應用于EV動力電池系統的雙組份導熱填縫材料XK-S20

      隨著現在交通運輸業的發展,石油資源的日益枯竭，環境污染問題的日益嚴重。電動汽車(EVs)是今后乃至未來發展的主要方向之一。為使電動汽車在市場上更快更穩定的運行，需要使用性能更加優良的導熱散熱材料。目前的應用的主要趨勢是增加電池能量密度從而提高整車的續航里程。增加能量密度意味著在更小的空間中會產生更多的熱量,因此電池包熱管理就成為新能源整車性能和設計的關鍵指標之一。

      1. 導熱在電池系統熱管理中的重要性

      電池系統熱量傳遞方式（圖1）

      在進行電池系統熱管理之前,首先要對其內部的熱量傳遞過程有一個較為清晰的認識。如圖1所示,電池系統對外界的熱量傳遞方式有三種:導熱、對流散熱和輻射散熱?；谔囟ǖ目臻g和溫度范圍, 電池系統與外界的熱量傳遞主要是通過導熱這種熱量傳遞方式進行。目前最主要的四種主動冷卻方式:自然冷卻、強制風冷、液冷和直冷,都是先利用導熱的方式將熱量從電池系統傳遞給散熱組件(Heat Sink),然后利用散熱組件將熱量散入環境空氣中。
      導熱是電池系統與散熱原件之間傳熱的橋梁,電池系統絕大部分的熱量都經過此橋梁傳遞給環境空氣,因此導熱在電池系統熱管理中的作用非常重要。
      2. 導熱界面材料(TIM)的作用
      基于導熱在電池系統熱管理中的重要作用,電池系統與Heat Sink之間的導熱效率則至關重要。然而,如圖2(a)所示,看似光滑的表面實際上在微觀尺度上是粗糙的,電池系統與Heat Sink之間充斥著空氣,二者之間的導熱效率受到了很大的影響。 

      為了解決這個問題,可以采用TIMs填充在二者之間,如圖2(b)所示,采用TIMs材料填充間隙,電池系統與HeatSink之間沒有空氣,導熱效率有了顯著地提升。此外,TIMs可以提供良好的電絕緣性能,以防止在高能量電池和常用的金屬散熱器之間發生高壓擊穿。

      3. 導熱填縫膠的優勢
      GLPOLY常見的TIMs材料有雙劑液態導熱填縫膠XK-S20和導熱墊片XK-P20兩種。雙劑液態導熱填縫膠XK-S20需要先使用計量混合設備按照1:1的比例混合,然后涂膠到一個界面表面,加壓上另外一個導熱散熱界面,壓縮到設定厚度。然后使材料固化,形成柔順的固體界面。相反的,導熱墊片需要先固化成型,然后切割成一定形狀,放置在兩個導熱界面之間,壓縮到設定厚度,并固定到位。施加一定的壓力可以使導熱墊片與粗糙的基材表面緊密接觸。
      鑒于雙劑液態導熱填縫膠XK-S20和導熱墊片XK-P20固有的應用上和物理上的差異,這里將對TIMs這兩種形式在電池系統中應用進行模擬實驗,并對比二者的導熱效率,以為熱管理工程師提供合理的建議。
      依照ASTM D5470標準,使用熱阻儀來進行測試。因為銅對金屬-TIM-金屬測量具有非常小的熱阻,所以選擇銅作為模擬散熱器的金屬表面。因為銅對金屬-TIM-金屬測量具有非常小的熱阻,銅對熱阻測量會從以下提到的數值中除去。配合直徑33mm,厚度3mm的測試用的光滑銅盤。使用GLPOLY雙劑液態導熱填縫膠XK-S20和XK-S30，制備不同厚度膠層的銅-導熱填縫膠-銅三明治結構的測試樣品。在分析測試前,導熱填縫膠是室溫條件下固化。導熱墊片先切成33mm的直徑,然后制成銅-導熱墊片-銅結構的測試樣品。導熱墊片的厚度與施加的壓力決定了粘接膠層的厚度。

      壓板界面的界面熱阻是通過測量一個銅盤的熱阻來確定的,該銅盤在頂部和底部各用一滴200cps粘度的硅油潤濕。本實驗在不同的壓力下重復測試。然后從銅-TIM-銅樣品中減去銅盤的體積熱阻和測得的壓板界面熱阻,得到TIM材料的熱阻。

      3.1 實驗數據分析
      3.1.1 材料熱阻概念
      評價TIMs材料性能的主要參數為材料的熱阻,熱阻率越小TIMs材料的性能越好。

      TIMs材料的熱阻由兩部分組成:固有熱阻和界面熱阻,可以用下面公式表示:

      式中:θ是TIMs的熱阻; t 是熱界面材料膠層厚度 ;k是熱界面材料的導熱率;是TIMs材料的界面熱阻;θi 是材料的界面熱阻。
      固有熱阻反應的是TIMs自身的材料特性,而界面熱阻反應的則是TIMs與電池系統/Heat Sink之間填充能力。
      3.2 原因分析及初步結論
      通過對比實驗可知,在材料導熱系數和厚度相同的情況, 雙劑液態導熱填縫膠XK-S20總熱阻明顯低于市售導熱墊片,這主要是因為雙劑液態導熱填縫膠XK-S20界面熱阻明顯低于導熱墊片。

      接下來將對雙劑液態導熱填縫膠XK-S20具備較低界面熱阻的原因進行分析。圖4示意的是導熱墊片和導熱填縫膠與固體組件表面接觸的微觀結構,很明顯液態導熱填縫膠很容易適應界面宏觀上高度的變化。由于基板表面平面度和電池模塊高度的公差,沿著界面高度變化幾毫米是很正常的。而導熱墊片在這方面是有局限的,主要由于導熱墊片的厚度是固定的和在組裝時需要壓力。然而液態導熱填縫膠不需要很大壓力就可填充較大縫隙?？梢员苊廨^大外界壓力對設計的影響,界面熱阻也會比較均勻。

      如圖5所示, 當界面有明顯不平時,導熱墊片和導熱填縫膠與不平表面的接觸情況。從圖中的對比不難發現,雙劑導熱填縫膠的間隙填充效果明顯優于導熱墊片,其界面熱阻明顯低于導熱墊片,因此其導熱效率和導熱均勻性也明顯優于導熱墊片。
      4 結論及建議
實驗分析表明:在材料導熱系數和厚度相同的情況,由于液態導熱填縫膠容易流動到粗糙表面的小縫隙, 且與相鄰界面接觸較好, GLPOLY雙劑液態導熱填縫膠XK-S20的界面熱阻和總熱阻明顯低于導熱墊片,其導熱效率和導熱均勻性也明顯優于導熱墊片。
      此外,液態導熱填縫膠容易使用,不需大壓力,更能適合高度差別較大的界面,且低成本,因此GLPOLY雙劑液態導熱填縫膠XK-S20一定會成為未來電池系統熱管理TIMs材料的首選。