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(gè)小時(shí)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(shí)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(bào)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(shí)間內(nèi)補(bǔ)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(dá)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(jī)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(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(dòng)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(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)，其燃燒等級需達(dá)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(diǎn)是：戶外灰塵易進(jìn)入柜內(nèi)污染精密元器件；若發(fā)熱 體散熱不強(qiáng)，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(jì)。

目前業(yè)內(nèi)引入導(dǎo)熱有機(jī)硅、導(dǎo)熱工程塑料解決散熱問題，主要包括以下四個(gè)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(shí)，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(jī)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(jī)物粉體和有機(jī)高分子基體的復(fù)合而制備的，具有輕質(zhì)、易成型加工、強(qiáng)度高、抗疲勞等優(yōu)異性能，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵材料。

（2）常見絕緣性導(dǎo)熱粉體優(yōu)缺點(diǎn)

01金屬氧化物（如氧化鋁、氧化鎂）

優(yōu)點(diǎn)：用途廣泛，可填充性好，導(dǎo)熱系數(shù)高

缺點(diǎn)：硬度高，加工易變色，對設(shè)備造成磨損

02硅微粉

優(yōu)點(diǎn)：來源豐富，價(jià)格低廉

缺點(diǎn)：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(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)高，可用于高端產(chǎn)品

缺點(diǎn)：價(jià)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(diǎn)

當(dāng)粉體添加量較低時(shí)，對熱導(dǎo)率影響不明顯；當(dāng)粉體量超過某臨界點(diǎn)時(shí)（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(diǎn)，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?。?！

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(jī)械攪拌和球磨技術(shù)，對導(dǎo)熱粉體不規(guī)則幾何形貌進(jìn)行整理，從而增加粉體流動(dòng)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(kuò)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(xì)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(jī)硅的極性特點(diǎn)，分別采用具有特殊功能團(tuán)的偶聯(lián)劑處理，可以根據(jù)用戶的配方要求進(jìn)行調(diào)整和應(yīng)用性試驗(yàn)。

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(shí)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(rèn)可，具有以下特點(diǎn)：

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(dǎo)熱性的同時(shí)對加工設(shè)備磨損小，加工時(shí)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(shí)現(xiàn)更高導(dǎo)熱；

4粉體在加工時(shí)具有良好的流動(dòng)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(jī)硅）

3.2 氫氧化鋁在阻燃有機(jī)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(jī)硅環(huán)保阻燃的優(yōu)選阻燃劑。

優(yōu)點(diǎn)：（1）無鹵，符合歐盟環(huán)保要求；（2）價(jià)格低廉

缺點(diǎn)：（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(jī)硅基體中的分散性以及與有機(jī)硅的相容性?。?！

3.4 金戈公司的技術(shù)途徑

（1）先進(jìn)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(tuán)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(dú)特的粉體表面改性劑         

針對有機(jī)硅樹脂的特點(diǎn)，采用特殊官能基團(tuán)的偶聯(lián)劑作為粉體表面進(jìn)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(jì)和構(gòu)建的表面處理生產(chǎn)線

▲ 多路自動(dòng)計(jì)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(jì)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(diǎn)

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(dòng)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(jī)硅、PVC、橡塑等阻燃；

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(shí)，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。