Wärmeleitpads für Batteriemanagementsysteme: Ein umfassender Leitfaden für eine bessere Wärmeableitung

Wärmeleitpads werden in Batteriemanagementsystemen eingesetzt, um Wärme von der BMS-Elektronik in ein Metallgehäuse, einen Wärmeverteiler, eine Kühlplatte oder eine andere Kühlfläche abzuleiten. Sie füllen den Luftspalt zwischen wärmeerzeugenden Bauteilen und der Kühlstruktur aus. Ein gutes Wärmeleitpad verbessert den Kontakt, reduziert lokale Hotspots und sorgt für stabilere Temperaturen auf der Leiterplatte.

Zu den wichtigsten Wärmequellen zählen unter anderem Widerstände zum Zellausgleich, Schutz-MOSFETs, Strommesskomponenten, Leistungswandler, Gate-Treiber, Kommunikationsschaltungen und der BMS-Prozessor. Welcher Teil am heißesten wird, hängt von der Architektur und dem Betriebsmodus ab. Durch den passiven Ausgleich kann es zu einer konzentrierten Wärmeentwicklung im Bereich der Widerstandsbänke kommen. Lade- und Entladeströme können Schutzvorrichtungen und Shunts erwärmen. Bei einem Hochspannungs-Akku kann das BMS zudem in einem warmen Gehäuse mit eingeschränktem Luftstrom untergebracht sein.

Das richtige BMS-Wärmeleitpad ist nicht einfach das Produkt mit dem höchsten W/mK-Wert. Ingenieure müssen außerdem die endgültige Dicke der Klebefuge, die Anpresskraft, die Durchschlagfestigkeit, den Oberflächenkontakt, die Härte des Wärmeleitpads, den Temperaturbereich, die Brandschutzanforderungen und die Alterung berücksichtigen. Das Wärmeleitpad sollte die Elektronik kühlen, ohne die Leiterplatte zu verbiegen, Lötstellen zu belasten oder die von nahegelegenen Sensoren gemessene Temperatur zu verändern.

Was braucht ein Batteriemanagementsystem, um kühl zu bleiben?

Ein Batteriemanagementsystem misst die Zellspannung, den Strom im Batteriepack und die Temperatur. Es ermittelt den Ladezustand und den Gesundheitszustand. Außerdem steuert es den Ausgleich, die Schütze, die Lade- und Entladegrenzen sowie die Fehlerreaktionen. Genaue Daten sind für diese Entscheidungen von zentraler Bedeutung. Analog Devices beschreibt in seiner Übersicht die Genauigkeit und Stabilität des BMS über Zeit, Temperatur und Betriebsbedingungen hinweg als wesentlich für eine zuverlässige Zellenüberwachung. Lebensdauer des Batteriemanagementsystems.

Ein BMS verbraucht zwar weitaus weniger Strom als die von ihm gesteuerte Batterie, doch seine Wärme konzentriert sich auf eine kleine Leiterplatte. Diese Leiterplatte befindet sich möglicherweise in einem versiegelten Metallgehäuse, in dem kaum eine natürliche Luftzirkulation stattfindet. In der Nähe befindliche Zellen, Sammelschienen, Schütze und Leistungselektronik können die lokale Umgebungstemperatur erhöhen. Dadurch lässt sich eine geringe Verlustleistung der Bauteile nur schwer abführen.

Widerstände zum Zellausgleich und Wärmeableitung der BMS-Platine

Beim passiven Ausgleich wird überschüssige Zellenergie als Wärme abgegeben. Der Widerstandswert, der Ausgleichsstrom, die Anzahl der aktiven Kanäle und der Tastgrad bestimmen den Gesamtverlust. Es können mehrere Widerstände gemeinsam betrieben werden. Die von ihnen erzeugte Wärme kann die Temperatur der Leiterplatte, des Batterieüberwachungs-ICs und der nahegelegenen Steckverbinder erhöhen.

Das Wärmeleitpad muss nicht jeden Widerstand direkt abdecken. Bei manchen Anordnungen leiten Kupferflächen die Wärme zu einem definierten Pad-Bereich auf der Rückseite der Leiterplatte weiter. Dieses Pad leitet die Wärme dann in das Gehäuse ab. Bei anderen Konstruktionen steht ein Pad in Kontakt mit den Oberseiten einer Widerstandsreihe. Beide Ansätze können funktionieren, bergen jedoch unterschiedliche elektrische und mechanische Risiken.

MOSFETs, Shunts und Schutzkomponenten in einem BMS

MOSFETs in Schutzschaltungen können Leit- und Schaltverluste verursachen. Strommessbrücken leiten Leistung entsprechend dem Quadrat des Stroms multipliziert mit dem Widerstand ab. DC/DC-Wandler, lineare Regler, Gate-Treiber und Vorladeschaltungen erzeugen zusätzliche Wärme. Da diese Komponenten möglicherweise nur in bestimmten Betriebsmodi arbeiten, kann bei einem Test im Dauer-Leerlaufbetrieb die ungünstigste Betriebsbedingung übersehen werden.

