影响电动汽车电池间隙填充物可返修性的三个因素

虽然不同汽车制造商拥有着不同的电动汽车电池组设计,但通常情况下,将电池固定在冷却板上,不仅需要紧固件,还需要一种名为间隙填充物的导热聚合材料。在此类应用中,由于间隙填料在固化前能够适应表面粗糙度,所以其表现优于热垫,热阻抗较低。间隙填料能够很好地附着在表面上,在正常运行过程中提供机械支撑,并满足原始设备制造商严格的标准。但是,如果需要拆卸电池,其高粘着力也会带来挑战。

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在常规电池组设计中(如图1所示),电池模块紧密地挨在一起,以最大限度地提升空间和能量密度。但是,壳体内的电池排列过于紧凑,不容易拆卸,例如从边缘和垂直方向剥离电池。

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图1

在拆卸和更换有故障的电池模块时,只有不破坏其它模块或冷却板,这样的电池组才具有可返修性。拆卸电池模块所需要用的力取决于间隙填料的粘接强度,而这又取决于间隙填料的表面性能、机械强度和电池拆卸条件。在电动汽车市场,电池具有可返修性非常重要。首先,电池组可重复使用和回收,可以减少浪费,推动可持续发展,对环境具有明显影响;此外,还会产生切实的经济影响。

粘着失效模式

在下面几段所示的方框图中,箭头表示从左向右移动CoolTherm®间隙填料样品时,平均拉力增加(红色)或减少(绿色)。对样本均值进行配对t检验,α值为0.05,以评估拉力均值的差异是否具有统计意义。故障模式通过每个方框图旁边的代表性图像显示。故障模式定义如下:

粘结性(coh)失效:大量间隙填充物明显失效,两种基材都存在间隙填充物。

粘合剂(adh)失效:基材与间隙填充物之间的界面失效,只有一个表面上有间隙填充物。

混合(mix)失效:粘合剂和粘合失效的混合体,基材的某些部分上没有任何间隙填充物。

相比之下,从热传输角度来看,一些原始设备制造商更愿意遇到粘结性(coh)材料失效;但是,粘合剂(adh)失效更易于清洗。正如我们下面将看到的,间隙填充物失效不仅材料特性,也是基材表面作用的结果。

影响间隙填料返修性的三个因素

1)拉力的表面效应

为了评估粗糙表面对拉力的影响,对T型钢表面进行喷砂处理。使用表面粗糙度测试仪(Mitutoyo,SurftestSJ-210),根据ISO1997测量表面粗糙度。清洁铝表面的平均粗糙度(Ra)为0.35±0.05µm,而喷砂表面的平均粗糙度(Ra)为4.66±0.30µm。

喷砂处理后的表面粗糙度约为原始表面的10倍。新铝和喷砂的垂直拉力如图2所示,其中喷砂表面的平均拉力增加了17%。二者的平均值差异很明显。

如图2中所示,失效模式也可以从新铝表面的粘合剂/混合式(adh/mix)切换到喷砂表面的粘结性失效(coh)。这一结果显示,在测试垂直拉拔可再加工间隙填料时,定义基材表面粗糙度十分重要。

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2)拉速的影响

结合聚合物的粘弹性行为,研究人员测量了拉速(应变率)对拉力的影响,结果如图3所示。粘结间隙保持在1mm不变。很明显,拉力随着拉速的增加而增长。然而,在12 mm/min之后,就被测试的间隙填料而言,拉力增加不太明显,但失效模式明显不同。在1mm/min时,为粘结性(coh)失效模式。当速度大于或等于12 mm/min时,主要为粘结剂(adh)失效模式,偶有混合(mix)。请参见下图。

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3)粘结层厚度的影响

下一个研究变量是粘结层厚度对拉力的影响(图4)。当结合间隙从1 mm增加到3 mm时,拉力减小。失效模式从1mm时的粘合剂/混合性(adh/mix)失效,完全转变为2mm和3mm时的粘合剂(adh)失效。

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行业考虑事项

如果电池可以从边缘垂直拉动,比起从中心均匀施力,拉力可以减少50%以上。我们测试的CoolTherm®间隙填充物的失效模式,从边缘拉出时是完全粘合剂(adh)失效,而从中心拉出时是粘合剂/混合性(adh/mix)失效。

电池模块组装紧密,因此可能无法从边缘进行剥离。从等于1.4度角的边缘拉出时,在结合点分离前,边缘的平均位移仅为0.6 mm。对于通常尺寸电池模块(40 cm×20 cm)来说,同样是1.4度角,模块之间的间隙需要达到4-5 mm,才能方便拆卸。比起从中心拉出或在模块表面施加相等的力,这可以将所需的力降低50%以上,大大减少损坏冷却板的可能性。

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