LORD用于EV动力电池系统的导热填缝材料技术精解

  慧聪机械工业网   2019-05-10 次浏览

 在运输领域中,电动汽车(EVs)是今后发展的主要方向之一。为使电动汽车在市场上赢得更多的份额,目前的主要趋势是扩大电动汽车使用范围和增加性能,使之与目前内燃机汽车性能类似。这就迫使电池组工程师必须增加电池能量密度。增加能量密度意味着在更小的空间中会产生更多的热量,因此热管理就成为电池组性能和设计的关键指标之一。 

    1.导热在电池系统热管理中的重要性

    图1电池系统热量传递方式

    在进行电池系统热管理之前,首先要对其内部的热量传递过程有一个较为清晰的认识。如图1所示,电池系统对外界的热量传递方式有三种:导热、对流换热和辐射换热。基于特定的空间和温度范围,电池系统与外界的热量传递主要是通过导热这种热量传递方式进行。目前最主要的四种主动冷却方式:自然冷却、强制风冷、液冷和直冷,都是先利用导热的方式将热量从电池系统传递给散热组件(HeatSink),然后利用散热组件将热量散入环境空气中。

    导热是电池系统与散热原件之间传热的桥梁,电池系统绝大部分的热量都经此桥梁传递给环境空气,因此导热在电池系统热管理中的作用也尤为重要。

    2.导热界面材料(TIM)的作用

    基于导热在电池系统热管理中的重要作用,电池系统与HeatSink之间的导热效率则至关重要。然而,如图2(a)所示,看似光滑的表面实际上在微观尺度上是粗糙的,电池系统与HeatSink之间充斥着空气,二者之间的导热效率受到了很大的影响。

    为了解决这个问题,可以采用TIMs填充在二者之间,如图2(b)所示,采用TIMs材料填充间隙,电池系统与HeatSink之间没有空气,导热效率有了显著地提升。此外,TIMs可以提供良好的电绝缘性能,以防止在高能量电池和常用的金属散热器之间发生高压击穿。

    图2固体表面之间空气(a)和(b)TIMs填充的界面微观描述

    3.导热填缝胶的优势

    常见的TIMs材料有导热填缝胶和导热垫片两种。导热填缝胶,需要先使用计量混合设备混合,然后涂胶到一个基材表面,加压上另外一个基材,压缩到设定厚度。然后使材料固化,形成柔顺的固体界面。相反的,导热垫片需要先固化成型,然后切割成一定形状,放置在两个基材之间,压缩到设定厚度,并固定到位。施加一定的压力可以使柔顺的导热垫片与粗糙的基材表面紧密接触。

    鉴于导热填缝胶和导热垫片的固有的应用上和物理上的差异,本文将对TIMs这两种形式在电池系统中应用进行模拟实验,并对比二者的导热效率,以为热管理工程师提供合理的建议。

    3.1实验设计

    如表1所示,本实验选择的导热填缝胶样品为洛德CoolThermSC-1200和SC-1500导热填缝胶,选择的导热垫片则是与洛德CoolThermSC-1200和SC-1500导热填缝胶具有相当热导率的市售导热垫片。

    表1实验样品

    依照ASTMD5470标准,使用安赛斯科技有限公司(AnalysisTech)的TIM1400热阻仪来进行测试。因为铜对金属-TIM-金属测量具有非常小的热阻贡献,所以选择铜作为模拟散热器的金属表面。因为铜对金属-TIM-金属测量具有非常小的热阻贡献,铜对热阻测量的贡献会从以下报道的数值中除去。配合直径33mm,厚度3mm的测试用的光滑铜盘。使用洛德CoolThermSC-1200和SC-1500导热填缝胶,制备不同厚度胶层的铜-导热填缝胶-铜三明治结构的测试样品。在分析测试前,导热填缝胶是室温条件下固化。市售的导热垫片先切成33mm的直径,然后制成铜-导热垫片-铜三明治结构的测试样品。导热垫片的厚度与施加的压力决定了粘接胶层的厚度。