Wenn MOSFETs den größten Verlustanteil ausmachen, sollten Sie ein Pad verwenden, das den Kontakt trotz Toleranzen bei Gehäuse und Leiterplatte aufrechterhalten kann, ohne die Anschlüsse oder Lötstellen zu überbeanspruchen. Die Auswahlkriterien in Wärmeleitpads für MOSFETs: Auswahlleitfaden für Ingenieure Dies gilt auch für die Schutzstufen des BMS, insbesondere wenn sich mehrere Baugruppen eine Gehäusefläche teilen.

Batterieüberwachungs-ICs, Prozessoren und isolierte Kommunikationsgeräte

Batterieüberwachungs-ICs und Prozessoren weisen oft geringere Leistungsverluste auf als Ausgleichskomponenten oder MOSFETs. Dennoch können sie empfindlich auf lokale Temperaturschwankungen reagieren. Übermäßige Temperaturen können die elektrische Sicherheitsmarge verringern, die Drift erhöhen oder die Lebensdauer der Bauteile verkürzen. Temperaturgradienten auf der Leiterplatte können zudem die Temperaturkompensation erschweren.

Die Kühlung dieser Bauteile sollte gezielt erfolgen. Ein großes Kühlpad, das die gesamte Platine abdeckt, kann eine Präzisionsschaltung mit einem heißen Bereich des Gehäuses koppeln. Ein kleineres, in Zonen unterteiltes Kühlpad ermöglicht eine bessere Steuerung. Das Ziel besteht nicht darin, alle Bauteile auf die gleiche Temperatur zu bringen. Das Ziel ist es, kritische Bauteile innerhalb ihrer Grenzwerte zu halten und gleichzeitig eine genaue Messung zu gewährleisten.

BMS-Wärmeleitpads sind kein vollständiges Batteriekühlsystem

Der Begriff “Batteriewärmemanagement” bezieht sich häufig auf die Regelung der Zell- und Modultemperaturen mittels Luft-, Flüssigkeitskühlung, Kältemitteln, Heatpipes oder Phasenwechselsystemen. Ein Wärmeleitpad auf einer BMS-Platine erfüllt eine engere Funktion. Es leitet Wärme von den elektronischen Steuerungen ab und kann dazu beitragen, ausgewählte Oberflächen des Batteriepacks miteinander zu verbinden, kann jedoch ein korrekt ausgelegtes Zellkühlsystem nicht ersetzen.

Die Arbeit des NREL zu Modellierung des Wärmemanagements für Batterien legt den Schwerpunkt sowohl auf die Betriebstemperatur als auch auf die Temperaturgleichmäßigkeit über die Zellen und Module hinweg. Diese Ziele auf Pack-Ebene erfordern ein umfassendes thermisches Design. BMS-Wärmeleitpads unterstützen dieses Design, indem sie die Zuverlässigkeit der Überwachungs- und Steuerungselektronik gewährleisten. Sie sollten nicht als Schutzmaßnahme dargestellt werden, die einen thermischen Durchgang allein verhindern kann.

Diese Unterscheidung ist bei der Ursachenanalyse von Bedeutung. Wenn sich die Zellen aufgrund eines unzureichenden Kühlmittelflusses überhitzen, lässt sich das Problem der Zellen nicht durch das Anbringen eines Pads mit höherer Leitfähigkeit auf der BMS-Platine beheben. Wenn der BMS-Prozessor einen Reset ausführt, weil Ausgleichswiderstände ein versiegeltes Steuerungsfach erhitzen, kann ein gezielt angebrachtes Pad zwischen Platine und Gehäuse Abhilfe schaffen.

Wie Wärmeleitpads die Wärmeableitung im BMS verbessern

Luft ist im Vergleich zu einem gefüllten Wärmeleitmaterial ein schlechter Wärmeleiter. Die Oberflächen von Bauteilen, Leiterplatten und Gehäusen sind nicht vollkommen eben. Ohne eine nachgiebige Schnittstelle findet der Kontakt nur an den höchsten Stellen statt. Der verbleibende Raum wirkt wie ein isolierender Luftspalt.

Ein thermisches Spaltpolster verformt sich unter dem Montage-Druck. Es passt sich der Oberflächenstruktur an und gleicht Höhenunterschiede aus. Wärme kann dann vom Bauteil oder der Leiterplatte durch das Pad in eine größere Kühlstruktur geleitet werden. Bei dieser Struktur kann es sich um die BMS-Abdeckung, eine Aluminiumgrundplatte, ein Gussgehäuse, einen Sammelschienen-Wärmeverteiler oder eine von der Elektronik isolierte Kühlplatte handeln. HakTak’s Thermopads sind für diese Art von thermischem Wärmepfad zwischen Bauteil und Gehäuse bzw. zwischen Leiterplatte und Gehäuse vorgesehen.

Der gesamte Wärmepfad könnte wie folgt aussehen:

1. Halbleiterübergang oder Widerstandskörper
2. Bauteilgehäuse und Lötverbindung
3. Kupfer- und Dielektrikumsschichten auf Leiterplatten
4. BMS-Wärmeleitpad
5. Metallgehäuse oder Wärmeverteiler
6. Kühlkreislauf für Umgebungsluft oder Verpackungen

Jede Schicht erhöht den Wärmewiderstand. Ein Wärmeleitpad kann zwar eine schwache Schnittstelle verbessern, kann jedoch weder ein schlechtes Kupferlayout, ein zu kleines Gehäuse noch eine unzureichende externe Kühlung ausgleichen. Aus diesem Grund sollte die Auswahl des Wärmeleitmittels erst erfolgen, nachdem der Hauptwärmepfad genau bekannt ist.

