導(dǎo)熱硅膠墊選型和性能探究

孟叢叢

(榮盛盟固利新能源科技有限公司，北京 102200)

0 引言

隨著新能源汽車的發(fā)展，電動汽車安全性能備受關(guān)注，隨之而來的動力電池的安全性能極為重要。動力電池的熱管理系統(tǒng)是保持電池內(nèi)和電池間的溫度均衡，同時把電池絕對溫度控制在合理范圍內(nèi)，以確保電池安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而導(dǎo)熱硅膠墊在熱管理系統(tǒng)中位于液冷板和電芯極耳之間,以實現(xiàn)液冷系統(tǒng)與電芯之間的熱傳導(dǎo)，從而達到給電芯降溫的效果[1]。根據(jù)它在熱管理系統(tǒng)中的導(dǎo)熱傳熱作用，其導(dǎo)熱性能的表現(xiàn)最為重要。

由于導(dǎo)熱硅膠本身硬度較低、強度很小，直接貼在液冷板上使用，可能會破損或者被液冷板的毛刺等刺穿，引發(fā)絕緣失效。所以實際使用中的導(dǎo)熱硅膠墊都增加一層強化材料，即導(dǎo)熱硅膠墊以PI膜或矽膠布為基材，以導(dǎo)熱硅膠為主體填充材料。導(dǎo)熱硅膠墊一般位于液冷板和電芯極耳之間，可以有效地排除空氣，達到很好的填充、導(dǎo)熱效果。此外，還具有良好的絕緣耐壓特性和溫度穩(wěn)定性，使用安全可靠。此外，導(dǎo)熱硅膠墊還廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)終端、數(shù)據(jù)傳輸、LED、汽車電子、消費電子、醫(yī)療器械、軍事、航空航天等領(lǐng)域。

目前，對導(dǎo)熱硅膠墊導(dǎo)熱系數(shù)的選用，還無相關(guān)的數(shù)據(jù)積累以及明確的指導(dǎo)方向，有時會出現(xiàn)迫于成本的壓力選用低導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅膠墊。此外，動力電池結(jié)構(gòu)工程師對導(dǎo)熱硅膠墊的關(guān)鍵性能理解不到位，把控模糊，從而會出現(xiàn)一味追求高導(dǎo)熱效果的產(chǎn)品。為了解決實際中存在的這些問題，本文作者通過研究導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱效果、絕緣效果等選擇一款滿足動力電池?zé)峁芾硇枨蟮膶?dǎo)熱硅膠墊。同時，通過驗證PI膜對導(dǎo)熱系數(shù)的影響、導(dǎo)熱系數(shù)受壓縮變形的影響、長時間使用對導(dǎo)熱效果的影響，為后續(xù)導(dǎo)熱硅膠墊的選用提供了理論、數(shù)據(jù)支持。

1 導(dǎo)熱硅膠墊的選型

導(dǎo)熱硅膠墊是新能源汽車行業(yè)較成熟的產(chǎn)品，在選用時需要考慮導(dǎo)熱硅膠附加的加強材料，導(dǎo)熱效果即導(dǎo)熱系數(shù)，還有在實際工況下的絕緣性能。

1.1 加強材料選用

實際使用中，導(dǎo)熱硅膠墊上表面直接貼在液冷板上，然后再放置在模組上，即與電芯的極耳緊密貼合。由于導(dǎo)熱硅膠本身硬度較低、強度很小，在動力電池的生產(chǎn)或者使用中，導(dǎo)熱硅膠墊可能存在破損或者被液冷板的毛刺等刺穿，從而引發(fā)絕緣失效的現(xiàn)象。所以，實際使用中的導(dǎo)熱硅膠墊都增加一層強化材料，即導(dǎo)熱硅膠墊以PI膜或矽膠布為基材，以導(dǎo)熱硅膠為主體填充材料。

