导热硅胶垫选型和性能探究

孟丛丛

(荣盛盟固利新能源科技有限公司，北京 102200)

0 引言

随着新能源汽车的发展，电动汽车安全性能备受关注，随之而来的动力电池的安全性能极为重要。动力电池的热管理系统是保持电池内和电池间的温度均衡，同时把电池绝对温度控制在合理范围内，以确保电池安全性的关键环节。而导热硅胶垫在热管理系统中位于液冷板和电芯极耳之间,以实现液冷系统与电芯之间的热传导，从而达到给电芯降温的效果[1]。根据它在热管理系统中的导热传热作用，其导热性能的表现最为重要。

由于导热硅胶本身硬度较低、强度很小，直接贴在液冷板上使用，可能会破损或者被液冷板的毛刺等刺穿，引发绝缘失效。所以实际使用中的导热硅胶垫都增加一层强化材料，即导热硅胶垫以PI膜或矽胶布为基材，以导热硅胶为主体填充材料。导热硅胶垫一般位于液冷板和电芯极耳之间，可以有效地排除空气，达到很好的填充、导热效果。此外，还具有良好的绝缘耐压特性和温度稳定性，使用安全可靠。此外，导热硅胶垫还广泛应用于通信设备、网络终端、数据传输、LED、汽车电子、消费电子、医疗器械、军事、航空航天等领域。

目前，对导热硅胶垫导热系数的选用，还无相关的数据积累以及明确的指导方向，有时会出现迫于成本的压力选用低导热系数的导热硅胶垫。此外，动力电池结构工程师对导热硅胶垫的关键性能理解不到位，把控模糊，从而会出现一味追求高导热效果的产品。为了解决实际中存在的这些问题，本文作者通过研究导热硅胶垫的导热效果、绝缘效果等选择一款满足动力电池热管理需求的导热硅胶垫。同时，通过验证PI膜对导热系数的影响、导热系数受压缩变形的影响、长时间使用对导热效果的影响，为后续导热硅胶垫的选用提供了理论、数据支持。

1 导热硅胶垫的选型

导热硅胶垫是新能源汽车行业较成熟的产品，在选用时需要考虑导热硅胶附加的加强材料，导热效果即导热系数，还有在实际工况下的绝缘性能。

1.1 加强材料选用

实际使用中，导热硅胶垫上表面直接贴在液冷板上，然后再放置在模组上，即与电芯的极耳紧密贴合。由于导热硅胶本身硬度较低、强度很小，在动力电池的生产或者使用中，导热硅胶垫可能存在破损或者被液冷板的毛刺等刺穿，从而引发绝缘失效的现象。所以，实际使用中的导热硅胶垫都增加一层强化材料，即导热硅胶垫以PI膜或矽胶布为基材，以导热硅胶为主体填充材料。

目前常用的加强材料主要有PI(聚酰亚胺)膜、矽胶布(含玻纤)[2]，其作用主要是加强材料操作性、强度、绝缘等性能。导热硅胶垫的结构如图1所示，理论上：

绝缘性：PI膜>矽胶布，影响绝缘，绝缘性越高，电气性越好；

热阻：PI膜>矽胶布，影响导热性，热阻越高导热性越低；

强度：PI膜>矽胶布，影响耐磨损，强度越高，耐磨损、耐拉扯、耐刺穿性能越好。

图1 导热硅胶垫结构示意

现选用同等厚度不同类型的导热硅胶垫，即PI膜导热硅胶垫和矽胶布导热硅胶垫，分别进行强度、绝缘性能、导热性能的测试，通过测试结果比较两种类型导热硅胶垫的差异。同等厚度两种类型导热硅胶垫强度、绝缘性能、导热性能测试结果见表1。

表1 PI膜导热硅胶垫和矽胶布导热硅胶垫测试结果

以上测试结果表明：PI膜导热硅胶垫的强度和绝缘性能明显优于矽胶布导热硅胶垫，导热性能相差不大，可以接受。综合导热性能、绝缘性能与高机械强度要求，PI膜更适用于Pack电池包、水冷散热应用等环境。