So wählen Sie ein Wärmeleitpad für eine BMS-Platine aus

Das beste Wärmeleitpad für ein BMS ist das dünnste, nachgiebige Material, das den Kontakt über die gesamten Fertigungstoleranzen hinweg aufrechterhält, die Bauteil-Temperaturen innerhalb der Sollwerte hält, die erforderliche elektrische Isolierung gewährleistet und über die gesamte Produktlebensdauer mechanisch stabil bleibt.

Beginnen Sie mit der BMS-Leistungskarte, nicht mit dem Datenblatt des Pads.

Berechnen oder messen Sie die Verlustleistungen der Komponenten in allen wichtigen Betriebszuständen. Berücksichtigen Sie dabei die Zustände „Laden“, „Entladen“, „Ausgleich“, „Ruhezustand“, „Aktivierung“, „Fehler“ und „Kommunikation“. Achten Sie auf Fälle, in denen mehrere Ausgleichskanäle in Betrieb sind, während das Gehäuse des Akkupacks bereits heiß ist. Berücksichtigen Sie Toleranzen beim MOSFET-Widerstand, beim Shunt-Widerstand, beim Wirkungsgrad des Wandlers und bei der Versorgungsspannung.

Verwenden Sie je nach Bedarf Thermoelemente, Widerstandstemperatursensoren, kalibrierte Infrarotmessungen oder Schätzungen der Verpackungstemperatur. Infrarotaufnahmen sind hilfreich, um heiße Bereiche zu lokalisieren, doch Emissionsgrade und Reflexionen von Metalloberflächen können zu Fehlern führen. Überprüfen Sie wichtige Stellen mit Kontaktsensoren.

Die Temperatur der Kühlfläche bestimmen

Ein Kühlkörper leitet Wärme lediglich an eine andere Oberfläche weiter. Diese muss kühler bleiben als die Wärmequelle. Messen oder modellieren Sie die Gehäusetemperatur im gleichen Worst-Case-Betriebsmodus. Wenn das Gehäuse durch benachbarte Zellen oder Schütze erwärmt wird, kann es zu einem schlechten Kühlkörper werden.

Der Wärmefluss kann sich bei einem Kaltstart oder einer schnellen Erwärmung des Akkupacks auch umkehren. Durch thermische Kopplung kann sich die BMS-Elektronik vom Gehäuse aus erwärmen. Überprüfen Sie beide Richtungen, wenn der Akkupack in einem breiten Umgebungstemperaturbereich betrieben wird.

Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur thermischen Impedanz bei BMS-Wärmeleitpads

Die Wärmeleitfähigkeit, angegeben in W/mK, beschreibt, wie leicht sich Wärme durch das Material ausbreitet. Die thermische Impedanz beschreibt den Widerstand einer bestimmten Grenzflächenkonstruktion unter festgelegten Bedingungen. Bei einer BMS-Platine ist die thermische Impedanz für Ingenieure in der Regel relevanter, da sie sowohl die Dicke als auch Kontakteffekte berücksichtigt.

Für eine vereinfachte homogene Schicht ergibt sich folgender Wärmewiderstand:

R = t / (k × A)

Hier, t ist die Dicke im komprimierten Zustand, k ist die Wärmeleitfähigkeit, und A ist die effektive Wärmeübertragungsfläche. Die Gleichung dient als Orientierungshilfe, doch bei einem echten Spaltpolster treten an beiden Oberflächen auch Kontaktwiderstände auf. Weichheit, Druck, Haftkraft, Ebenheit und Rauheit beeinflussen diese Kontakte.

Warum ein hoher W/mK-Wert keine bessere BMS-Kühlung garantiert

Ein Pad mit einem W/mK-Wert von 6 kann schlechter abschneiden als ein Pad mit einem W/mK-Wert von 3, wenn das erstgenannte Produkt deutlich dicker oder zu hart ist, um einen guten Kontakt herzustellen. Ein hoher Füllstoffanteil kann die Leitfähigkeit erhöhen, führt aber gleichzeitig zu einer höheren Härte. Das steifere Pad kann Hohlräume um kleine Bauteile herum hinterlassen oder zu viel Kraft auf die Leiterplatte übertragen.

HakTaks Artikel über Warum ein hoher W/mK-Wert nicht immer eine bessere Kühlleistung bedeutet erläutert diesen Kompromiss aus praktischer Sicht. Bei der Auswahl eines BMS sollten Sie die Kandidaten bei gleichem Endspalt, gleichem Druck, gleicher Fläche und gleicher Temperatur vergleichen, anstatt sie nach ihrer angegebenen Leitfähigkeit zu ordnen.

