充電樁散熱和阻燃的技術(shù)方案

序言

充電樁要在0.5-2個小時內(nèi)將新能源汽車電池充滿，如此快的充電速度，將會導(dǎo)致充電樁內(nèi)部電氣元件產(chǎn)生大量的熱量，如果這些熱量不及時散出，又會引起火災(zāi)等事故。近年來，關(guān)于充電樁散熱、阻燃問題引發(fā)的火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，那么，如何解決充電樁散熱、阻燃問題？2016年8月20日，第一屆充電樁材料及連接裝配產(chǎn)業(yè)論壇暨展示會上，我司作充電樁散熱和阻燃技術(shù)方案專題報告。以下是具體內(nèi)容。

一、充電樁散熱和阻燃的重要性

1.1 充電樁散熱的重要性

充電樁目的是讓待充電車輛在較短時間內(nèi)補充50-60%以上的電能，其中直流快充1-2h可充滿，交流慢充6-8h充滿。由于高的電流和電壓，會導(dǎo)致熱量快速且大量產(chǎn)生。充電速度越快，則充電樁電感模塊功率越大，充電電流越大，意味著電感模塊、電源模塊等元件產(chǎn)生的熱量越大。

充電過程中產(chǎn)生的熱量有多大以功率為60KW充電樁和通信電源柜做對比：目前行業(yè)主流模塊效率標(biāo)稱95%，以60KW系統(tǒng)為例，僅模塊散熱量就達到60*0.05*1000=3000W，這意味著充電樁在充電過程中，產(chǎn)生的熱量是同等體積條件下通信戶外機柜散出熱量的3倍。散熱問題是充電樁系統(tǒng)必須解決的難題之一?。。?/span>

1.2 充電樁阻燃的重要性充電樁起火的原因

（1）漏電；（2）遇到突發(fā)火災(zāi)；（3）快速充電中過高熱量造成的短路阻燃是充電樁材料必須解決的問題?。?！

例如：《電動汽車充電設(shè)備非金屬材料外殼技術(shù)規(guī)范》中指出充電樁非金屬材料外殼阻燃要求：4.1 材料耐燃性能4.1.1 外殼承受GB/T 5169.11(IEC 60695-2-11)的灼熱絲試驗，試驗溫度為850℃4.1.2 外殼承受GB/T 5169.16（IEC 60695-11-10）的垂直燃燒試驗，其燃燒等級需達到V-0/1.5mm。

二、充電樁散熱技術(shù)方案

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展常規(guī)采用散熱風(fēng)扇，具有成本低，安裝簡便，能耗較少；缺點是：戶外灰塵易進入柜內(nèi)污染精密元器件；若發(fā)熱 體散熱不強，熱量易積聚在發(fā)熱體內(nèi)，即使外界散熱力度再大，效果都有限；不利于輕型集成設(shè)計。

目前業(yè)內(nèi)引入導(dǎo)熱有機硅、導(dǎo)熱工程塑料解決散熱問題，主要包括以下四個方面：電感模塊、芯片散熱、電源、插座插頭。以電感模塊導(dǎo)熱硅墊為例：導(dǎo)熱硅墊可以將電感熱量傳導(dǎo)至電源鋁制外殼，從而降低電感溫度；同時，硅墊具有較好的彈性，可起到防震減震的作用。

2.2 導(dǎo)熱有機硅/塑料現(xiàn)狀

（1）導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料是通過導(dǎo)熱無機物粉體和有機高分子基體的復(fù)合而制備的，具有輕質(zhì)、易成型加工、強度高、抗疲勞等優(yōu)異性能，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計和制造的關(guān)鍵材料。

（2）常見絕緣性導(dǎo)熱粉體優(yōu)缺點

01金屬氧化物（如氧化鋁、氧化鎂）

優(yōu)點：用途廣泛，可填充性好，導(dǎo)熱系數(shù)高

缺點：硬度高，加工易變色，對設(shè)備造成磨損

02硅微粉

優(yōu)點：來源豐富，價格低廉

缺點：導(dǎo)熱系數(shù)低，只能用于低端導(dǎo)熱產(chǎn)品

03氮化物（氮化硼、氮化鋁等）

優(yōu)點：導(dǎo)熱系數(shù)高，可用于高端產(chǎn)品

缺點：價格高，難加工，可填充性差，易造成體系粘度急劇增大

（3）技術(shù)關(guān)鍵點

當(dāng)粉體添加量較低時，對熱導(dǎo)率影響不明顯；當(dāng)粉體量超過某臨界點時（15~20v%或者30~40m%），粉體顆粒形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，熱導(dǎo)率隨粉體填充量呈現(xiàn)較顯著提高。

導(dǎo)熱高分子材料具有導(dǎo)熱粉體高填充量的特點，然而高填充導(dǎo)致粉體難分散性，與樹脂的相容性差，影響導(dǎo)熱復(fù)合材料的加工性能、力學(xué)性能和表面光潔度。

因此，改善導(dǎo)熱粉體的分散性和相容性，從而提高填充量成為技術(shù)的關(guān)鍵?。。?/span>

2.3 金戈公司的技術(shù)解決方案

1.導(dǎo)熱粉體的形貌整理：組合機械攪拌和球磨技術(shù)，對導(dǎo)熱粉體不規(guī)則幾何形貌進行整理，從而增加粉體流動性，以及提高粉體堆積密度和粉體添加量。