目前常用的加強材料主要有PI(聚酰亞胺)膜、矽膠布(含玻纖)[2]，其作用主要是加強材料操作性、強度、絕緣等性能。導(dǎo)熱硅膠墊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，理論上：

絕緣性：PI膜>矽膠布，影響絕緣，絕緣性越高，電氣性越好；

熱阻：PI膜>矽膠布，影響導(dǎo)熱性，熱阻越高導(dǎo)熱性越低；

強度：PI膜>矽膠布，影響耐磨損，強度越高，耐磨損、耐拉扯、耐刺穿性能越好。

圖1 導(dǎo)熱硅膠墊結(jié)構(gòu)示意

現(xiàn)選用同等厚度不同類型的導(dǎo)熱硅膠墊，即PI膜導(dǎo)熱硅膠墊和矽膠布導(dǎo)熱硅膠墊，分別進行強度、絕緣性能、導(dǎo)熱性能的測試，通過測試結(jié)果比較兩種類型導(dǎo)熱硅膠墊的差異。同等厚度兩種類型導(dǎo)熱硅膠墊強度、絕緣性能、導(dǎo)熱性能測試結(jié)果見表1。

表1 PI膜導(dǎo)熱硅膠墊和矽膠布導(dǎo)熱硅膠墊測試結(jié)果

以上測試結(jié)果表明：PI膜導(dǎo)熱硅膠墊的強度和絕緣性能明顯優(yōu)于矽膠布導(dǎo)熱硅膠墊，導(dǎo)熱性能相差不大，可以接受。綜合導(dǎo)熱性能、絕緣性能與高機械強度要求，PI膜更適用于Pack電池包、水冷散熱應(yīng)用等環(huán)境。

1.2 不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱效果

為了解不同導(dǎo)熱系數(shù)下導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱效果，現(xiàn)分別選取導(dǎo)熱系數(shù)為1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K)的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊，模擬測試其導(dǎo)熱效果。使用加熱片對不同導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅膠墊進行加熱，通過測試導(dǎo)熱硅膠墊兩側(cè)溫差以反映導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱情況。導(dǎo)熱硅膠墊正面中心位置和其中一角分別布置熱電偶104和103，反面相應(yīng)位置分別布置熱電偶101和102。熱電偶104和103上面分別粘貼加熱片，通電后可對導(dǎo)熱硅膠墊加熱。考慮到動力電池內(nèi)的溫度范圍為-40～85 ℃，試驗過程中，導(dǎo)熱硅膠墊中心溫度達到85 ℃即停止加熱。測試結(jié)果如下：

(1)1.5 W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠墊，中心溫度為66.04 ℃時，兩側(cè)溫差最大，平均溫差為6.53 ℃，如圖2所示。

(2)2 W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠墊，中心溫度為60.05 ℃時，兩側(cè)溫差最大，平均溫差為6.17 ℃，如圖3所示。

圖2 1.5 W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠墊溫度-時間曲線

圖3 2.0 W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠墊溫度-時間曲線

(3)2.5 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅膠墊，中心溫度為70.78 ℃時，兩測溫差最大，平均溫差為6.02 ℃，如圖4所示。

圖4 2.5 W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠墊溫度-時間曲線

(4)3.0 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅膠墊，中心溫度為71.67 ℃時，兩側(cè)溫差最大，平均溫差為5.63 ℃，如圖5所示。

圖5 3.0 W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠墊溫度-時間曲線

測試結(jié)果顯示：1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)下的導(dǎo)熱硅膠墊兩側(cè)溫差相差分別為6.53、6.17、6.02、5.63 ℃，導(dǎo)熱效果相差不大。但是隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加成本增幅很大，如2.0 W比1.5 W貴30%。所以，綜合成本因素考慮，優(yōu)選1.5 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅膠墊。