Verwenden Sie vergleichbare thermische Testdaten

ASTM D5470 behandelt Messungen der thermischen Impedanz im stationären Zustand und der scheinbaren Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien. Das Verfahren eignet sich zum Vergleich von Grenzflächenmaterialien, doch weist die ASTM darauf hin, dass die idealisierten Wärmeflussbedingungen die meisten realen Anwendungsfälle nicht direkt widerspiegeln. Die Angaben der Lieferanten sollten daher als Grundlage für die Materialauswahl dienen, woraufhin Tests an den Baugruppen folgen sollten.

Auf die Unterscheidung zwischen Volumenleitfähigkeit und Gesamtgrenzflächenleistung wird näher eingegangen in Wärmeleitfähigkeit vs. Wärmeimpedanz bei der TIM-Auswahl. Fragen Sie bei der Prüfung von Angeboten jeden Lieferanten nach der Prüfmethode, der Probendicke, dem Druck und der Temperatur sowie danach, ob der angegebene Wert typisch oder garantiert ist.

So wählen Sie die Dicke von Wärmeleitpads für Batteriemanagementsysteme aus

Die Dicke des Kontaktpads sollte sich aus der mechanischen Toleranzsumme ergeben. Messen Sie den Abstand zwischen der Oberfläche des Zielbauteils oder der Leiterplatte und der Kühlfläche. Berücksichtigen Sie dabei die Bauteilhöhe, die Lötdicke, die Verformung der Leiterplatte, die Ebenheit des Gehäuses, die Position der Befestigungselemente, die Dichtungskompression, die Toleranz des Kontaktpads sowie Montageabweichungen.

Das richtige Nennbelag ist in der Regel die dünnste verfügbare Variante, die noch bei größtem Spalt Kontakt herstellt. Eine zusätzliche Dicke erhöht den Wärmewiderstand. Außerdem erhöht sie die Materialmenge, die sich bei kleinstem Spalt verformen muss.

Berechnung der Kompression des BMS-Wärmeleitpads bei Toleranzgrenzwerten

Die Kompression lässt sich wie folgt abschätzen:

Komprimierung (%) = (Original Polster Dicke – Endabstand) / ursprüngliche Belagdicke × 100

Angenommen, ein Pad mit einer Nennstärke von 2,0 mm soll einen Spalt von 1,5 bis 1,8 mm ausfüllen. Bei einem maximalen Spalt von 1,8 mm beträgt die Kompression 10%. Bei einem minimalen Spalt von 1,5 mm beträgt die Kompression 25%. Das Pad muss bei 10% einen funktionsfähigen Kontakt aufrechterhalten und gleichzeitig bei 25% innerhalb der Kraftgrenze der Leiterplatte bleiben.

Wiederholen Sie diese Berechnung an mehreren Stellen, wenn eine Unterlegscheibe mehrere Bauteile abdeckt. Eine Abdeckung kann sich neigen, und eine Leiterplatte kann sich zwischen den Befestigungselementen durchbiegen. Eine Ecke kann nur geringfügig belastet sein, während eine andere überlastet ist.

HakTaks Leitfaden zu So wählen Sie die richtige Dicke von Wärmeleitpads für Elektronikgeräte aus bietet eine umfassendere Toleranzmethode. Verwenden Sie bei thermischen Berechnungen die komprimierte Klebefuge anstelle der Nennblechdicke, wie in Wie sich die Dicke der Klebefuge auf die thermische Leistung auswirkt.

Vermeiden Sie die Verwendung dicker Polster, um eine unkontrollierte Gehäusekonstruktion zu kaschieren

Ein dickes, weiches Polster kann große Maßabweichungen ausgleichen, geht jedoch mit Einbußen bei der Wärmeableitung einher. Bevor Sie eine 4 oder 5 mm dicke Schnittstelle akzeptieren, sollten Sie prüfen, ob sich der Spalt durch einen geformten Metallvorsprung, einen lokalen Wärmeverteiler, eine Leiterplattenstütze oder eine Gehäuseänderung verringern lässt. Eine kleine mechanische Änderung kann die Kühlung möglicherweise stärker verbessern als eine kostspielige Steigerung der Wärmeleitfähigkeit.

Große, nicht abgestützte Pads können zudem durchhängen, verrutschen oder die Platzierung erschweren. Wenn sich ein breiter Spalt nicht verringern lässt, vergleichen Sie die verfügbaren Wärmeleitmaterialien und prüfen, ob thermische Dichtmasse oder ein ausgehärteter Spaltfüller besser zu den Toleranzen und dem Produktionsprozess passt. HakTaks Vergleich von Wärmeleitpaste vs. Wärmeleitpads bei ungleichmäßigen Spalten kann dabei helfen, diese Entscheidung einzuordnen.

Wie stark muss ein BMS-Thermopad komprimiert werden?

Durch die Kompression wird der Kontakt verbessert, da das Pad in die Oberflächenstruktur und Höhenunterschiede gedrückt wird. Bei zu geringer Kompression entstehen Lufteinschlüsse. Zu starke Kompression erhöht die Kraft, verformt die Platine und kann das Pad oder Bauteile beschädigen.

Es gibt keinen allgemeingültigen Kompressionsprozentsatz. Der richtige Bereich ergibt sich aus den Druck-Durchbiegungs-Daten des Produkts und den mechanischen Grenzen der Baugruppe. Zwei Polster mit derselben Shore-Härte 00 können unterschiedliche Kräfte erzeugen, da sich Dicke, Verstärkung, Füllstoffanteil und viskoelastisches Verhalten unterscheiden.

