隨著社會的發(fā)展，社會活動越來越豐富，中短距離交流越來越普遍。舒適便捷的出行方式一直受到人們的尊重。其中，電動自行車、電動助力車、電動滑板車等兩輪車備受人們青睞。越來越多的兩輪車也產(chǎn)生了越來越多的安全問題，而這些問題大多與電池的散熱有關(guān)。

 

兩輪電動自行車電池的散熱設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

1、兩輪車蓄電池組應(yīng)滿足復(fù)雜試驗條件下的可靠性和安全性要求；

2、滿足復(fù)雜工況下熱環(huán)境的要求；

3、在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)滿足電池冷卻系統(tǒng)的限制性要求。

 

兩輪車蓄電池的散熱設(shè)計

使用散熱片散熱

在兩輪車鋰電池行業(yè)中，散熱片一般用于加熱電池組電路保護(hù)板中容易發(fā)熱的電子元件，并通常與熱硅樹脂結(jié)合完成散熱。圖1顯示了散熱片的設(shè)計方案。PCB板上有螺絲安裝孔，螺柱由供應(yīng)商預(yù)先鉚接壓在散熱片上，形成散熱片組件。散熱片組件與安裝孔對齊，并用螺釘鎖定在加熱部件的保護(hù)板上。

一般建議在電子元件與散熱片之間預(yù)留足夠的空間，0.3~0.6mm，預(yù)留空間不宜過大，以免過多的膠合成本浪費(fèi)，預(yù)留空間也不宜過小，以免散熱器與電子元件發(fā)生干擾，容易損壞電子元件。此時，通過熱硅膠在電子元件和散熱片之間形成熱傳遞系統(tǒng)。

散熱片具有將加熱部件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍空氣中的功能，使加熱部件的溫升不會或不會達(dá)到因過熱而失控的情況，并保持正常的輸出工作狀態(tài)。散熱片通常由鋁合金、青銅或黃銅制成薄片、板材和板材，散熱片的散熱能力與散熱片的材料、厚度和面積密切相關(guān)，設(shè)計者可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這種結(jié)構(gòu)易于加工和安裝，成本相對較低，是最常見的散熱方式。

 

 

鋁基板散熱

鋁基板是由鋁作為金屬層基板制成的印刷電路板。電子元件以印刷電路板為載體，通過印刷電路板上的鍍銅電路實(shí)現(xiàn)元件之間的連接和傳導(dǎo)。傳統(tǒng)的印刷電路板基板是FR-4，它是環(huán)氧樹脂絕緣體，熱的傳導(dǎo)效果不是很好。

以FR-4為基板的印刷電路板的傳熱性能已經(jīng)無法滿足一些高導(dǎo)熱性產(chǎn)品的需求，影響了印刷電路板在某些特定場合的使用。印刷電路板上的局部加熱無法有效排空，隨著時間的推移，熱量的積累容易導(dǎo)致電子元件罷工甚至故障等，而鋁基板工藝的出現(xiàn)可以在更大程度上解決散熱的主要問題。

圖2顯示了鋁基板的散熱結(jié)構(gòu)。通常，鋁基板的單個面板由三層結(jié)構(gòu)組成。第一層是表面層的線路層，電子元件可以通過SMT附著在線路層的不同點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)電路原理的連接和控制。第二層連接上下絕緣層，其材料為絕緣體，絕緣層需要具有良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱性越好，越有利于散熱，容易散熱。第三層是金屬基底，它連續(xù)地散發(fā)上述兩層的熱量。鋁基板具有更好的散熱性能和更低的熱阻，因此鋁PCB具有較長的壽命。在兩輪車動力電池領(lǐng)域，一般用于大功率、儲能產(chǎn)品的電動摩托車電池組。

 

 

有機(jī)硅熱片散熱

導(dǎo)熱硅膠片散熱方案也是常用的散熱方式之一。因為沒有絕對光滑的物體。在電子顯微鏡下，看似光滑的平面有不同程度的凸起或凹陷，這被稱為物體的表面粗糙度。當(dāng)兩個不同的結(jié)構(gòu)部件組裝在一起時，由于表面粗糙度的存在，會形成無數(shù)的微孔。微孔的存在不利于熱傳導(dǎo)，增加了熱傳播的熱阻。此時，可以在兩個物體之間引入能夠?qū)岬膶?dǎo)熱硅樹脂片。

導(dǎo)熱硅膠片被賦予一定的預(yù)壓，因為硅膠材料柔軟，可以不同程度地進(jìn)入微間隙，大大降低熱阻，改善結(jié)構(gòu)件之間的熱傳導(dǎo)，有效地解決了兩個結(jié)構(gòu)件間的熱傳導(dǎo)問題。以下是導(dǎo)熱硅樹脂片材的設(shè)計案例。圖3顯示了導(dǎo)熱硅樹脂片的散熱設(shè)計方案。電池單元安裝在塑料支架A和支架B的安裝孔中，支架上設(shè)有螺絲緊固結(jié)構(gòu)，用于將電池單元緊緊固定。電池和電池之間的串聯(lián)和并聯(lián)連接是通過凸點(diǎn)焊技術(shù)完成的。