    压板界面的界面热阻是通过测量一个铜盘的热阻来确定的,该铜盘在顶部和底部各用一滴200cps粘度的硅油润湿。本实验在不同的压力下重复测试。然后从铜-TIM-铜样品中减去铜盘的体积热阻和测得的压板界面热阻,得到TIM材料的热阻。

    图3测试热阻用的铜-TIM-铜三明治结构样块

    3.2实验数据分析

    3.2.1材料热阻概念

    评价TIMs材料性能的主要参数为材料的热阻,热阻率越小TIMs材料的性能越好。

    TIMs材料的热阻由两部分组成:固有热阻和界面热阻,可以用下面公式表示:

    式中:θ是TIMs的热阻;t是热界面材料胶层厚度;k是热界面材料的导热率;是TIMs材料的界面热阻;θi是材料的界面热阻。

    固有热阻反应的是TIMs自身的材料特性,而界面热阻反应的则是TIMs与电池系统/HeatSink之间填充能力。

    3.2.2实验数据对比分析

    图6和表2皆为实验测试的数据。对比图6(a)和图6(b),可以发现,在导热系数和厚度相同的条件下,LORD导热填缝胶的热阻明显小于市售导热垫片。

    图4热阻实验测试(a).LORD导热填缝胶(b).市售导热垫片

    为了解释这个现象,还需要分析表2的数据。表2的数据显示:导热垫片1的界面热阻比CoolThermSC-1200的界面热阻高2.3倍,导热垫片2的界面热阻比CoolThermSC-1500的界面热阻要高近5.5倍,导热填缝胶界面热阻显著低于导热垫片。这推测是因为导热填缝胶和界面的接触较好,进而降低了界面热阻。

    表2测量的热导率和界面热

    由此可见,在自身热阻相同的情况下,由于LORD导热填缝胶的界面热阻小于导热垫片,LORD导热填缝胶的总热阻也小于导热垫片。

    再来看看压力对导热垫片1的厚度和热阻的影响,如图5所示。正如预料,热阻和厚度随着压力增加而减小。但有时通过增加压力来减小热阻可能是不现实的。从图7可以看到,如果要得到接近于导热填缝胶CoolThermSC-1200的热阻值(1mm/50kPa压力),需要用650kPa的压力将1mm导热垫片1挤压到0.64mm。高压力可能损伤电池包或散热板。

    图5热阻vs压力

    3.3原因分析及初步结论

    通过对比实验可知,在材料导热系数和厚度相同的情况,LORD导热填缝胶总热阻明显低于市售导热垫片,这主要是因为LORD导热填缝胶界面热阻明显低于市售导热垫片。

    接下来将对LORD导热填缝胶具备较低界面热阻的原因进行分析。图6示意的是导热垫片和导热填缝胶与固体组件表面接触的微观结构,很明显液态导热填缝胶很容易适应界面宏观上高度的变化。由于基板表面平面度和电池模块高度的工差,沿着界面高度变化几毫米是很正常的。而导热垫片在这方面是有局限的,主要由于导热垫片的厚度是固定的和在组装时需要压力。然而液态导热填缝胶不需要很大压力就可填充较大缝隙。可以避免较大外界压力对设计的影响,界面热阻也会比较均匀。

    图6表面接触微观示意图(a)导热垫片(b)导热填缝胶

    如图7所示,当界面有明显不平时,导热垫片和导热填缝胶与不平表面的接触情况。从图中的对比不难发现,导热填缝胶的间隙填充效果明显优于导热垫片,其界面热阻明显低于导热垫片,因此其导热效率和导热均匀性也明显优于导热垫片。

    图7TIMs在EV中应用的示意图(左)导热垫片(右)导热填缝胶

    4结论及建议

    实验分析表明:在材料导热系数和厚度相同的情况,由于液态导热填缝胶容易流动到粗糙表面的小缝隙,与相邻界面接触较好,LORD液态导热填缝胶的界面热阻和总热阻明显低于市售导热垫片,其导热效率和导热均匀性也明显优于售导热垫片。

    此外,液态导热填缝胶容易使用,不需大压力,更能适合高度差别较大的界面,且低成本,因此液态导热填缝胶成为电池系统热管理TIMs材料的首选。

    表3导热垫片和导热填缝胶优缺点对比