Schützen Sie die Leiterplatte, die Lötstellen und die Sensoranschlüsse

BMS-Platinen können lang und schmal sein. Ein großes Pad unter einer Abdeckung übt Kräfte über eine große Fläche aus. Schon ein geringer Druck kann zu einer hohen Gesamtbelastung führen. Die Durchbiegung der Platine kann Lötstellen, Steckverbinder, Zellanschlussklemmen, Isolationskomponenten und die Schutzbeschichtung belasten.

Sehr weiche Pads sind oft nützlich, wenn sich mehrere BMS-Bauteile eine Metallabdeckung teilen. Sie passen sich den Höhenunterschieden der Gehäuse mit geringerem Kraftaufwand an. Ein härteres Pad lässt sich zwar möglicherweise leichter handhaben, kann jedoch niedrige Bauteile überbrücken und die Belastung auf hohe Bauteile konzentrieren. Der Artikel Weiche vs. harte Wärmepads: Was ist besser? erläutert, wie man ein Gleichgewicht zwischen Formbarkeit und Montagekontrolle herstellt.

Überprüfen Sie die Spannungsrelaxation nach dem Zusammenbau des BMS

Spaltpolster sind viskoelastisch. Ihre Kraft verändert sich nach dem Festklemmen und unter Wärmeeinwirkung. Ein Teil der anfänglichen Spannung baut sich ab, was die Leiterplatte schützen kann; für die Wärmeübertragung muss jedoch ausreichend Anpressdruck bestehen bleiben. Die Druckverformungsrest kann zudem verhindern, dass das Polster Bewegungen während des Betriebs mitmacht.

Verwenden Sie die Kurven des Herstellers und gealterte Proben. Gehen Sie nicht davon aus, dass die Einbaukraft konstant bleibt. Der Leitfaden von HakTak zu Kompressionsverhältnis des Wärmeleitpads zeigt, dass Mindest- und Höchstabstände gemeinsam überprüft werden sollten, anstatt auf jede Einheit einen einheitlichen prozentualen Nennwert anzuwenden.

Elektrisch isolierende Wärmeleitpads für BMS-Platinen

Die BMS-Elektronik kann mit dem Pack-Potential oder über isolierte Bereiche hinweg betrieben werden. Das Metallgehäuse kann geerdet, potentialfrei oder mit einem anderen elektrischen Knotenpunkt verbunden sein. Eine Wärmeleitfläche, die sowohl die Platine als auch das Gehäuse berührt, muss der Isolationsarchitektur entsprechen.

Viele Spaltpolster aus Silikon und anderen Materialien enthalten elektrisch isolierende Keramikfüllstoffe. Allerdings ist nicht jedes Wärmeleitpolster ein elektrischer Isolator. Einige Kontaktmaterialien enthalten leitfähiges Graphit oder Metall. Prüfen Sie stets die genaue Zusammensetzung und die Prüfdaten.

Die Durchschlagfestigkeit ist nicht die einzige Anforderung an die Isolierung

Die Durchschlagfestigkeit wird üblicherweise in kV/mm angegeben. Die Durchschlagspannung bezieht sich auf ein Prüfstück mit definierter Dicke unter festgelegten Prüfbedingungen. Das System muss zudem über einen ausreichenden Isolationswiderstand, Kriechstrecken, Luftstrecken, Durchstoßfestigkeit und eine ausreichende Fehlersicherheit verfügen. Scharfe Bauteilanschlüsse, Grate am Gehäuse, Schraubenvorsprünge und Partikel können eine weiche Schnittstelle schwächen.

Falls die Unterlage als funktionale oder verstärkte Isolierung dient, sollten Sie das Sicherheits- und Compliance-Team frühzeitig einbeziehen. Teilen Sie den im Katalog angegebenen kV/mm-Wert nicht durch die Betriebsspannung und betrachten Sie das Ergebnis nicht als vollständige Isolationsauslegung. Der Leitfaden von HakTak zu elektrisch isolierende Wärmepads behandelt die Durchschlagspannung, die Dicke, den Aufbau und das Anwendungsrisiko ausführlicher.

Verstärkte Wärmeleitpads für die Batterieelektronik

Eine Verstärkung aus Glasfaser oder dielektrischer Folie kann die Handhabung und die Durchstoßfestigkeit verbessern. Sie kann jedoch auch die Anpassungsfähigkeit verringern oder den für den Kontakt erforderlichen Druck erhöhen. Die Verstärkung sollte im Rahmen des gesamten Pads bewertet werden und nicht nur deshalb hinzugefügt werden, weil das BMS unter Hochspannung steht.

Bei direktem Kontakt mit gelöteten Anschlüssen oder scharfen Kanten sollten Sie eine glatte Isolationsbarriere oder eine kontrollierte Sperrzone in Betracht ziehen. Es ist nicht davon auszugehen, dass ein Wärmeleitpad unkontrollierte Metallkanten über die gesamte Lebensdauer und bei Vibrationen hinweg absorbieren kann.