連接后，鋰電池電源組被充電，電池組不能直接接觸鋁圓柱體。在這種情況下，在導(dǎo)電片和鋁圓柱體的內(nèi)壁之間存在一定的間隙。由于空氣的熱導(dǎo)率僅為0.0242W（/m·K），熱傳導(dǎo)受到嚴(yán)重阻礙。最終，電池和導(dǎo)電片的溫度積累將導(dǎo)致電池啟動溫度保護(hù)并停止供電工作。在該方案中，將導(dǎo)熱硅樹脂片引入電池組一側(cè)導(dǎo)電片和鋁圓柱體之間的間隙。為了考慮電池的可制造性，電池組的另一側(cè)用PC片絕緣。

電池組安裝在鋁筒中的設(shè)定位置，并且電池組通過螺釘從鋁筒的頂部固定，使得電池組緊密地附接到鋁筒的上側(cè)。這里需要注意的是，導(dǎo)熱硅樹脂片需要一定的預(yù)載荷，因此在設(shè)計時需要考慮導(dǎo)熱硅樹脂板的壓縮量。在有機(jī)硅壓縮范圍內(nèi)，壓縮率越大，熱阻越小，導(dǎo)熱效果越好。導(dǎo)熱硅樹脂片可以去除間隙中的空氣，大大降低接觸熱阻。這樣，對于鋰離子電池的充電和放電，在放電過程中，電池芯和導(dǎo)電片產(chǎn)生的熱量可以通過熱硅樹脂片傳遞到鋁殼上，熱量通過鋁殼主體散發(fā)，以達(dá)到電池組正常工作的目的。

 

 

導(dǎo)熱灌封膠散熱

熱灌封膠通常分為環(huán)氧樹脂體系和有機(jī)硅橡膠體系。固化后的環(huán)氧樹脂體系的硬度是剛性的，固化后的有機(jī)硅橡膠體系的柔軟性是彈性的。有機(jī)硅橡膠體系又分為單組分機(jī)械灌封膠和雙組分機(jī)械灌注膠。單組分灌封膠粘接性能好，附著力強(qiáng)，相應(yīng)的流動性會較差。雙組分灌封膠附著力差，但流動性好，固化快?？紤]到生產(chǎn)效率和固化速度的特點(diǎn)，電池組的整體填充方案通常選擇雙組分機(jī)械填充密封膠。

雙組分灌封膠在灌裝前單獨(dú)存放。使用時，兩種成分在專用填充設(shè)備中按一定比例充分均勻混合，并通過填充口進(jìn)入電池組。灌封后，灌封膠混合物可在室溫下固化。圖4顯示了導(dǎo)熱灌封膠的散熱方案。鋁筒的兩側(cè)分別設(shè)有面殼和底殼，底殼和鋁筒通過螺釘固定形成鋁筒預(yù)處理，將電池組件組裝到鋁筒預(yù)加工上，然后將面殼組件與鋁筒鎖定形成半成品。底殼上開有兩個孔，一個用于涂膠，另一個用于排氣。

圖5顯示了電池組的截面。熱灌封膠通過灌封孔進(jìn)入灌封通道，然后從灌封通道轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部，填充電池內(nèi)部。電池芯和保護(hù)板用灌封膠包裹。當(dāng)電池工作時，熱源產(chǎn)生的熱量通過熱灌封膠及時傳遞到鋁殼上，從而降低熱源的溫度。同時，熱灌封膠方案還可以在電池中起到防水作用，提高電子元器件、電池和導(dǎo)電片的防水防潮性能。

熱灌封膠具有一定的彈性，在電池組振動、跌落、沖擊等可靠性測試中，可以有效減少外部沖擊對電池造成的損傷。但熱灌封膠粘劑散熱方案也存在重量相對較大、成本較高、不利于電池修復(fù)的缺點(diǎn)，建議設(shè)計者根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

 

 

散熱方案比較與總結(jié)

散熱器散熱方案通常與熱硅樹脂相結(jié)合，用于加熱電池組電路保護(hù)板中容易發(fā)熱的電子元件。成本更經(jīng)濟(jì)，是兩輪電池組最基本、最常見的冷卻方式。鋁基板散熱方案通常用于具有大功率和儲能產(chǎn)品的電動摩托車。在兩輪電池組領(lǐng)域，使用場景相對簡單。在相同形狀尺寸的條件下，成本比普通印刷板高出約30%。

導(dǎo)熱硅膠片散熱方案，由于硅膠片質(zhì)地柔軟，易于修剪，大大提高了導(dǎo)熱硅膠片使用的便利性。在滿足隔熱功能的同時，可以考慮結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)的阻尼。然而，熱導(dǎo)率略低于散熱器的熱導(dǎo)率。熱灌封膠散熱方案具有良好的嵌縫性能和防水功能。熱灌封膠的導(dǎo)熱性一般，優(yōu)點(diǎn)是可以完全包裹熱源，與熱源的接觸面積最大。

因此，當(dāng)電池組是防水的，并且電池單元有速率放電的要求時，這是一個很好的解決方案。然而，經(jīng)過包裝后，不容易拆卸，而且維修更費(fèi)力。灌封后的電池重量大，成本相對較高，如果對產(chǎn)品成本和維修有特殊需求，則有必要仔細(xì)考慮這種結(jié)構(gòu)。