充電樁散熱和阻燃的技術方案

序言

充電樁要在0.5-2個小時內將新能源汽車電池充滿，如此快的充電速度，將會導致充電樁內部電氣元件產生大量的熱量，如果這些熱量不及時散出，又會引起火災等事故。近年來，關于充電樁散熱、阻燃問題引發(fā)的火災事故頻繁發(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業(yè)論壇暨展示會上，我司作充電樁散熱和阻燃技術方案專題報告。以下是具體內容。

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，會導致熱量快速且大量產生。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、電源模塊等元件產生的熱量越大。

充電過程中產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?。?！

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；（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：《電動汽車充電設備非金屬材料外殼技術規(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、充電樁散熱技術方案

2.1 技術現(xiàn)狀和發(fā)展常規(guī)采用散熱風扇，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，即使外界散熱力度再大，效果都有限；不利于輕型集成設計。

目前業(yè)內引入導熱有機硅、導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。以電感模塊導熱硅墊為例：導熱硅墊可以將電感熱量傳導至電源鋁制外殼，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 導熱有機硅/塑料現(xiàn)狀

（1）導熱高分子復合材料

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

（2）常見絕緣性導熱粉體優(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，導熱系數(shù)高

缺點：硬度高，加工易變色，對設備造成磨損

02硅微粉

優(yōu)點：來源豐富，價格低廉

缺點：導熱系數(shù)低，只能用于低端導熱產品

03氮化物（氮化硼、氮化鋁等）

優(yōu)點：導熱系數(shù)高，可用于高端產品

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）技術關鍵點

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

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

因此，改善導熱粉體的分散性和相容性，從而提高填充量成為技術的關鍵?。?！

2.3 金戈公司的技術解決方案

1.導熱粉體的形貌整理：組合機械攪拌和球磨技術，對導熱粉體不規(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.導熱粉體組合優(yōu)化以金屬氧化物為導熱粉體，通過：①與高導熱粉體復合，如氮化硼、金剛石粉等；②與高擴散系數(shù)的粉體復合，如硅微粉、石英粉等；③與片狀或纖維狀粉體復合，如云母、硅灰石等。

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

3.導熱粉體表面改性

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整和應用性試驗。

4.表面處理的一體化工藝生產線

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

2.4 金戈公司GD系列環(huán)保導熱粉體

金戈公司GD系列環(huán)保導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小；

2粉體軟硬適中，在保證導熱性的同時對加工設備磨損小，加工時不易變色；

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

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系列導熱劑在充電樁上的應用，以GD-S281G制備的導熱硅墊為例：

在鋁殼與電感PIN角處加入導熱硅墊前后，電感表面溫度下降20℃。由此可見，導熱硅墊將電感的熱量導到鋁殼上，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

技術的關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 金戈公司的技術途徑

（1）先進的粉碎和分級設備

? 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）自行設計和構建的表面處理生產線

▲ 多路自動計量加料系統(tǒng)，有利于不同粉體的在質量比例上的穩(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。

▲可控的溫度和轉速，前者可確保偶聯(lián)劑有效與粉體顆粒表面化學連接；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系列氫氧化鋁產品的特點

1產品純度高，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產品種類多，粒徑600目-10000目，應用范圍廣，如有機硅、PVC、橡塑等阻燃；

7可提供定制化服務。

例：FA系列氫氧化鋁在充電樁阻燃硅膠的應用，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。