Thermische pads voor EV-batterijen - ook wel thermische interface-pads voor batterijen, gap filler-pads of thermisch geleidende pads genoemd - zijn zachte, samendrukbare vellen van thermisch geleidend materiaal die tussen batterijcellen of -modules en de koelplaat eronder worden geplaatst. Hun functie klinkt eenvoudig: warmte van de batterijcellen naar het koelsysteem geleiden. Maar de technische uitdaging die ze oplossen is allesbehalve triviaal. Batterijcellen worden vervaardigd met maattoleranties die kleine variaties in hoogte en vlakheid van het oppervlak over een module veroorzaken. Zonder een soepele tussenlaag zou hard metaal-op-metaal contact tussen de cellen en de koelplaat alleen de toppen van elk oppervlak bedekken, waardoor het grootste deel van het grensvlak als luchtspleet overblijft - en lucht is een extreem slechte warmtegeleider.
Het thermische kussen vult deze microscopische en macroscopische gaten door zich onder gematigde compressie tegelijkertijd aan beide oppervlakken aan te passen. Dit intieme contact vermindert de thermische contactweerstand op het grensvlak dramatisch, waardoor een warmtepad met lage weerstand ontstaat van de celbehuizing via het kussen naar de vloeistofgekoelde basisplaat. In praktische termen kan het verschil tussen een niet-gewatteerde interface en een correct gespecificeerd thermisch kussen het verschil betekenen tussen een cel die werkt bij 35°C of 55°C tijdens een snellaadcyclus – een temperatuurverschil dat diepgaande gevolgen heeft voor de levensduur van de batterij, de laadsnelheid en de veiligheidsmarge tegen thermische oververhitting.
Naast thermisch beheer, Thermische pads met EV-batterij vervullen ook secundaire functies die net zo belangrijk zijn in het accupakket van een productievoertuig. Ze zorgen voor elektrische isolatie tussen de celbehuizing en de koelplaat in ontwerpen waarbij de koelplaat geaard is of op een ander potentiaal. Ze absorberen de uitzettingsspanning terwijl cellen opzwellen tijdens het opladen en ontladen. Lithium-ioncellen kunnen tijdens hun oplaadcyclus met 2 tot 5% uitzetten, en zonder een flexibele laag bouwt deze uitzetting mechanische spanning op in de modulestructuur die celbehuizingen kan beschadigen of busbars kan loskoppelen. Het juiste thermische kussen is tegelijkertijd een warmteoverdrachtscomponent, een elektrische isolator en een mechanische buffer.
Thermische geleidbaarheid (uitgedrukt in W/m·K) is de belangrijkste specificatie voor elk thermisch kussen en het eerste getal dat kopers vergelijken. Maar de geleidbaarheid op zichzelf vertelt niet het volledige verhaal over hoe een pad zal presteren in een batterijpakket; de dikte, het compressiegedrag en de kwaliteit van het oppervlakcontact bepalen allemaal de werkelijke thermische weerstand op het grensvlak, wat de parameter is die direct bepaalt hoeveel de celtemperatuur boven de koelvloeistoftemperatuur stijgt onder een bepaalde warmtebelasting.
De thermische grensvlakweerstand (gemeten in cm²·K/W of m²·K/W) combineert de bulkgeleidbaarheid van de pad met zijn dikte en de kwaliteit van het oppervlaktecontact. Een kussen met een gemiddelde geleidbaarheid van 3 W/m·K, gecomprimeerd tot een dikte van 0,5 mm, zal beter presteren dan een kussen met een hogere geleidbaarheid van 6 W/m·K, samengedrukt tot een dikte van 2 mm, omdat het dikkere kussen meer materiaal heeft waar de warmte doorheen kan geleiden. De relatie is: thermische weerstand = dikte / (geleidingsvermogen × oppervlakte) . Dit betekent dat in een batterijpakket waar de montagetoleranties goed worden gecontroleerd en de openingen klein zijn, een dunne, matig geleidende pad vaak betere thermische prestaties levert dan een dikke, sterk geleidende pad - terwijl hij ook minder kost en minder gewicht toevoegt.
