应用于EV动力电池系统的双组份导热填缝材料XK-S20

      随着现在交通运输业的发展,石油资源的日益枯竭，环境污染问题的日益严重。电动汽车(EVs)是今后乃至未来发展的主要方向之一。为使电动汽车在市场上更快更稳定的运行，需要使用性能更加优良的导热散热材料。目前的应用的主要趋势是增加电池能量密度从而提高整车的续航里程。增加能量密度意味着在更小的空间中会产生更多的热量,因此电池包热管理就成为新能源整车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

      电池系统热量传递方式（图1）

      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、对流散热和辐射散热。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(Heat Sink),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过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非常重要。
      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Heat Sink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Heat Sink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。

      3. 导热填缝胶的优势
      GLPOLY常见的TIMs材料有双剂液态导热填缝胶XK-S20和导热垫片XK-P20两种。双剂液态导热填缝胶XK-S20需要先使用计量混合设备按照1:1的比例混合,然后涂胶到一个界面表面,加压上另外一个导热散热界面,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,放置在两个导热界面之间,压缩到设定厚度,并固定到位。施加一定的压力可以使导热垫片与粗糙的基材表面紧密接触。
      鉴于双剂液态导热填缝胶XK-S20和导热垫片XK-P20固有的应用上和物理上的差异,这里将对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。
      依照ASTM D5470标准,使用热阻仪来进行测试。因为铜对金属-TIM-金属测量具有非常小的热阻,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,铜对热阻测量会从以下提到的数值中除去。配合直径33mm,厚度3mm的测试用的光滑铜盘。使用GLPOLY双剂液态导热填缝胶XK-S20和XK-S30，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。导热垫片先切成33mm的直径,然后制成铜-导热垫片-铜结构的测试样品。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。

      3.1 实验数据分析
      3.1.1 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/Heat Sink之间填充能力。
      3.2 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, 双剂液态导热填缝胶XK-S20总热阻明显低于市售导热垫片,这主要是因为双剂液态导热填缝胶XK-S20界面热阻明显低于导热垫片。

      接下来将对双剂液态导热填缝胶XK-S20具备较低界面热阻的原因进行分析。图4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公差,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。

      如图5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,双剂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。
      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, 且与相邻界面接触较好, GLPOLY双剂液态导热填缝胶XK-S20的界面热阻和总热阻明显低于导热垫片,其导热效率和导热均匀性也明显优于导热垫片。
      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GLPOLY双剂液态导热填缝胶XK-S20一定会成为未来电池系统热管理TIMs材料的首选。