一文全懂！导热硅胶垫选型和性能探究（一）

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。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，研究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），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。

现选用同等厚度不同类型的导热硅胶垫，即PI膜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。

      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：

      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 成本高 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+1000)Ｖ (RMS)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1.0ｍｍ厚和2.0ｍｍ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2400Ｖ AC电压， 时间60S， 读取漏电流。

测试结果详见表２:

      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2.0ｍｍ厚的PI膜导热硅胶垫漏电流为76μＡ，小于1.0ｍｍ厚度下的130μＡ，绝缘性能更优。为了保证液冷板和极耳的绝缘性能，故选用2.0ｍｍ的PT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+R_contact

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。

      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 1.0ｍｍ的PI膜导热硅胶垫作为研究对象，其测试结果见表５。