Praktische geleidbaarheidswaarden op de markt voor thermische batterijpads voor EV-batterijen variëren van 1,5 W/m·K voor standaard gatenvullende pads die worden gebruikt in toepassingen met laag vermogen, via 3–6 W/m·K voor reguliere ontwerpen van batterijpakketten voor auto's, tot 8–15 W/m·K voor hoogwaardige snellaad- en motorsporttoepassingen waarbij het minimaliseren van de thermische weerstand de dominante ontwerpbeperking is, ongeacht de kosten. Boven ongeveer 10 W/m·K beginnen koelpasta of faseveranderingsmaterialen te concurreren, hoewel geen van beide dezelfde combinatie van compliantie, montagegemak en herwerkbaarheid biedt als een solide thermische pad in een productielijnomgeving.
Het basismateriaal van een thermische pad voor een EV-batterij bepaalt het temperatuurbereik, de chemische compatibiliteit, de stabiliteit op lange termijn, de samendrukbaarheidskenmerken en of het enig besmettingsrisico met zich meebrengt in de assemblageomgeving van de batterij. Drie materiaalfamilies domineren de markt voor thermische pads voor autobatterijen, elk met specifieke sterke punten die het geschikt maken voor verschillende ontwerpvereisten.
Thermische pads met siliconenmatrix zijn het meest gebruikte type in de auto-industrie. Siliconen bieden een inherent breed bedrijfstemperatuurbereik (doorgaans −60 °C tot 200 °C), uitstekende elasticiteit op lange termijn die de compressiekracht en het opvullen van gaten behoudt gedurende jaren van thermische cycli, goede chemische inertheid en compatibiliteit met de standaard UL94 V-0 ontvlambaarheidsvereisten voor materialen voor batterijpakketten. Thermisch geleidende vulstoffen – aluminiumoxide, boornitride, aluminiumnitride of combinaties daarvan – worden door de siliconenmatrix verspreid om het gewenste geleidbaarheidsniveau te bereiken. De zachtheid en vervormbaarheid van de siliconenmatrix zorgen voor een intiem oppervlakcontact, zelfs bij lage montagedrukken, waardoor siliconenpads zeer geschikt zijn voor de gematigde klemkrachten die beschikbaar zijn in de meeste ontwerpen van batterijmodules.
De belangrijkste beperking van thermische pads op siliconenbasis in EV-toepassingen is de ontgassing van siliconen. Siliconenmaterialen geven bij verhoogde temperaturen siloxaanverbindingen met een laag molecuulgewicht af als vluchtige organische stoffen (VOS). In een afgesloten batterijpakket kunnen deze siloxaanverbindingen zich afzetten op elektrische contacten, sensorelementen en celterminals, wat mogelijk problemen met de contactweerstand kan veroorzaken of de ventilatiemechanismen van de cellen kan verstoren. Dit is de reden waarom sommige OEM's in de auto-industrie, vooral die met strenge controleprogramma's voor siliconenverontreiniging, siliconenvrije thermische interfacematerialen specificeren voor de binnenoppervlakken van accu's.
Thermische pads zonder siliconen maken gebruik van alternatieve polymeermatrices – materialen op basis van polyurethaan, acryl, polyolefine of was – om het thermisch geleidende vulmiddel te dragen. Deze materialen elimineren het probleem van de uitgassing van siliconen volledig. Daarom worden ze steeds vaker gespecificeerd door OEM's met strikte siliconenvrije assemblage-eisen, waaronder veel Japanse en Europese autofabrikanten. Thermische pads op polyurethaanbasis bieden een goede samendrukbaarheid en een gematigd temperatuurbereik, geschikt voor het interieur van accu's (doorgaans −40°C tot 130°C). Op acryl gebaseerde thermische pads zorgen voor een steviger, dimensioneel stabieler vel dat gemakkelijker te hanteren en te stansen is tijdens de montage van grote accu's. De afweging voor siliconenvrije ontwerpen is doorgaans een kleiner temperatuurbereik en een verminderde elasticiteit op lange termijn in vergelijking met siliconen, waarmee rekening moet worden gehouden in de dikte van het kussen en het compressieontwerp.
