣解決方案。戈爾汽車防水透氣產(chǎn)品可有效保護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，延長其使用壽命，更減少了設(shè)計、制造和保修中的成本投入。其防水透氣膜的性能尤為獨特，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。戈爾汽車防水透氣解決方案通過降低對厚重外殼、密封和墊圈的需求，實現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜性的簡化以及制造成本的減少，性能更可靠，并使實現(xiàn)全球性平臺的一體化變得更為簡單。