1.3 導(dǎo)熱硅膠墊的厚度在相同工況中的差異

根據(jù)GB/T 18384.3-2015人員觸電防護要求，對電子元器件施加(2U+1 000)V(RMS)[3]的交流電壓(U為電子元器件的工作電壓)，不應(yīng)發(fā)生介質(zhì)擊穿或電弧現(xiàn)象。現(xiàn)選用1.0 mm厚和2.0 mm厚的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊，具體測試方法如下：

(1)把導(dǎo)熱硅膠片鋪在液冷板上，把銅鋁復(fù)合板貼在導(dǎo)熱硅膠片上(如圖6所示)，保證各部件間緊密貼合,壓緊壓實；

(2)將耐壓測試儀黑線夾在液冷板上，紅線夾在銅鋁復(fù)合板上；

(3)施加2 400 V AC電壓，時間60 s，讀取漏電流。

圖6 導(dǎo)熱硅膠墊漏電流測試示意

測試結(jié)果詳見表2。

表2 PI膜導(dǎo)熱硅膠墊漏電流測試結(jié)果

結(jié)果分析：由于漏電流越小，絕緣性能更優(yōu)，發(fā)生擊穿或電弧的可能性越小。而2.0 mm厚的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊漏電流為76 μA，小于1.0 mm厚度下的130 μA，絕緣性能更優(yōu)。為了保證液冷板和極耳的絕緣性能，故選用2.0 mm的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊。

2 PI膜導(dǎo)熱硅膠墊關(guān)鍵性能的探究

2.1 PI膜對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

電池系統(tǒng)中使用的導(dǎo)熱硅膠墊，一般是實現(xiàn)液冷系統(tǒng)與模組(極耳)之間的傳熱，由于強度和絕緣性能的要求，通常選用導(dǎo)熱硅膠上覆PI膜形成導(dǎo)熱硅膠墊，這樣導(dǎo)熱硅膠墊導(dǎo)熱效果可能會受影響。

導(dǎo)熱系數(shù)是導(dǎo)熱硅膠的關(guān)鍵特性，一般采用熱流法，依據(jù)ASTM D5470[4]測試。由于接觸熱阻的影響，一般選用相同狀態(tài)、不同厚度的導(dǎo)熱硅膠測試，測試得到熱阻，以試樣的厚度為x軸，熱阻為y軸，擬合成一條曲線，計算得出導(dǎo)熱系數(shù)，即R=t/K+Rcontact[5]。但是實際使用的產(chǎn)品測試時，可忽略接觸熱阻，用產(chǎn)品的厚度除以此厚度下測得的熱阻，得到的導(dǎo)熱系數(shù)來表征產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)；或者用實際產(chǎn)品疊加來獲得不同厚度下的熱阻，再擬合成曲線計算得出導(dǎo)熱系數(shù)。通過測試導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)，以及覆PI膜后導(dǎo)熱硅膠墊產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)，兩者的結(jié)果對比來探究PI膜對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。測試結(jié)果見表3和表4，其中導(dǎo)熱硅膠測試數(shù)據(jù)擬合曲線見圖7。

表3 導(dǎo)熱硅膠導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

表4 PI膜導(dǎo)熱硅膠墊產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

圖7 導(dǎo)熱硅膠測試結(jié)果擬合曲線

通過測試結(jié)果可知，覆加PI膜后導(dǎo)熱硅膠墊導(dǎo)熱效果會下降，在導(dǎo)熱系數(shù)的選取時需考慮。

2.2 不同壓力/變形量下的熱阻變化

導(dǎo)熱硅膠壓縮形變要求，設(shè)計時需要考慮導(dǎo)熱硅膠的壓縮量，根據(jù)導(dǎo)熱硅膠的壓縮應(yīng)力-變形量曲線，根據(jù)對手件(液冷板和模組極耳)可承受的應(yīng)力選擇對應(yīng)的壓縮量。現(xiàn)選取導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·K)、厚度為1.0 mm的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊作為研究對象，其測試結(jié)果見表5。