Thermische interfacematerialen met faseverandering (PCM's) zijn een gespecialiseerde categorie die bij een gedefinieerde overgangstemperatuur – doorgaans 50–70 °C – overgaat van vast naar vloeibaar en bij afkoeling weer terug naar vast. In vloeibare vorm vloeit een PCM in microscopisch kleine oppervlaktekenmerken om een vrijwel perfect contact te bereiken, waardoor de interfaceweerstand dramatisch wordt geminimaliseerd. Faseveranderingspads worden geleverd als massieve platen voor eenvoudige montage en worden thermisch geoptimaliseerd na de eerste thermische cyclus in gebruik. Ze bereiken enkele van de laagste interfaceweerstandswaarden die beschikbaar zijn in een thermisch interfacemateriaal van vast formaat en worden gebruikt in hoogwaardige batterijpakketten waarbij het minimaliseren van de temperatuurstijging tijdens snel opladen een primaire onderscheidende factor is. Hun beperking is dat de vloeibare fase een adequate insluitingsgeometrie vereist om materiaalmigratie uit het grensvlak bij herhaalde thermische cycli te voorkomen.
| Materiaalsoort | Typische geleidbaarheid | Temperatuurbereik | Siliconenvrij | Belangrijkste voordeel |
|---|---|---|---|---|
| Pad op siliconenbasis | 1,5–10 W/m·K | −60°C tot 200°C | Nee | Groot temperatuurbereik, uitstekende elasticiteit op lange termijn |
| Polyurethaan kussen | 1,5–6 W/m·K | −40°C tot 130°C | Ja | Nee outgassing, good compressibility |
| Acryl kussen | 2–8 W/m·K | −40°C tot 125°C | Ja | Stevig, gemakkelijk te hanteren in de productie |
| Faseveranderingsmateriaal | 3–12 W/m·K | −40°C tot 150°C | Varieert | Laagste interfaceweerstand na de eerste cyclus |
Het gedrag van een thermisch kussen onder compressie is aantoonbaar belangrijker dan de bulkgeleidingswaarde voor de prestaties van accu's op de lange termijn. De thermische geleidbaarheidswaarde op het gegevensblad wordt gemeten bij een specifieke testdruk – doorgaans 10 psi (69 kPa) of hoger – die behoorlijk kan verschillen van de werkelijke drukspanning die het kussen ervaart in de geassembleerde batterijmodule. Een kussen dat onder de testdruk is samengedrukt, zal een aanzienlijk hogere thermische weerstand hebben dan de datasheet suggereert; een te veel samengedrukt kussen kan een verminderde compliantie hebben voor accommodatie van celzwelling.
Twee compressiegerelateerde eigenschappen zijn van cruciaal belang om correct te specificeren. Compressie ingesteld meet hoeveel permanente vervorming een pad opbouwt na aanhoudende compressie – uitgedrukt als een percentage van de oorspronkelijke dikte die verloren gaat na een bepaalde periode onder belasting. Een hoge compressieset betekent dat het kussen geleidelijk dunner wordt tijdens gebruik, waardoor zowel het vermogen om gaten op te vullen als het vermogen om celzwelling te volgen afneemt. Voor accupakketten die naar verwachting tien tot vijftien jaar meegaan met honderdduizenden oplaadcycli, moet de compressieset onder de slechtste temperatuur- en belastingsomstandigheden onder de 20% liggen. Doorbuiging van de drukbelasting beschrijft de relatie tussen de toegepaste druk en de verandering in de paddikte. Deze curve bepaalt of de klemstructuur van de module overmatige spanning op de cellen zal genereren of onvoldoende contactdruk op de thermische pad op het ontwerpcompressiepunt.
