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【行業(yè)觀察】工程機械人的十大苦逼現(xiàn)實—我堅持，我驕傲！
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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。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，研究者通過研究導(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熱管理需求的導(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。
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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），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。
現(xiàn)選用同等厚度不同類型的導(dǎo)熱硅膠墊，即PI膜膜導(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。
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?？紤]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. 2.0 Ｗ/(ｍ·Ｋ) 導(dǎo)熱硅膠墊， 中 心溫度為66.05 ℃時，兩側(cè)溫差最大，平均溫差為6.17 ℃ , 如圖３所示。
3. 2.5 Ｗ/(ｍ·Ｋ) 導(dǎo)熱硅膠墊， 中 心溫度為70.78 ℃時，兩側(cè)溫差最大，平均溫差為6.02 ℃ , 如圖4所示。
4. 3.0 Ｗ/(ｍ·Ｋ) 導(dǎo)熱硅膠墊， 中心溫度為71.76 ℃時，兩側(cè)溫差最大，平均溫差為5.63 ℃ , 如圖5所示。
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 成本高 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+1000)Ｖ (RMS)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1.0ｍｍ厚和2.0ｍｍ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2400Ｖ AC電壓， 時間60S， 讀取漏電流。
測試結(jié)果詳見表２:
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2.0ｍｍ厚的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊漏電流為76μＡ，小于1.0ｍｍ厚度下的130μＡ，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2.0ｍｍ的PT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+R contact
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。
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 1.0ｍｍ的PI膜導(dǎo)熱硅膠墊作為研究對象，其測試結(jié)果見表５。
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)熱能力越好；同樣壓縮量越大，熱阻越小，導(dǎo)熱能力越好。故導(dǎo)熱硅膠墊產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)指標的選擇，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+R contact
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：?30×2.0ｍｍ，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％。
2. 濕熱老化試驗后， 導(dǎo)熱率與熱阻隨時間變化情況
選用?30×2.0ｍｍ試樣， 在85℃＆85％ RH的高溫高濕條件下經(jīng)過500ｈ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0.0126 Ｗ/（ｍ·Ｋ）， 變化率為1.68％。
3. 高溫老化試驗后， 導(dǎo)熱率與熱阻隨時間變化情況
選用?30×2.0ｍｍ試樣，在150℃高溫箱中經(jīng)過500ｈ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％。
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2ｍｍ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，即可認定為導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱性能滿足長時間使用需求。
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