2.導(dǎo)熱粉體組合優(yōu)化以金屬氧化物為導(dǎo)熱粉體，通過：①與高導(dǎo)熱粉體復(fù)合，如氮化硼、金剛石粉等；②與高擴散系數(shù)的粉體復(fù)合，如硅微粉、石英粉等；③與片狀或纖維狀粉體復(fù)合，如云母、硅灰石等。

提供優(yōu)化復(fù)合體系：①導(dǎo)熱性能②加工性能/施工性能③力學(xué)性能/表面光潔/細膩度④灌封膠中粉體抗沉降等

3.導(dǎo)熱粉體表面改性

針對工程塑料和有機硅的極性特點，分別采用具有特殊功能團的偶聯(lián)劑處理，可以根據(jù)用戶的配方要求進行調(diào)整和應(yīng)用性試驗。

4.表面處理的一體化工藝生產(chǎn)線

一體化工藝流程能有效提高生產(chǎn)效率,保證品質(zhì)穩(wěn)定；同時也能提供多種粉體復(fù)配選擇的靈活性。

2.4 金戈公司GD系列環(huán)保導(dǎo)熱粉體

金戈公司GD系列環(huán)保導(dǎo)熱粉體已獲得廣泛市場認可，具有以下特點：

1粉體與樹脂基體具有良好的相容性，對材料物理性能影響??；

2粉體軟硬適中，在保證導(dǎo)熱性的同時對加工設(shè)備磨損小，加工時不易變色；

3粉體在適當(dāng)比例下能在樹脂基體內(nèi)形成致密填充，從而實現(xiàn)更高導(dǎo)熱；

4粉體在加工時具有良好的流動性，利于薄壁注塑或灌封。

GD系列導(dǎo)熱劑在充電樁上的應(yīng)用，以GD-S281G制備的導(dǎo)熱硅墊為例：

在鋁殼與電感PIN角處加入導(dǎo)熱硅墊前后，電感表面溫度下降20℃。由此可見，導(dǎo)熱硅墊將電感的熱量導(dǎo)到鋁殼上，鋁殼幫助電感散熱，電感器表面溫度迅速降低，從而大大提升了充電樁的可靠性與壽命。

三、充電樁阻燃的技術(shù)方案

3.1 充電樁所用的阻燃材料：充電樁外殼（阻燃PC/ABS）、充電樁插頭插座（阻燃PA66、阻燃PBT）、充電樁電線電纜 （阻燃TPR）、充電樁電源腳（阻燃有機硅）

3.2 氫氧化鋁在阻燃有機硅中的應(yīng)用氫氧化鋁是一種環(huán)保型的阻燃劑，已在高分子材料中廣泛應(yīng)用，也是有機硅環(huán)保阻燃的優(yōu)選阻燃劑。

優(yōu)點：（1）無鹵，符合歐盟環(huán)保要求；（2）價格低廉

缺點：（1）阻燃效率低；（2）吸油值較高，粉體難分散；（3）硅膠粘度影響大；（4）易沉降

技術(shù)的關(guān)鍵是改善氫氧化鋁粉體在有機硅基體中的分散性以及與有機硅的相容性！??！

3.4 金戈公司的技術(shù)途徑

（1）先進的粉碎和分級設(shè)備

? 提供較為規(guī)整的粉體顆粒形貌，從而降低粉體表面極性，因而降低吸油值，且減少粉體團聚；

? 粉體粒徑分布窄，確保阻燃材料的良好力學(xué)性能和表面光潔度。

（2）獨特的粉體表面改性劑         

針對有機硅樹脂的特點，采用特殊官能基團的偶聯(lián)劑作為粉體表面進行處理，有效降低吸油值，改善粉體的分散性和相容性。

（3）自行設(shè)計和構(gòu)建的表面處理生產(chǎn)線

▲ 多路自動計量加料系統(tǒng)，有利于不同粉體的在質(zhì)量比例上的穩(wěn)定和粉體均勻混合，特別是統(tǒng)一的表面處理，保證其不同粉體表面極性的一致性。

▲ 在粉體加料過程中，表面處理劑霧化計量加入，確保其與粉體的接觸均勻。

▲可控的溫度和轉(zhuǎn)速，前者可確保偶聯(lián)劑有效與粉體顆粒表面化學(xué)連接；后者可保證物料和偶聯(lián)劑間在加料過程中的均勻分布。

3.5 金戈公司FA系列氫氧化鋁產(chǎn)品的特點

1產(chǎn)品純度高，具有良好的阻燃、消煙特性；

2粉體白度高，不影響著色；

3流動性好，利于粉體加料；

4吸油值低，具有良好的分散性和相容性；

5防沉降性優(yōu)異，利于薄壁注塑或灌封；

6產(chǎn)品種類多，粒徑600目-10000目，應(yīng)用范圍廣，如有機硅、PVC、橡塑等阻燃；

7可提供定制化服務(wù)。

例：FA系列氫氧化鋁在充電樁阻燃硅膠的應(yīng)用，以FA-10TA在350cps乙烯基硅油中制備的灌封膠為例，粉體添加量為170份。同時，給出未改性FA-10應(yīng)用參數(shù)作為對比。

從上表可知，改性后的氫氧化鋁吸油值大幅降低，制得的灌封膠粘度也大幅下降。