Thermisch geleidende pads die hoge hoeveelheden harde keramische vulstoffen bevatten (zoals aluminiumnitride of boornitride) om hoge geleidbaarheidswaarden te bereiken, hebben vaak een verminderde samendrukbaarheid vergeleken met licht gevulde siliconen pads. Dit is een fundamentele afweging tussen materialen: meer vulmiddel verhoogt de geleidbaarheid maar vermindert de vervormbaarheid van de matrix. Ontwerpers van batterijpakketten die met deze hooggeleidende pads werken, moeten ervoor zorgen dat het moduleklemontwerp voldoende montagedruk genereert om het noodzakelijke oppervlaktecontact te bereiken, zonder de maximale drukbelasting te overschrijden die de cellen kunnen verdragen - doorgaans gespecificeerd door de celfabrikant als een maximale stapeldruk in het bereik van 100-500 kPa, afhankelijk van het celformaat.
In de meeste architecturen voor EV-batterijpakketten bevindt de koelplaat zich op aardpotentiaal of op een gedefinieerde referentiespanning van het chassis, terwijl de celbehuizingen zich op de hoge spanning van het batterijpakket bevinden. De thermische pad ertussen moet betrouwbare elektrische isolatie bieden om lekstroom, kortsluiting en aardfouten te voorkomen die de isolatiebewakingsfunctie van het batterijbeheersysteem zouden activeren of, in het ergste geval, een schokgevaar zouden veroorzaken. Deze dubbele rol – thermisch geleidend maar elektrisch isolerend – is een van de belangrijkste technische paradoxen van thermische interfacematerialen, aangezien de meeste goede thermische geleiders (metalen, grafiet) ook goede elektrische geleiders zijn.
De oplossing ligt in het gebruik van niet-metaalhoudende thermisch geleidende vulstoffen – met name hexagonaal boornitride (hBN), aluminiumoxide (Al₂O₃) en aluminiumnitride (AlN) – die in bulk een thermische geleidbaarheid van 20–300 W/m·K hebben, maar elektrische isolatoren zijn. Wanneer ze in hoge volumefracties in een polymeermatrix worden gedispergeerd, creëren deze vulstoffen een thermisch geleidend netwerk, terwijl de isolerende polymeermatrix de elektrische isolatie handhaaft. Een goed geformuleerde thermische pad voor EV-batterijen bereikt een diëlektrische sterkte van 10–30 kV/mm en een volumeweerstand van meer dan 10¹² Ω·cm, wat een comfortabele marge biedt boven de maximale bedrijfsspanning van de huidige autoaccupakketten (400V- en 800V-systemen).
De diëlektrische sterkte moet worden geverifieerd bij de minimale dikte van het gecomprimeerde kussen die bij de productie zal optreden, en niet bij de nominale dikte. Als een kussen van 2 mm in de geassembleerde module tot 1,5 mm wordt samengedrukt, is de diëlektrische weerstandsspanning van het gecomprimeerde kussen 25% lager dan bij volledige dikte. Pads die worden gebruikt in de buurt van scherpe metalen randen (koelplaatkenmerken, celeindkappen, railranden) moeten ook worden beoordeeld op de lokale versterking van het elektrische veld die optreedt bij geometrische discontinuïteiten, die plaatselijke diëlektrische doorslag kunnen veroorzaken bij spanningen die ver onder de weerstandswaarde voor uniform veld liggen.
De thermische pads voor EV-batterijen die in productievoertuigen worden gebruikt, moeten een uitgebreide reeks materiaalkwalificatietests doorstaan die veel verder gaan dan de thermische en elektrische basisspecificaties. OEM-materiaalnormen voor de auto-industrie zijn aanzienlijk strenger dan de algemene industriële eisen en weerspiegelen de veiligheidsgevolgen van materiaaldefecten in een accupakket dat in een personenvoertuig is geïnstalleerd.
