電動(dòng)汽車(chē)電機(jī) 電控 電池的高導(dǎo)熱界面材料 相變材料 導(dǎo)熱吸波材料應(yīng)用

動(dòng)車(chē)發(fā)展的勢(shì)頭很猛，2021年，電動(dòng)車(chē)的全年滲透率已經(jīng)超過(guò)12%，直接比去年翻了接近一倍，從這個(gè)趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)電動(dòng)車(chē)會(huì)發(fā)展得更快。就目前電動(dòng)車(chē)技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)來(lái)看，更長(zhǎng)的續(xù)航里程及更快的充電速度這方面依然是不盡人意的。為了實(shí)現(xiàn)如上兩個(gè)重要目標(biāo)，意味著需要能量密度和功率密度更高的電池，而這些特性又會(huì)使電池釋放出更多的熱量，這些熱量輕則低各部件的性能和壽命，嚴(yán)重的可能會(huì)引起線(xiàn)路短路，造成車(chē)輛自燃。

電動(dòng)車(chē)核心“三電”：電池模塊，電控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)

因此為了保證電動(dòng)汽車(chē)的核心部件“三電”及充電樁的安全性能與使用壽命，我們需要讓熱量及時(shí)有效的釋放出去，而這便是熱管理材料的用武之地，而熱界面材料（Thermal Interface Materials，TIM）在熱管理中起到了十分關(guān)鍵的作用，是該學(xué)科中的一個(gè)重要研究分支。熱界面材料的定義是可使熱量從產(chǎn)生熱源的組件快速傳遞到散熱的中間材料或元器件。常見(jiàn)的導(dǎo)熱界面材料產(chǎn)品種類(lèi)有：導(dǎo)熱襯墊、無(wú)硅導(dǎo)熱襯墊、導(dǎo)熱凝膠-單組分、導(dǎo)熱凝膠-雙組份、導(dǎo)熱凝膠-無(wú)硅、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱相變材料、導(dǎo)熱灌封膠、導(dǎo)熱石墨片等。

為啥需要熱界面材料？

對(duì)于任何熱管理解決方案來(lái)說(shuō)，熱界面材料（TIM）都是關(guān)鍵的組成部分。由于它是大多數(shù)應(yīng)用中的一小部分，因此很容易被忽視，但熱界面材料可讓設(shè)備及其相關(guān)產(chǎn)品發(fā)揮有效作用。熱界面材料（TIM）是眾多電子和儲(chǔ)能裝置中的關(guān)鍵部件。基本上，如果產(chǎn)生熱量并需要轉(zhuǎn)移則通常需要TIM。

上圖中深藍(lán)色代表熱界面材料，淺藍(lán)色代表空氣，灰色及黑色代表兩個(gè)不同表面。凡是表面都會(huì)有粗糙度，所以當(dāng)兩個(gè)表面接觸在一起的時(shí)候，不可能完全接觸在一起，總會(huì)有一些空氣隙夾雜在其中，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常之?。?0℃下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0267W/(m.K)），因此就造成了比較大的接觸熱阻。而使用柔軟可塑的熱界面材料就可以填充這個(gè)空氣隙（當(dāng)然在大多數(shù)情況下，100%消除空氣幾乎不可能，因此，小凹陷和小孔中仍然會(huì)有小氣袋。但是，此時(shí)的熱性能相比未使用TIM的情況已有極大改善），這樣就可以降低接觸熱阻，提高散熱性能。

導(dǎo)熱不導(dǎo)電的六方氮化硼片片

通用的導(dǎo)熱界面材料，多以樹(shù)脂為基體并按需添加導(dǎo)熱填料。樹(shù)脂基體材料易于變形可以很好的彌合間隙增加有效接觸以提升散熱，但一般樹(shù)脂基體熱導(dǎo)率差，需填充以導(dǎo)熱填料可以有效調(diào)節(jié)其熱導(dǎo)率從而滿(mǎn)足使用要求。

填料種類(lèi)可以分為三大類(lèi)，分別為金屬導(dǎo)熱填料、碳基導(dǎo)熱填料、無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料。常見(jiàn)的金屬導(dǎo)熱填料主要包括Al、Cu、Ag等。碳基導(dǎo)熱填料主要有石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維等。無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料主要有氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)等。

常見(jiàn)樹(shù)脂基體及導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)

電池組里的熱界面材料：

電池不良散熱會(huì)降低電池充電率，進(jìn)而增加充電時(shí)間，甚至?xí)p壞對(duì)溫度敏感的電池。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力鋰電池組熱設(shè)計(jì)是保證電池可靠工作的關(guān)鍵技術(shù)，而如何把電芯的熱量導(dǎo)出來(lái)是核心的設(shè)計(jì)考量因素。常見(jiàn)的電池?zé)峁芾碇械目绽浜鸵豪?，這兩種冷卻方式都是先通過(guò)導(dǎo)熱將熱量從電池系統(tǒng)傳遞給冷卻管，再通過(guò)冷卻管將熱量傳遞到空氣中。為使冷卻管達(dá)到更佳的散熱效果，需要在冷卻管和電池之間填充高導(dǎo)熱界面材料，從而排除空氣，減少傳熱熱阻，顯著提升散熱效果。

當(dāng)然除了導(dǎo)熱界面材料，電動(dòng)汽車(chē)電池組導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)粘合劑的應(yīng)用也是較為廣泛的，用它取代傳統(tǒng)的機(jī)械緊固件、螺絲及鉚釘?shù)?，有利于降低整?chē)重量，據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)稱(chēng)電池組實(shí)現(xiàn)更高可達(dá)30千克的減重效果，間接的讓汽車(chē)?yán)m(xù)航能力得以提升。此外這些粘合劑還有助于顯著汽車(chē)減少所需的部件數(shù)量，優(yōu)化電池組設(shè)計(jì)的成本。