Wärmeleitpads und Genauigkeit der Temperaturmessung durch das BMS

Die Temperaturerfassung ist eine der Kernfunktionen des BMS. TI weist darauf hin, dass Batteriemanagementsysteme Zellspannung, Stromstärke und Temperatur überwachen, um den Zustand und die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten, und in seiner Anwendungsbeschreibung zu Thermistoren für den thermischen Schutz des BMS befasst sich mit der Temperaturmessung im Rahmen des übergeordneten Regelungssystems.

Ein Wärmeleitpad kann die Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile verbessern, gleichzeitig jedoch das Temperaturfeld um Sensoren herum verändern. Dies ist nicht immer von Vorteil. Ein unter einem Thermistor angebrachtes Pad kann die Gehäusetemperatur in den Sensor leiten. Ein Pad in der Nähe eines Ausgleichswiderstands kann die vom Widerstand abgegebene Wärme in Richtung eines Messpunkts leiten. Beide Effekte können dazu führen, dass der Messwert weniger repräsentativ für die Zielzelle oder das Zielbauteil ist.

Die Zelltemperatursensoren müssen thermisch mit den Zellen verbunden bleiben

Wenn ein Sensor zur Messung einer Zelle vorgesehen ist, sollte sein dominanter Wärmepfad zu dieser Zelle führen. Vermeiden Sie es, dass ein Kontaktfeld der BMS-Platine den Sensor stärker mit dem Gehäuse koppelt. Überprüfen Sie die Position des Sensors, den Klebstoff, die Leitungsführung, den Luftstrom, die Kupferfläche und nahegelegene Wärmequellen.

Das Layout der Kühlpads erfordert möglicherweise Aussparungen um Thermistoren oder Präzisionsreferenzelemente herum. In Zonen unterteilte Kühlpads können Leistungskomponenten kühlen, während die Messbereiche weniger stark beeinflusst werden. Überprüfen Sie die Sensorwerte während des Schnellladens, der Entladung, des Ausgleichs, des Kaltstands und bei schwankender Kühlmitteltemperatur.

Berücksichtigung der Eigenerwärmung in der Nähe von Strommesskreisen

Strommesswiderstände und integrierte Messelemente erzeugen Wärme. Analog Devices erklärt, dass Die Eigenerwärmung des Messwiderstands kann die Temperaturmesswerte beeinflussen abhängig von Stromstärke, Gehäuse, Luftstrom und thermischer Kopplung. Ein Wärmeleitpad kann diesen lokalen Temperaturanstieg zwar verringern, aber möglicherweise auch die Kalibrierungsbeziehung verändern.

Führen Sie bei der abschließenden mechanischen Montage Kalibrierungs- und Genauigkeitsprüfungen durch. Ein Laborergebnis, das auf einer blanken Leiterplatte ermittelt wurde, ist möglicherweise nicht mehr gültig, nachdem die Leiterplatte über ein Spaltpolster gegen ein Metallgehäuse gedrückt wurde.

Wärmeleitpads aus Silikon im Vergleich zu silikonfreien Wärmeleitpads für Batteriemanagementsysteme

Silikonelastomer-Pads werden häufig in der Batterieelektronik eingesetzt, da sie Weichheit, Temperaturbeständigkeit und elektrische Isolierung mit einer großen Bandbreite an Dicken und Leitfähigkeiten vereinen. Sie sind die erste Wahl, wenn für das Produkt keine spezifischen Einschränkungen hinsichtlich der Verwendung von Silikon bestehen.

Silikonfreie Polster basieren auf einer anderen Polymermatrix. Sie kommen zum Einsatz, wenn die Migration von Silikonöl, flüchtige Siloxane, die Kompatibilität mit Beschichtungen, optische Verunreinigungen oder Materialbeschränkungen seitens des Kunden eine Rolle spielen. Dies ist eher der Fall, wenn sich das BMS im selben Gehäuse wie empfindliche Kontakte, optische Sensoren, Relais oder Fertigungsprozesse befindet, bei denen die Silikonverunreinigung kontrolliert werden muss.

Keine der beiden chemischen Zusammensetzungen ist automatisch besser für die Wärmeübertragung geeignet. Vergleichen Sie die thermische Impedanz, die Druckfestigkeit, die Temperaturbeständigkeit, die dielektrischen Eigenschaften, die Ausgasung und die Langzeitalterung. HakTak’s Vergleich zwischen Silikon- und silikonfreien Wärmepads erläutert, wie sich Silikonwerkstoffe mit geringer Ausblutung und nachweislich silikonfreie Materialien für unterschiedliche Kontaminationsrisiken eignen.

Wo sollten Wärmeleitpads an einem BMS angebracht werden?

Die Anordnung der Pads sollte sich an der gemessenen Wärmeverteilungskarte und dem mechanischen Lastpfad orientieren. Zu den gängigen Anordnungen gehören Pads zwischen den Bauteilen auf der Oberseite und der Metallabdeckung, Pads zwischen der Rückseite der Leiterplatte und einer Grundplatte sowie lokale Pads an Leistungsbauelementen und in Bereichen mit Ausgleichswiderständen.

