電動車發(fā)展的勢頭很猛，2021年，電動車的全年滲透率已經(jīng)超過12%，直接比去年翻了接近一倍，從這個趨勢來看，未來電動車會發(fā)展得更快。就目前電動車技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)來看，更長的續(xù)航里程及更快的充電速度這方面依然是不盡人意的。為了實現(xiàn)如上兩個重要目標(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)重的可能會引起線路短路，造成車輛自燃。

電動車核心“三電”：電池模塊，電控系統(tǒng)及驅(qū)動電機(jī)

因此為了保證電動汽車的核心部件“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（ThermalInterfaceMaterials，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。常見的導(dǎo)熱界面材料產(chǎn)品種類有：導(dǎo)熱襯墊、無硅導(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？

對于任何熱管理解決方案來說，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不同表面。凡是表面都會有粗糙度，所以當(dāng)兩個表面接觸在一起的時候，不可能完全接觸在一起，總會有一些空氣隙夾雜在其中，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常之小（20℃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有小氣袋。但是，此時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，多以樹脂為基體并按需添加導(dǎo)熱填料。樹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)率從而滿足使用要求。

填料種類可以分為三大類，分別為金屬導(dǎo)熱填料、碳基導(dǎo)熱填料、無機(jī)導(dǎo)熱填料。常見的金屬導(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。

常見樹脂基體及導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)

電池組里的熱界面材料：

電池不良散熱會降低電池充電率，進(jìn)而增加充電時間，甚至?xí)p壞對溫度敏感的電池。電動汽車的動力鋰電池組熱設(shè)計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)出來是核心的設(shè)計考量因素。常見的電池?zé)峁芾碇械目绽浜鸵豪?/span>，這兩種冷卻方式都是先通過導(dǎo)熱將熱量從電池系統(tǒng)傳遞給冷卻管，再通過冷卻管將熱量傳遞到空氣中。為使冷卻管達(dá)到最佳的散熱效果，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，電動汽車電池組導(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)龋欣诮档驼囍亓浚瑩?jù)公開數(shù)據(jù)稱電池組實現(xiàn)最高可達(dá)30千克的減重效果，間接的讓汽車?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減少所需的部件數(shù)量，優(yōu)化電池組設(shè)計的成本。

磷酸鐵鋰硬殼電芯電池包結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計，一輛家庭用的新能源汽車中電池板重量約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，并具有良好的流動性。

電動車電控系統(tǒng)里面的熱界面材料：

在新能源汽車領(lǐng)域，IGBT作為電控系統(tǒng)和直流充電樁的核心器件，直接影響電動車功率的釋放速度、汽車加速能力和最高時速等，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前車倉內(nèi)，熱量較為集中。IGBT不怕短路，但特別“怕熱”。如果溫度超過其結(jié)溫125℃，會導(dǎo)致模塊燒毀，影響整車的運行。溫度特性是IGBT模塊產(chǎn)品設(shè)計和可靠性評估中的重要指標(biāo)，為大幅提高其功率密度、散熱性能與長期可靠性，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。其主要特點是金屬殼體上需要設(shè)計水道，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)動電機(jī)里的熱界面材料：

電動機(jī)（Motor）是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩。顯而易見，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，而轉(zhuǎn)子的主要作用是在旋轉(zhuǎn)磁場中被磁力線切割進(jìn)而產(chǎn)生輸出電流。

采用高導(dǎo)熱膠對電機(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)安全運行的可靠性。

此外高導(dǎo)熱膠灌封到驅(qū)動電機(jī)的定子后，除了可以更好的幫助驅(qū)動電機(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，同時一定程度上，也可以有效抵抗振動和沖擊力。

充電樁里的熱界面材料：

電動車市場很熱鬧，當(dāng)然也少不了關(guān)注一下給電動車能量補(bǔ)給的充電樁的散熱問題。

與體積小巧的慢速充電樁相比，高功率充電樁不僅對電池與線纜要求高，同時對充電樁的散熱系統(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。

拓展閱讀：

1\焦點材料：先進(jìn)熱管理材料

https://mp.weixin.qq.com/s/-cj_EaiXNm9gd70rc28aTg

2\聊一聊電子器件的熱界面材料

https://mp.weixin.qq.com/s/iTRgbP-yYG6Tg8wUDPQFaw

編輯粉體圈Alpha

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