1.2 不同导热系数导热硅胶垫的导热效果

为了解不同导热系数下导热硅胶垫的导热效果，现分别选取导热系数为1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K)的PI膜导热硅胶垫，模拟测试其导热效果。使用加热片对不同导热系数的导热硅胶垫进行加热，通过测试导热硅胶垫两侧温差以反映导热硅胶垫的导热情况。导热硅胶垫正面中心位置和其中一角分别布置热电偶104和103，反面相应位置分别布置热电偶101和102。热电偶104和103上面分别粘贴加热片，通电后可对导热硅胶垫加热。考虑到动力电池内的温度范围为-40～85 ℃，试验过程中，导热硅胶垫中心温度达到85 ℃即停止加热。测试结果如下：

(1)1.5 W/(m·K)导热硅胶垫，中心温度为66.04 ℃时，两侧温差最大，平均温差为6.53 ℃，如图2所示。

(2)2 W/(m·K)导热硅胶垫，中心温度为60.05 ℃时，两侧温差最大，平均温差为6.17 ℃，如图3所示。

图2 1.5 W/(m·K)导热硅胶垫温度-时间曲线

图3 2.0 W/(m·K)导热硅胶垫温度-时间曲线

(3)2.5 W/(m·K)的导热硅胶垫，中心温度为70.78 ℃时，两测温差最大，平均温差为6.02 ℃，如图4所示。

图4 2.5 W/(m·K)导热硅胶垫温度-时间曲线

(4)3.0 W/(m·K)的导热硅胶垫，中心温度为71.67 ℃时，两侧温差最大，平均温差为5.63 ℃，如图5所示。

图5 3.0 W/(m·K)导热硅胶垫温度-时间曲线

测试结果显示：1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K)导热系数下的导热硅胶垫两侧温差相差分别为6.53、6.17、6.02、5.63 ℃，导热效果相差不大。但是随着导热系数的增加成本增幅很大，如2.0 W比1.5 W贵30%。所以，综合成本因素考虑，优选1.5 W/(m·K)的导热硅胶垫。

1.3 导热硅胶垫的厚度在相同工况中的差异

根据GB/T 18384.3-2015人员触电防护要求，对电子元器件施加(2U+1 000)V(RMS)[3]的交流电压(U为电子元器件的工作电压)，不应发生介质击穿或电弧现象。现选用1.0 mm厚和2.0 mm厚的PI膜导热硅胶垫，具体测试方法如下：

(1)把导热硅胶片铺在液冷板上，把铜铝复合板贴在导热硅胶片上(如图6所示)，保证各部件间紧密贴合,压紧压实；

(2)将耐压测试仪黑线夹在液冷板上，红线夹在铜铝复合板上；

(3)施加2 400 V AC电压，时间60 s，读取漏电流。

图6 导热硅胶垫漏电流测试示意

测试结果详见表2。

表2 PI膜导热硅胶垫漏电流测试结果

结果分析：由于漏电流越小，绝缘性能更优，发生击穿或电弧的可能性越小。而2.0 mm厚的PI膜导热硅胶垫漏电流为76 μA，小于1.0 mm厚度下的130 μA，绝缘性能更优。为了保证液冷板和极耳的绝缘性能，故选用2.0 mm的PI膜导热硅胶垫。

2 PI膜导热硅胶垫关键性能的探究

2.1 PI膜对导热系数的影响

电池系统中使用的导热硅胶垫，一般是实现液冷系统与模组(极耳)之间的传热，由于强度和绝缘性能的要求，通常选用导热硅胶上覆PI膜形成导热硅胶垫，这样导热硅胶垫导热效果可能会受影响。

导热系数是导热硅胶的关键特性，一般采用热流法，依据ASTM D5470[4]测试。由于接触热阻的影响，一般选用相同状态、不同厚度的导热硅胶测试，测试得到热阻，以试样的厚度为x轴，热阻为y轴，拟合成一条曲线，计算得出导热系数，即R=t/K+Rcontact[5]。但是实际使用的产品测试时，可忽略接触热阻，用产品的厚度除以此厚度下测得的热阻，得到的导热系数来表征产品的导热系数；或者用实际产品叠加来获得不同厚度下的热阻，再拟合成曲线计算得出导热系数。通过测试导热硅胶的导热系数，以及覆PI膜后导热硅胶垫产品的导热系数，两者的结果对比来探究PI膜对导热系数的影响。测试结果见表3和表4，其中导热硅胶测试数据拟合曲线见图7。