磷酸鐵鋰硬殼電芯電池包結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛家庭用的新能源汽車(chē)中電池板重量約150-400kg，有機(jī)硅導(dǎo)熱灌封膠的使用量約20-50kg。常用的有機(jī)硅灌封膠均采用氧化鋁、硅微粉等作導(dǎo)熱填料，膠比重通常在1.8-2.2g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)0.4-0.8W/m*K，阻燃達(dá)到UL94V-0或V-1，并具有良好的流動(dòng)性。

電動(dòng)車(chē)電控系統(tǒng)里面的熱界面材料：

在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，IGBT作為電控系統(tǒng)和直流充電樁的核心器件，直接影響電動(dòng)車(chē)功率的釋放速度、汽車(chē)加速能力和更高時(shí)速等，重要性不言而喻。一般情況下，IGBT模塊需要承受幾百安的電流，每秒開(kāi)關(guān)達(dá)到上千次，損耗較大。且其與電機(jī)、引擎等位于空間密閉的汽車(chē)前車(chē)倉(cāng)內(nèi)，熱量較為集中。IGBT不怕短路，但特別“怕熱”。如果溫度超過(guò)其結(jié)溫125℃，會(huì)導(dǎo)致模塊燒毀，影響整車(chē)的運(yùn)行。溫度特性是IGBT模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估中的重要指標(biāo)，為大幅提高其功率密度、散熱性能與長(zhǎng)期可靠性，高效的散熱方案尤其重要。

IGBT電機(jī)水冷示意圖

目前電機(jī)控制器常用的散熱方式有傳導(dǎo)散熱，間接水冷。其主要特點(diǎn)是金屬殼體上需要設(shè)計(jì)水道，水流與IGBT不進(jìn)行任何接觸。IGBT散發(fā)出的熱量需要通過(guò)其下部的金屬平板，依靠傳導(dǎo)方式將熱量傳遞給殼體外側(cè)的冷卻水進(jìn)行散熱。為減少熱源和水路的熱阻，提高模組的導(dǎo)熱效率，通常需要在IGBT模組與冷片之間的剛性界面涂抹導(dǎo)熱硅脂。有了導(dǎo)熱界面材料（導(dǎo)熱硅脂等）的填充，發(fā)熱源和散熱器間的接觸面將充分接觸，可大幅度降低界面熱阻，顯著提高散熱效果，減少電氣損失。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)里的熱界面材料：

電動(dòng)機(jī)（Motor）是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備。它是利用通電線(xiàn)圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并作用于轉(zhuǎn)子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩。顯而易見(jiàn)，電機(jī)中最主要的部件就是定子和轉(zhuǎn)子了，定子是電機(jī)或靜止不動(dòng)的部分，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座三部分組成。定子的主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子的主要作用是在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中被磁力線(xiàn)切割進(jìn)而產(chǎn)生輸出電流。

采用高導(dǎo)熱膠對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行整體灌封，可減小繞組與定子鐵心之間的熱阻，提高絕緣系統(tǒng)的導(dǎo)熱性，電機(jī)溫升可降低約10~18℃，提高了電機(jī)安全運(yùn)行的可靠性。

此外高導(dǎo)熱膠灌封到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子后，除了可以更好的幫助驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱外，膠料優(yōu)異的電氣絕緣性能、電磁兼容性也能夠抵抗高壓和電磁干擾；定子被包裹在有灌封膠體內(nèi)，也可以抵御水汽、鹽霧等大氣環(huán)境的侵蝕，同時(shí)一定程度上，也可以有效抵抗振動(dòng)和沖擊力。

充電樁里的熱界面材料：

電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)很熱鬧，當(dāng)然也少不了關(guān)注一下給電動(dòng)車(chē)能量補(bǔ)給的充電樁的散熱問(wèn)題。

與體積小巧的慢速充電樁相比，高功率充電樁不僅對(duì)電池與線(xiàn)纜要求高，同時(shí)對(duì)充電樁的散熱系統(tǒng)也有著極高的要求：①充電速度越快，充電樁電感模塊功率越大，充電電流越大；②由于體積高度壓縮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，熱量就越集中，進(jìn)而導(dǎo)致充電樁內(nèi)部溫度升高，輕則充電模塊過(guò)溫保護(hù)不再輸出，重則引起火災(zāi)等意外事故；因此，做好充電樁的散熱方案極為關(guān)鍵。

充電樁的熱分散結(jié)構(gòu)

充電樁模組大量集成電容、電感、MOS管、變壓器等高發(fā)熱量電子元件，需內(nèi)置散熱器輔助電子元件散熱。目前，業(yè)內(nèi)在充電樁的散熱設(shè)計(jì)中，高導(dǎo)熱界面材料引入非常普遍，例如，導(dǎo)熱硅膠墊片用于電感模塊導(dǎo)熱，導(dǎo)熱硅脂用于芯片導(dǎo)熱、導(dǎo)熱硅膠用于電源灌封等，導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱粘接膠應(yīng)用于集成電子元件板和散熱器之間，柔順、高回彈等特征使其能夠覆蓋不平整的表面，將熱量從分離器件或PCB傳導(dǎo)到散熱器上，從而提高充電模塊的散熱效率和使用壽命，同時(shí)還起到了導(dǎo)熱、絕緣防護(hù)、減震、固定電子元件等重要作用，讓充電樁的使用更加安全。