Kühlung der Bauteile auf der Oberseite vs. Kühlung der Leiterplatte auf der Rückseite

Bei der Kühlung von oben entsteht ein kurzer Wärmepfad vom Gehäuse zur Abdeckung, allerdings werden die Bauteile dabei direkt belastet. Bei der Kühlung von hinten lässt sich der Druck sicherer verteilen, sofern die Leiterplatte über thermische Durchkontaktierungen und Kupferflächen verfügt. Zudem wird der Wärmepfad um den Leiterplattenaufbau erweitert.

Vergleichen Sie beide Optionen mithilfe von thermischen Simulationen und Messungen. Ein rückseitiges Pad kann einem direkten Pad überlegen sein, wenn es eine größere Fläche, eine dünnere Klebefuge und eine bessere mechanische Abstützung aufweist. Ein direktes, auf der Oberseite angebrachtes Pad kann sich als vorteilhafter erweisen, wenn das Gehäuse über eine geeignete ebene Oberfläche und eine kontrollierte Höhe verfügt.

Ein großes Wärmeleitpad im Vergleich zu mehreren lokalen BMS-Wärmeleitpads

Ein großes Pad vereinfacht die Stückliste. Es kann jedoch auch zu einer ungleichmäßigen Kompression bei unterschiedlichen Bauteilhöhen führen. Mehrere lokale Pads ermöglichen es den Ingenieuren, Dicke und Härte je nach Bereich anzupassen. Sie erhöhen jedoch den Aufwand bei der Bestückung und das Risiko von Montagefehlern.

Bei der Massenproduktion lassen sich durch das Stanzen mehrerer Elemente in einen Träger zonenspezifische Kontakte mit einem einzigen Bestückungsschritt kombinieren. Überprüfen Sie die Ablösbarkeit der Trägerfolie, die Maßhaltigkeit, die Festigkeit der dünnen Wände und das Verhalten beim Bestücken, bevor Sie das Design endgültig festlegen.

Anforderungen an Wärmeleitpads je nach BMS-Architektur

Auswahl der Wärmeleitpads für das zentralisierte Gebäudemanagementsystem (BMS)

Ein zentralisiertes BMS vereint Überwachungs- und Steuerungsfunktionen auf einer Hauptplatine. Die Wärmeentwicklung kann sich vor allem im Bereich der Ausgleichsbänke, Netzteile, Schütztreiber, Prozessoren und Kommunikationsschnittstellen konzentrieren. Die Platine benötigt möglicherweise mehrere Pad-Zonen mit unterschiedlichen Dicken.

Bei großen Leiterplatten spielen die Ebenheit und die Abdecktoleranz eine größere Rolle. Die Gesamtdruckkraft kann erheblich sein. Die Leiterplattenhalterungen und die Anordnung der Befestigungselemente sollten gemeinsam mit dem Pad-Layout entworfen werden.

Dezentrale und modulare BMS-Kühlung

Bei einem dezentralen BMS wird die Elektronik zur Zellüberwachung in der Nähe der Module oder Zellen angeordnet. Jede Platine erzeugt zwar weniger Wärme, befindet sich jedoch näher an der Zelltemperatur und verfügt möglicherweise nur über ein begrenztes Gehäusevolumen. Die Anordnung der Lötpads darf die lokalen Zelltemperaturmessungen nicht verfälschen.

Modulare Konstruktionen profitieren von sich wiederholenden Pad-Geometrien und einer kontrollierten Montage. Geringe Toleranzabweichungen können sich über viele Module hinweg wiederholen, weshalb die Prozessfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist. Bei der Konstruktion sollten außerdem der Austausch im Servicefall und der Zugang zu den Steckverbindern berücksichtigt werden.

Hochstrom-Schutzplatinen und Batterietrennvorrichtungen

Manche Systeme kombinieren Überwachungsfunktionen mit großen MOSFETs, Shunts, Schützen, Sicherungen oder Vorladekomponenten. Diese Baugruppen verhalten sich eher wie Leistungselektronik als wie eine Überwachungsplatine für geringe Leistungen. Sie erfordern unter Umständen dickere Lötpads, eine höhere Leitfähigkeit, eine verstärkte Isolierung oder eine direkte Kühlung über eine Kühlplatte.

Wenden Sie bei diesen Entwürfen den übergeordneten Rahmen aus So wählen Sie Wärmeleitpads für die Leistungselektronik aus. Trennen Sie nach Möglichkeit Bereiche mit hohem Leistungsverlust von Bereichen, in denen Präzisionsmessungen durchgeführt werden.

Zuverlässigkeits- und Validierungstests für BMS-Wärmeleitpads

Die anfängliche Kühlleistung ist nur der erste Schritt. Ein Akku kann über Jahre hinweg Hitze, Feuchtigkeit, Vibrationen, Stößen, Druck und elektrischer Belastung ausgesetzt sein. Das Kühlpad muss unter diesen Bedingungen den Kontakt und die Isolierung aufrechterhalten.

Den gesamten Toleranzbereich prüfen

Fertigen Sie Muster an, die nahe am minimalen und maximalen Abstand liegen. Berücksichtigen Sie dabei die Toleranz der Pad-Dicke, die Verformung der Leiterplatte, die Ebenheit des Gehäuses und die Höhe der Bauteile. Ein Prototyp mit Nennwerten kann Kontaktverluste an einem Extrem der Produktion und übermäßige Kräfte am anderen Extrem verbergen.