表3 导热硅胶导热系数测试结果

表4 PI膜导热硅胶垫产品导热系数测试结果

图7 导热硅胶测试结果拟合曲线

通过测试结果可知，覆加PI膜后导热硅胶垫导热效果会下降，在导热系数的选取时需考虑。

2.2 不同压力/变形量下的热阻变化

导热硅胶压缩形变要求，设计时需要考虑导热硅胶的压缩量，根据导热硅胶的压缩应力-变形量曲线，根据对手件(液冷板和模组极耳)可承受的应力选择对应的压缩量。现选取导热系数为1.5 W/(m·K)、厚度为1.0 mm的PI膜导热硅胶垫作为研究对象，其测试结果见表5。

表5 PI膜导热硅胶垫产品导热系数测试结果

由应力-热阻测试结果发现：应力越大，热阻越小，相应的导热系数越好；同样压缩量越大，热阻越小，导热系数越好。故导热硅胶垫产品的导热系数指标的选择，需要参考压缩应力曲线，即根据实际压缩量找到对应的压缩应力，选用此应力作为测试应力的输入，按照ASTM D5470进行测试，测试结果即可定义为实际使用中的导热系数。

2.3 导热系数与热阻随时间的变化

导热硅胶垫的适用温度一般定义为-40～85 ℃。为了验证长时间使用后，导热硅胶垫的导热性能是否改变，现通过高温老化试验、高低温老化试验、湿热老化试验来模拟长时间使用后导热效果是否发生变化。

根据导热系数K和热阻R的关系式：R=t/K+Rcontact，导热系数越大导热效果越好，热阻越小导热效果越好，所以导热系数或热阻都可以表征导热效果。

(1)高低温老化试验后，导热率与热阻随时间变化情况

样品尺寸：φ30 mm×2.0 mm，测试条件见表6，测试结果见表7。可以看出：导热系数呈下降趋势，减小了0.018 W/(m·K)，变化率为1.16%。

表6 高低温老化试验测试条件

表7 高低温老化试验后的测试结果

(2)湿热老化试验后，导热率与热阻随时间变化情况

选用φ30 mm×2.0 mm试样，在85 ℃ & 85%RH的高温高湿条件下经过500 h老化后，测试结果见表8。可以看出：导热系数呈下降趋势，减小了0.026 W/(m·K)，变化率为1.68%。

表8 湿热老化试验后的测试结果

(3)高温老化试验后，导热率与热阻随时间变化情况

选用φ30 mm×2.0 mm的试样，在150 ℃高温箱中经过500 h老化后，测试结果见表9。可以看出：导热系数呈下降趋势，减小了0.006 W/(m·K)，变化率为0.39%。

表9 高温老化试验后的测试结果

综上所述，用高温老化、湿热老化以及高低温老化来模拟长时间使用后导热硅胶垫的性能变化情况，从测试结果发现：高低温老化、湿热老化、高温老化试验后导热系数分别减少0.018、0.026、0.006 W/(m·K)，变化率为1.16%、1.68%、0.39%，说明导热硅胶垫在长时间使用过程中导热系数基本不变。

3 结论

(1)综合导热效果、绝缘性能以及成本考虑，导热系数为1.5 W/(m·K)、厚度为2 mm的PI膜导热硅胶垫更符合工况使用需求。

(2)覆加PI膜后导热硅胶垫导热效果会下降，在导热系数的选取时需考虑。

(3)随着应力、压缩变形量的增加，热阻减小，导热系数增加，故导热硅胶垫产品导热系数的选用需要参考压缩应力曲线，即根据实际压缩量找到对应的压缩应力，选用此应力作为测试应力的输入，按照ASTM D5470进行测试，测试结果即可定义为实际使用中的导热系数。

(4)采用高温老化、湿热老化以及高低温老化试验来模拟长时间使用后，导热系数基本不变，说明导热硅胶垫在长时间使用过程中导热系数基本不变，即可认定为导热硅胶垫的导热性能满足长时间使用需求。