影响电动汽车电池间隙填充物可返修性的三个因素

新能源汽车讯 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。

（图片来源：chargedevs）

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。

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。

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。

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。

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。