Alle materialen in de binnenkant van het batterijpakket moeten minimaal voldoen aan de UL94 V-0-brandbaarheidsclassificatie. V-0 betekent dat testmonsters binnen 10 seconden na verwijdering van de ontstekingsvlam vanzelf doven, zonder dat er brandend materiaal druppelt. Veel OEM's vereisen aanvullende tests volgens FMVSS 302 (Federal Motor Vehicle Safety Standard for interior flammability) of volgens OEM-specifieke brandtestprotocollen die de omstandigheden van een thermische overstroming van de batterij nauwkeuriger simuleren. Thermische pads die onder standaardomstandigheden aan UL94 V-0 voldoen, moeten mogelijk opnieuw worden gekwalificeerd als hun materiaalformulering wordt aangepast om de geleidbaarheid of compressie-eigenschappen te veranderen. Het ontvlambaarheidsgedrag is gevoelig voor het vulstofgehalte en het type, en veranderingen die de thermische prestaties verbeteren, kunnen soms de vlamvertraging verminderen als ze niet zorgvuldig worden beheerd.
De materialen aan de binnenkant van de accu's worden getest op de uitstoot van vluchtige organische stoffen (VOC's) onder omstandigheden met hoge temperaturen, die de ergste operationele warmtestraling simuleren. Het probleem is niet alleen de besmetting met siliconen, maar ook organische verbindingen die zich kunnen afzetten op de ventilatieopeningen van de cellen, de opname van elektrolyten kunnen blokkeren of brandbare dampconcentraties kunnen veroorzaken in de afgesloten behuizing. VDA 278 (thermische desorptieanalyse) en VDA 270 (geurevaluatie) zijn de standaardtestmethoden die worden gebruikt in de Duitse toeleveringsketen voor de automobielsector; JASO M902 voldoet aan vergelijkbare vereisten voor Japanse OEM's. Leveranciers moeten laboratoriumtestgegevens van derden voor deze VOC-protocollen verstrekken als onderdeel van de PPAP-documentatie (Production Part Approval Process) die vereist is vóór massaproductie.
Langetermijnbetrouwbaarheidstests voor thermische pads voor EV-batterijen omvatten doorgaans thermische cycli tussen de minimale koude-weektemperatuur (−40 °C) en de maximale operationele temperatuur (85 °C tot 105 °C), gedurende 500–1.000 cycli, terwijl de verandering in thermische weerstand en drukbelastingsrespons met tussenpozen wordt gemeten. Acceptatiecriteria vereisen dat de thermische weerstand met niet meer dan 10-20% toeneemt ten opzichte van de initiële waarden gedurende de volledige testduur - een strenge eis die materialen elimineert die degraderen door bezinking van vulstofdeeltjes, splitsing van polymeerketens of oxidatieve verharding gedurende de beoogde 10-15 jaar van het voertuig. levensduur.
Het specificeren van een thermische pad voor een EV-batterij voor een nieuw ontwerp van een batterijpakket vereist een systematische aanpak die de volledige reeks functionele vereisten vastlegt voordat kandidaatmaterialen worden geëvalueerd. Door alleen te focussen op geleidbaarheid en compressiegedrag, elektrische isolatie of chemische compatibiliteit over het hoofd te zien, ontstaan gekwalificeerde materialen die niet voldoen aan de vereisten voor gebruik of productie-assemblageproblemen veroorzaken.
Door leveranciers van thermische pads vroeg in het ontwikkelingsprogramma van de batterijpakketten te betrekken – voordat de afmetingen van de modulestructuur definitief zijn – kunnen de paddikte en het compressieontwerp worden geoptimaliseerd met de moduleklemarchitectuur. Deze aanpak op systeemniveau levert consequent betere thermische prestaties en lagere totale assemblagekosten op dan het achteraf inbouwen van een padspecificatie in een moduleontwerp dat is afgerond zonder rekening te houden met het mechanische gedrag van de pad.
Applet
Callcenter:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Auteursrecht © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Isolerende composietmaterialen en onderdelen voor de schone energie-industrie
cn