導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，以確保電池安全性的關鍵環(huán)節(jié)。而導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，從而達到給電芯降溫的效果[1]。根據(jù)它在熱管理系統(tǒng)中的導熱傳熱作用，其導熱性能的表現(xiàn)最為重要。

由于導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熱硅膠墊都增加一層強化材料，即導熱硅膠墊以PI膜或矽膠布為基材，以導熱硅膠為主體填充材料。導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，導熱硅膠墊還廣泛應用于通信設備、網(wǎng)絡終端、數(shù)據(jù)傳輸、LED、汽車電子、消費電子、醫(yī)療器械、軍事、航空航天等領域。

目前，對導熱硅膠墊導熱系數(shù)的選用，還無相關的數(shù)據(jù)積累以及明確的指導方向，有時會出現(xiàn)迫于成本的壓力選用低導熱系數(shù)的導熱硅膠墊。此外，動力電池結構工程師對導熱硅膠墊的關鍵性能理解不到位，把控模糊，從而會出現(xiàn)一味追求高導熱效果的產(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熱硅膠墊的導熱效果、絕緣效果等選擇一款滿足動力電池熱管理需求的導熱硅膠墊。同時，通過驗證PI膜對導熱系數(shù)的影響、導熱系數(shù)受壓縮變形的影響、長時間使用對導熱效果的影響，為后續(xù)導熱硅膠墊的選用提供了理論、數(shù)據(jù)支持。

1 導熱硅膠墊的選型

導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熱硅膠附加的加強材料，導熱效果即導熱系數(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，實際使用中的導熱硅膠墊都增加一層強化材料，即導熱硅膠墊以PI膜或矽膠布為基材，以導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。導熱硅膠墊的結構如圖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，影響導熱性，熱阻越高導熱性越低；

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 導熱硅膠墊結構示意

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

表1 PI膜導熱硅膠墊和矽膠布導熱硅膠墊測試結果

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

1.2 不同導熱系數(shù)導熱硅膠墊的導熱效果

為了解不同導熱系數(shù)下導熱硅膠墊的導熱效果，現(xiàn)分別選取導熱系數(shù)為1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K)的PI膜導熱硅膠墊，模擬測試其導熱效果。使用加熱片對不同導熱系數(shù)的導熱硅膠墊進行加熱，通過測試導熱硅膠墊兩側溫差以反映導熱硅膠墊的導熱情況。導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，通電后可對導熱硅膠墊加熱?？紤]到動力電池內的溫度范圍為-40～85 ℃，試驗過程中，導熱硅膠墊中心溫度達到85 ℃即停止加熱。測試結果如下：

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

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

圖2 1.5 W/(m·K)導熱硅膠墊溫度-時間曲線

圖3 2.0 W/(m·K)導熱硅膠墊溫度-時間曲線

(3)2.5 W/(m·K)的導熱硅膠墊，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)導熱硅膠墊溫度-時間曲線

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

圖5 3.0 W/(m·K)導熱硅膠墊溫度-時間曲線

測試結果顯示：1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K)導熱系數(shù)下的導熱硅膠墊兩側溫差相差分別為6.53、6.17、6.02、5.63 ℃，導熱效果相差不大。但是隨著導熱系數(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)的導熱硅膠墊。

1.3 導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)，不應發(fā)生介質擊穿或電弧現(xiàn)象?，F(xiàn)選用1.0 mm厚和2.0 mm厚的PI膜導熱硅膠墊，具體測試方法如下：

(1)把導熱硅膠片鋪在液冷板上，把銅鋁復合板貼在導熱硅膠片上(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，紅線夾在銅鋁復合板上；

(3)施加2 400 V AC電壓，時間60 s，讀取漏電流。

圖6 導熱硅膠墊漏電流測試示意

測試結果詳見表2。

表2 PI膜導熱硅膠墊漏電流測試結果

結果分析：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膜導熱硅膠墊。

2 PI膜導熱硅膠墊關鍵性能的探究

2.1 PI膜對導熱系數(shù)的影響

電池系統(tǒng)中使用的導熱硅膠墊，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，通常選用導熱硅膠上覆PI膜形成導熱硅膠墊，這樣導熱硅膠墊導熱效果可能會受影響。

導熱系數(shù)是導熱硅膠的關鍵特性，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，得到的導熱系數(shù)來表征產(chǎn)品的導熱系數(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熱系數(shù)。通過測試導熱硅膠的導熱系數(shù)，以及覆PI膜后導熱硅膠墊產(chǎn)品的導熱系數(shù)，兩者的結果對比來探究PI膜對導熱系數(shù)的影響。測試結果見表3和表4，其中導熱硅膠測試數(shù)據(jù)擬合曲線見圖7。

表3 導熱硅膠導熱系數(shù)測試結果

表4 PI膜導熱硅膠墊產(chǎn)品導熱系數(shù)測試結果

圖7 導熱硅膠測試結果擬合曲線

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

2.2 不同壓力/變形量下的熱阻變化

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

表5 PI膜導熱硅膠墊產(chǎn)品導熱系數(shù)測試結果

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

2.3 導熱系數(shù)與熱阻隨時間的變化

導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，導熱硅膠墊的導熱性能是否改變，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熱效果是否發(fā)生變化。

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

(1)高低溫老化試驗后，導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，測試結果見表7?？梢钥闯觯簩嵯禂?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果

(2)濕熱老化試驗后，導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，測試結果見表8?？梢钥闯觯簩嵯禂?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果

(3)高溫老化試驗后，導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，測試結果見表9?？梢钥闯觯簩嵯禂?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熱硅膠墊的性能變化情況，從測試結果發(fā)現(xiàn)：高低溫老化、濕熱老化、高溫老化試驗后導熱系數(shù)分別減少0.018、0.026、0.006 W/(m·K)，變化率為1.16%、1.68%、0.39%，說明導熱硅膠墊在長時間使用過程中導熱系數(shù)基本不變。

3 結論

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

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

(3)隨著應力、壓縮變形量的增加，熱阻減小，導熱系數(shù)增加，故導熱硅膠墊產(chǎn)品導熱系數(shù)的選用需要參考壓縮應力曲線，即根據(jù)實際壓縮量找到對應的壓縮應力，選用此應力作為測試應力的輸入，按照ASTM D5470進行測試，測試結果即可定義為實際使用中的導熱系數(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，導熱系數(shù)基本不變，說明導熱硅膠墊在長時間使用過程中導熱系數(shù)基本不變，即可認定為導熱硅膠墊的導熱性能滿足長時間使用需求。