导热材料:守护电动出行,安全不打烊!

为了进一步解决能源及环境危机问题，以电力驱动的新型能源汽车在全球范围内得以全面推广。然而，对电动汽车而言，因热管理失控而导致的自燃成为威胁人们安全出行的重大隐患。 图片来源：pixabay 事实上，电动汽车的热管理系统比燃油车更加复杂。 电动汽车动力电池模块、驱动电机和电控系统是电动汽车的三大核心部件，其在工作中会产生大量热量，热量不及时散发会降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。此外，充电桩的工作性能以及安全运行也与温度密切相关。 为此，人们开发了一系列热管理技术来提供良好的散热条件，以保障动力电池、驱动电机和充电桩处于合适工作温度。 而不管是哪种热管理手段几乎都离不开导热材料对电动汽车热管理的贡献。 导热材料在动力电池中的应用 热失控是电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象，发生时通常伴随着冒烟、起火、爆炸等危害。尤其自2019年宁德时代推出CTP 技术以来，动力电池往大模组及无模组方向发展趋势愈发明显。而大电芯及大模组方案给锂电池热管理系统带来更大的挑战。 新能源汽车电池热失控分析 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。为使冷却管达到最佳的散热效果，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。 高导热材料在电池组中应用示意图 在动力电池液冷式热管理系统中，作为液冷板和模组/电芯的传热媒介，导热材料主要有导热垫片和导热胶。 导热硅胶垫片是导热材料先经过固化再切割成所需形状，夹在两个界面中，施加一定压力使导热硅胶垫片压缩到设定的厚度，让导热硅胶垫片与电池的粗糙表面紧密接触。 垫片与导热胶的使用示意图及导热胶在模组-电芯中的应用 相反地，导热填缝胶是先直接涂到两界面之间，压缩到设定厚度，再经过固化使导热填缝胶固化成型，填充两界面之间的空隙，因此导热填缝胶更能适应界面微观尺寸的变化。当界面明显不平时，如电池组界面，先填充后固化的导热填缝胶填充效果优于先固化后填充的导热硅胶垫片。 除电芯-散热板间需要温度控制，电芯-电芯间也需要温度管控。动力电池包由成百上千颗电芯有序放置，由于单体电芯自身内阻，输出电能的同时会产生热量，电芯散热条件的差异还会造成模组内电芯温差过大，从而降低电池性能，热量的快速聚集还会导致模组热失控。 电芯用导热灌封胶 目前，电芯间常以导热灌封胶进行散热和温度控制。导热灌封胶具有一定的抗冲击性和阻燃特性，可有效延缓甚至阻止热量的快速蔓延与释放，提升电芯之间的热安全性。 最近几年，相变材料在动力电池热管理系统的应用逐渐受到学术圈和企业界的重视，相关的文献和专利逐渐增多，并已有公司推出了商业化产品。 相变材料在电池组中应用模式 相变材料在动力电池中的应用模式主要有两种：一种是动力电池直接放置在相变材料里；另一种是将电池单元夹在相变材料之间，形成三明治结构。目前，相变材料控温已经是动力电池组热管理的研究热点。 导热材料在驱动电机中的应用 驱动电机是电动汽车的核心部件之一，高效率、宽调速、高密度是当前驱动电机的研究热点，但温度过高时，驱动电机的效率和寿命会明显下降。使用高导热材料能够将驱动电机工作时产生的热量快速地传导到外界，可降低驱动电机的工作温度。 目前常以导热胶对电机定子进行灌封，减小绕组与定子铁心间的热阻，消除定子槽中的气隙、分散绕组端部热量，降低电机长运行带来的温升。如在IGBT模组与冷片的接触界面涂抹导热硅脂等，将热量传递给壳体外侧，再以冷却水散热，防止IGBT模块烧毁。 导热材料在充电桩中的应用 为达到快速充电的要求，需提高充电桩的电压与电流，导致充电桩产热量大，往往是同体积的通信户外机产热量的数倍。在充电桩运行过程中必须采取一定措施进行散热，避免造成事故。在充电桩内的各模块中采用高导热绝缘材料能够明显提升模块的散热能力，从而提高充电桩整体的散热能力。 充电桩的温控管理 在电感模块采用导热垫片，可以将电感产生的热量快速传导到金属散热部件，并且导热垫片还能起到减震的作用。 在充电桩中的芯片与散热器中采用导热硅脂，能够填充界面处的缝隙、排出空气，提高散热能力。 在电源模块采用灌封胶，提高电源模块导热能力的同时，还具有防水、防尘等优点，提高了电源模块的安全性与使用寿命。 小结 随着我国对新能源汽车技术的不断支持，发展以电动汽车为代表的新能源汽车成为了我国汽车发展的重要举措并取得了显著成果，被全球广泛认为是一次成功的国家战略。而电动汽车动力电池、电机电控、充电桩等部件都涉及到散热问题，是目前“安全焦虑”的主要源头之一，发展高性能高导热材料对提升电动汽车部件的散热能力和长期运行可靠性具有重要意义。