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技术资料

电动汽车电机 电控 电池的高导热界面材料 相变材料 导热吸波材料应用

时间:2021-12-15浏览次数:824

动车发展的势头很猛,2021年,电动车的全年渗透率已经超过12%,直接比去年翻了接近一倍,从这个趋势来看,未来电动车会发展得更快。就目前电动车技术发展的状态来看,更长的续航里程及更快的充电速度这方面依然是不尽人意的。为了实现如上两个重要目标,意味着需要能量密度和功率密度更高的电池,而这些特性又会使电池释放出更多的热量,这些热量轻则低各部件的性能和寿命,严重的可能会引起线路短路,造成车辆自燃。



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电动车核心“三电”:电池模块,电控系统及驱动电机

因此为了保证电动汽车的核心部件“三电”及充电桩的安全性能与使用寿命,我们需要让热量及时有效的释放出去,而这便是热管理材料的用武之地,而热界面材料(Thermal Interface Materials,TIM)在热管理中起到了十分关键的作用,是该学科中的一个重要研究分支。热界面材料的定义是可使热量从产生热源的组件快速传递到散热的中间材料或元器件。常见的导热界面材料产品种类有:导热衬垫、无硅导热衬垫、导热凝胶-单组分、导热凝胶-双组份、导热凝胶-无硅、导热硅脂、导热相变材料、导热灌封胶、导热石墨片等。


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为啥需要热界面材料?
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对于任何热管理解决方案来说,热界面材料(TIM)都是关键的组成部分。由于它是大多数应用中的一小部分,因此很容易被忽视,但热界面材料可让设备及其相关产品发挥有效作用。热界面材料(TIM)是众多电子和储能装置中的关键部件。基本上,如果产生热量并需要转移则通常需要TIM。

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上图中深蓝色代表热界面材料,浅蓝色代表空气,灰色及黑色代表两个不同表面。凡是表面都会有粗糙度,所以当两个表面接触在一起的时候,不可能完全接触在一起,总会有一些空气隙夹杂在其中,而空气的导热系数非常之小(20℃下空气的导热系数为0.0267W/(m.K)),因此就造成了比较大的接触热阻。而使用柔软可塑的热界面材料就可以填充这个空气隙(当然在大多数情况下,100%消除空气几乎不可能,因此,小凹陷和小孔中仍然会有小气袋。但是,此时的热性能相比未使用TIM的情况已有极大改善),这样就可以降低接触热阻,提高散热性能。



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导热不导电的六方氮化硼片片

通用的导热界面材料,多以树脂为基体并按需添加导热填料。树脂基体材料易于变形可以很好的弥合间隙增加有效接触以提升散热,但一般树脂基体热导率差,需填充以导热填料可以有效调节其热导率从而满足使用要求。

填料种类可以分为三大类,分别为金属导热填料、碳基导热填料、无机导热填料。常见的金属导热填料主要包括Al、Cu、Ag等。碳基导热填料主要有石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等。无机导热填料主要有氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)等。

常见树脂基体及导热填料的导热系数

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电池组里的热界面材料:

电池不良散热会降低电池充电率,进而增加充电时间,甚至会损坏对温度敏感的电池。电动汽车的动力锂电池组热设计是保证电池可靠工作的关键技术,而如何把电芯的热量导出来是核心的设计考量因素。常见的电池热管理中的空冷和液冷,这两种冷却方式都是先通过导热将热量从电池系统传递给冷却管,再通过冷却管将热量传递到空气中。为使冷却管达到[敏感词]的散热效果,需要在冷却管和电池之间填充高导热界面材料,从而排除空气,减少传热热阻,显著提升散热效果。

当然除了导热界面材料,电动汽车电池组导热结构粘合剂的应用也是较为广泛的,用它取代传统的机械紧固件、螺丝及铆钉等,有利于降低整车重量,据公开数据称电池组实现[敏感词]可达30千克的减重效果,间接的让汽车续航能力得以提升。此外这些粘合剂还有助于显著汽车减少所需的部件数量,优化电池组设计的成本。