表5 PI膜導(dǎo)熱硅膠墊產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

由應(yīng)力-熱阻測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力越大，熱阻越小，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)越好；同樣壓縮量越大，熱阻越小，導(dǎo)熱系數(shù)越好。故導(dǎo)熱硅膠墊產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)的選擇，需要參考壓縮應(yīng)力曲線，即根據(jù)實際壓縮量找到對應(yīng)的壓縮應(yīng)力，選用此應(yīng)力作為測試應(yīng)力的輸入，按照ASTM D5470進行測試，測試結(jié)果即可定義為實際使用中的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻隨時間的變化

導(dǎo)熱硅膠墊的適用溫度一般定義為-40～85 ℃。為了驗證長時間使用后，導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱性能是否改變，現(xiàn)通過高溫老化試驗、高低溫老化試驗、濕熱老化試驗來模擬長時間使用后導(dǎo)熱效果是否發(fā)生變化。

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)K和熱阻R的關(guān)系式：R=t/K+Rcontact，導(dǎo)熱系數(shù)越大導(dǎo)熱效果越好，熱阻越小導(dǎo)熱效果越好，所以導(dǎo)熱系數(shù)或熱阻都可以表征導(dǎo)熱效果。

(1)高低溫老化試驗后，導(dǎo)熱率與熱阻隨時間變化情況

樣品尺寸：φ30 mm×2.0 mm，測試條件見表6，測試結(jié)果見表7。可以看出：導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢，減小了0.018 W/(m·K)，變化率為1.16%。

表6 高低溫老化試驗測試條件

表7 高低溫老化試驗后的測試結(jié)果

(2)濕熱老化試驗后，導(dǎo)熱率與熱阻隨時間變化情況

選用φ30 mm×2.0 mm試樣，在85 ℃ & 85%RH的高溫高濕條件下經(jīng)過500 h老化后，測試結(jié)果見表8。可以看出：導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢，減小了0.026 W/(m·K)，變化率為1.68%。

表8 濕熱老化試驗后的測試結(jié)果

(3)高溫老化試驗后，導(dǎo)熱率與熱阻隨時間變化情況

選用φ30 mm×2.0 mm的試樣，在150 ℃高溫箱中經(jīng)過500 h老化后，測試結(jié)果見表9。可以看出：導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢，減小了0.006 W/(m·K)，變化率為0.39%。

表9 高溫老化試驗后的測試結(jié)果

綜上所述，用高溫老化、濕熱老化以及高低溫老化來模擬長時間使用后導(dǎo)熱硅膠墊的性能變化情況，從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高低溫老化、濕熱老化、高溫老化試驗后導(dǎo)熱系數(shù)分別減少0.018、0.026、0.006 W/(m·K)，變化率為1.16%、1.68%、0.39%，說明導(dǎo)熱硅膠墊在長時間使用過程中導(dǎo)熱系數(shù)基本不變。

3 結(jié)論

(1)綜合導(dǎo)熱效果、絕緣性能以及成本考慮，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·K)、厚度為2 mm的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊更符合工況使用需求。

(2)覆加PI膜后導(dǎo)熱硅膠墊導(dǎo)熱效果會下降，在導(dǎo)熱系數(shù)的選取時需考慮。

(3)隨著應(yīng)力、壓縮變形量的增加，熱阻減小，導(dǎo)熱系數(shù)增加，故導(dǎo)熱硅膠墊產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)的選用需要參考壓縮應(yīng)力曲線，即根據(jù)實際壓縮量找到對應(yīng)的壓縮應(yīng)力，選用此應(yīng)力作為測試應(yīng)力的輸入，按照ASTM D5470進行測試，測試結(jié)果即可定義為實際使用中的導(dǎo)熱系數(shù)。

(4)采用高溫老化、濕熱老化以及高低溫老化試驗來模擬長時間使用后，導(dǎo)熱系數(shù)基本不變，說明導(dǎo)熱硅膠墊在長時間使用過程中導(dǎo)熱系數(shù)基本不變，即可認(rèn)定為導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱性能滿足長時間使用需求。