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浅论新能源动力电池包导热结构胶最佳厚度的确定原则

点击:144 日期:2021-01-29 选择字号:
      有时,新能源动力电池包会在水冷板的上面设置导热板,则在水冷板与导热板中间需要使用导热结构胶。

      问题,导热结构胶的最佳厚度是如何确定的?

      1、引用数据

浅论新能源动力电池包导热结构胶最佳厚度的确定原则
      2、试确定
      2.1导热结构胶最佳厚度和最小厚度
      2.2导热结构胶厚度与热阻增加的关系
      2.3评价导热结构胶厚度与老化性能的关系
      3.失效模式分析(DFMEA)
      影响导热结构胶最佳厚度和最小厚度的因素取决于金属板的粗糙度、翘曲度、导热结构胶固化之前的预紧压强、导热结构胶内置粉体的最大粒径、导热结构胶的加权平均粒径。
      A)传统胶水的厚度与热阻评估
      我们先看一下传统胶水的粘接过程。
      如图1至图3所示,先在水冷板3上滴加传统胶水2,接着由机械手把导热板1压合,并施加设计好的预紧压强P0,使传统胶水2被压延至期望的厚度。传统胶水2的粘度越大、目标厚度越薄,则传统胶水2被压延至期望厚度所需要压强就越高,或者相同压强下所需的压延时间就越长、工艺效率低,用紧固件定位后,在指定温度的环境中固化粘合成一个整体。
      由于金属板的粗糙度一般在6.4微米左右,其翘曲度或翘曲量接近毫米级的,所以在预紧压强P0 接近∞之前,两块板之间的间隙大概率在1.2~12.7微米之间,其平均最小间隙大概率为6.4微米左右。在此间隙状态下,金属板存在的机械回弹应力是非常大的,回弹应力还包括不同微分元面积区域的压应力、拉伸应力和剪切应力的综合叠加,是一个非常复杂的高能量内应力系统,固化之后粘结界面上的传统胶水将永久性承受机械应力的作用,不仅削弱粘结强度,同时还叠加老化速度加快效应。
      1)传统胶水最佳厚度的确定
      因此,传统胶水2的平均最小厚度不应该设计成6.4微米,而应该至少大于12.7微米。在以往的“国尖”项目设计经验中,在正常翘曲度时,优化的设计厚度可取平均粗糙度的25倍。例如铝合金板粗糙度为6.4微米则胶层厚度为其25倍是0.16mm、钢梁平均粗糙度为0.10 mm则胶层厚度为其25倍是2.5mm,可以削减、吸收和缓冲动态过程中的机械应力,同时施工效率较高。
浅论新能源动力电池包导热结构胶最佳厚度的确定原则
      B)XK-D12L产品的厚度与热阻评估
      我们再看D系产品导热结构胶的技术状态。
      如图4所示,与传统胶水不同的是,D系产品导热结构胶除了基料不同外,还添加了导热粉体,在其中存在直径为dmax的最大颗粒和加权平均粒径的差异。
      1)XK-D12L最佳胶层厚度的确定
      如图5所示,该图是我们采用激光粒度仪测试的一种典型导热粉体的粒径分布。从图5看到,其中粉体的最大粒径dmax=250微米,也就是0.25mm。这就决定了导热结构胶的最小应用厚度必须大于0.25 mm,否则金属板之间会产生巨大的机械干涉回弹应力,这是必须避免的。
      根据我司配方优化《模拟设计与模拟测试》软件输出的结果,导热粉体颗粒之间的表面平均距离为6.6微米,取其25倍则为0.17mm。
      所以,为了避免机械干涉回弹应力,则:
      XK-D12L最佳胶层厚度应为0.17 +dmax= 0.42 mm。
      采用相同方法可以确定XK-D20L、XK-D30L的最佳胶层厚度分别为0.48mm、0.55mm,见表4。
      2)D系导热结构胶热阻增加值的确定
浅论新能源动力电池包导热结构胶最佳厚度的确定原则

      评价导热结构胶厚度与老化性能的关系
      1982-1985年间,在航天部部属“复合固体推进剂老化研究”[1]项目中,已经做过深入的定量实测研究,结果表明:当厚度或长度大于直径时,直径的增加有助于减缓材料的物理老化和化学老化,可延长服役寿命;当直径大于厚度或长度时,厚度或长度的增加有助于减缓材料的物理老化和化学老化,也可延长服役寿命。
      这个结论是原理性的,同样适用于对导热结构胶的老化判断,至今未遇到反例。
      2019-2020年间,在与中国科学院高能物理研究所合作的“XK-P20和XK-P40高聚物基绝缘导热材料--长期服役可靠性预测实验研究”[2,3]项目中,再一次定量实测验证了:当直径大于厚度时且直径一定时,夹心饼干结构试样厚度的增加,对于内部低分子物的迁移挥发有抑制作用,即有助于减缓材料的物理老化和化学老化;外界迁移、渗入的低分子物总量,虽然与试样厚度成正比,但是浓度的变化速度不随厚度而变化。
      这个结论同样适用于对导热结构胶的老化判断。
      市面有人认为,直径大于厚度且直径一定时的夹心饼干结构试样,当厚度增加时会加速老化的说法是得不到数据支持的。
      4.结论:
      4.1当D系导热结构胶的粘结层厚度为0.42~0.55时,与厚度为0.16 mm的传统胶水相比,其阻增加值仅有传统胶水热阻增加值的(25~42)%,D系导热结构胶明显优于传统胶水。
      4.2市面有人认为,直径大于厚度且直径一定时的夹心饼干结构试样,当厚度增加时会加速老化的说法是得不到数据支持的。
      [1]肖扬华“叔丁基二茂铁的迁移挥发及其对燃速的影响”,1984年9月在北海舰队司令部(大 连)中国宇航学会上宣读,刊登于核心刊物《推进技术》,1985,6 (2):49-60。
      [2]肖扬华等,“XK-P20和XK-P40高聚物基绝缘导热材料 长期服役可靠性预测实验研究报告”,2020年10月31日,内部研究报告,GLPOLY研发中心、中国科学院高能物理研究所。
      [3]肖扬华等,“XK-S20高聚物基绝缘导热材料 长期服役可靠性预测实验研究报告”,2020年05月26日,内部研究报告,GLPOLY研发中心。
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