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磷酸铁锂硬壳电芯电池包结构

据统计,一辆家庭用的新能源汽车中电池板重量约150-400kg,有机硅导热灌封胶的使用量约20-50kg。常用的有机硅灌封胶均采用氧化铝、硅微粉等作导热填料,胶比重通常在1.8-2.2g/cm3,导热系数0.4-0.8W/m*K,阻燃达到UL94V-0或V-1,并具有良好的流动性。

电动车电控系统里面的热界面材料:

在新能源汽车领域,IGBT作为电控系统和直流充电桩的核心器件,直接影响电动车功率的释放速度、汽车加速能力和[敏感词]时速等,重要性不言而喻。一般情况下,IGBT模块需要承受几百安的电流,每秒开关达到上千次,损耗较大。且其与电机、引擎等位于空间密闭的汽车前车仓内,热量较为集中。IGBT不怕短路,但特别“怕热”。如果温度超过其结温125℃,会导致模块烧毁,影响整车的运行。温度特性是IGBT模块产品设计和可靠性评估中的重要指标,为大幅提高其功率密度、散热性能与长期可靠性,高效的散热方案尤其重要。



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IGBT电机水冷示意图

目前电机控制器常用的散热方式有传导散热,间接水冷。其主要特点是金属壳体上需要设计水道,水流与IGBT不进行任何接触。IGBT散发出的热量需要通过其下部的金属平板,依靠传导方式将热量传递给壳体外侧的冷却水进行散热。为减少热源和水路的热阻,提高模组的导热效率,通常需要在IGBT模组与冷片之间的刚性界面涂抹导热硅脂。有了导热界面材料(导热硅脂等)的填充,发热源和散热器间的接触面将充分接触,可大幅度降低界面热阻,显著提高散热效果,减少电气损失。

驱动电机里的热界面材料:

电动机(Motor)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝框)形成磁电动力旋转扭矩。显而易见,电机中最主要的部件就是定子和转子了,定子是电机或静止不动的部分,定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场,而转子的主要作用是在旋转磁场中被磁力线切割进而产生输出电流。

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采用高导热胶对电机定子进行整体灌封,可减小绕组与定子铁心之间的热阻,提高绝缘系统的导热性,电机温升可降低约10~18℃,提高了电机安全运行的可靠性。

此外高导热胶灌封到驱动电机的定子后,除了可以更好的帮助驱动电机散热外,胶料优异的电气绝缘性能、电磁兼容性也能够抵抗高压和电磁干扰;定子被包裹在有灌封胶体内,也可以抵御水汽、盐雾等大气环境的侵蚀,同时一定程度上,也可以有效抵抗振动和冲击力。

充电桩里的热界面材料:

电动车市场很热闹,当然也少不了关注一下给电动车能量补给的充电桩的散热问题。

与体积小巧的慢速充电桩相比,高功率充电桩不仅对电池与线缆要求高,同时对充电桩的散热系统也有着极高的要求:①充电速度越快,充电桩电感模块功率越大,充电电流越大;②由于体积高度压缩,内部结构非常紧凑,热量就越集中,进而导致充电桩内部温度升高,轻则充电模块过温保护不再输出,重则引起火灾等意外事故;因此,做好充电桩的散热方案极为关键。



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充电桩的热分散结构

充电桩模组大量集成电容、电感、MOS管、变压器等高发热量电子元件,需内置散热器辅助电子元件散热。目前,业内在充电桩的散热设计中,高导热界面材料引入非常普遍,例如,导热硅胶垫片用于电感模块导热,导热硅脂用于芯片导热、导热硅胶用于电源灌封等,导热硅胶片、导热粘接胶应用于集成电子元件板和散热器之间,柔顺、高回弹等特征使其能够覆盖不平整的表面,将热量从分离器件或PCB传导到散热器上,从而提高充电模块的散热效率和使用寿命,同时还起到了导热、绝缘防护、减震、固定电子元件等重要作用,让充电桩的使用更加安全。

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