Bei thermischen Tests sollten die Umgebungs- oder Kühlmitteltemperatur, die Leistung, der Luftstrom, das Anzugsdrehmoment, die Sensorposition und der Softwarezustand kontrolliert werden. Erfassen Sie die Temperaturstabilisierung, anstatt nur einen frühen Messwert zu erfassen. Wenn das Auswuchten im Arbeitszyklus erfolgt, testen Sie ein realistisches Muster und einen begründeten Worst-Case-Fall.

Thermische Impedanz nach der Einlaufphase erneut prüfen

Ein Werkstoff kann die Sichtprüfung bestehen, aber an Anpressdruck verlieren oder härter werden. Messen Sie den Temperaturanstieg zwischen Bauteil und Gehäuse vor und nach der Umwelteinwirkung. Vergleichen Sie die Ergebnisse bei gleicher Leistung und gleichen Randbedingungen.

HakTaks Überblick über Gängige TIM-Prüfnormen, die Ingenieure kennen sollten kann einen Materialqualifizierungsplan unterstützen. Die Systemzuverlässigkeit erfordert weiterhin produktspezifische Zyklus-, Schwingungs-, Isolations- und Packungsprüfungen.

Ein praktisches Verfahren zur Auswahl von BMS-Wärmeleitpads

Schritt 1: Alle wichtigen Wärmequellen erfassen

Listen Sie die Leistungsverluste nach Betriebsart auf. Messen Sie einen Prototyp und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Berechnungen. Ermitteln Sie die Bauteile, die die thermische Grenze bestimmen, sowie diejenigen, deren Temperatur die Genauigkeit beeinflusst.

Schritt 2: Bestimmung des Wärmeempfängers

Stellen Sie sicher, dass die Abdeckung, das Gehäuse, der Verteiler oder die Kühlplatte kühl genug bleiben, um Wärme aufzunehmen. Überprüfen Sie die Bedingungen für eine heiße Umgebung, heiße Zellen, unterbrochenen Kühlmittelfluss und andere vom Produkt geforderte fehlertolerante Zustände.

Schritt 3: Erstellen Sie die mechanische Toleranzkette

Berechnen Sie die minimalen und maximalen Abstände in jedem Pad-Bereich. Berücksichtigen Sie dabei Befestigungselemente, Dichtungen, Leiterplattenhalterungen, Verformungen des Gehäuses, die Höhe der Bauteile und die Pad-Toleranz.

Schritt 4: Kraft- und Isolationsgrenzwerte festlegen

Legen Sie die zulässige Durchbiegung der Leiterplatte, die Belastung des Gehäuses und die gesamte Reaktionskraft der Abdeckung fest. Überprüfen Sie die Betriebsspannung, die elektrischen Knotenpunkte, die Erdung, die Durchstoßgefahr, den Kriechweg, den Luftabstand sowie die erforderlichen Sicherheitszulassungen.

Schritt 5: Auswahl geeigneter Wärmeleitpads

Vergleichen Sie Dicke, thermische Impedanz, Druck-Durchbiegungs-Verhalten, Härte, dielektrische Eigenschaften, Temperaturbereich, Brandschutzklasse, Verstärkung, Klebkraft und Verfügbarkeit. Fragen Sie nach den Testbedingungen, anstatt sich mit einzelnen Katalognummern zufrieden zu geben.

Schritt 6: Erstellen Sie einen Prototyp des eigentlichen Stanzdesigns

Verwenden Sie die vorgesehene Geometrie, die Einlage, die Klebstoffoption und die Montageverfahren. Achten Sie auf Lufteinschlüsse, Dehnung der Polster, Belastung der Bauteile sowie auf Beeinträchtigungen durch Schutzlackierungen oder Steckverbinder.

Schritt 7: Temperaturen und Messwerte überprüfen

Führen Sie Tests mit den ungünstigsten elektrischen Lasten und Grenztemperaturen durch. Überprüfen Sie sowohl die Bauteil-Temperaturen als auch die Messgenauigkeit des BMS. Stellen Sie sicher, dass die Anordnung der Kontaktpads nicht dazu führt, dass ein Zellsensor die Temperatur des Gehäuses oder eines Widerstands übernimmt.

Schritt 8: Durchführung der Zuverlässigkeits- und Produktionsprüfungen

Repräsentative Baugruppen einem Alterungs-, Zyklus- und Vibrationstest unterziehen und prüfen. Die Lagerfähigkeit, die Verpackung, die Gleichmäßigkeit der Stanzteile, die Bestückungskontrolle, die Nachbearbeitungsanweisungen und das Lieferantenwechselmanagement überprüfen.

Abschließende Empfehlung

Wärmeleitpads bieten eine saubere und reproduzierbare Möglichkeit, die Elektronik des Batteriemanagementsystems zu kühlen. Sie entfalten ihre größte Wirksamkeit, wenn die Wärmequelle, die Kühlfläche, die Toleranzsumme und die elektrische Architektur bereits vor der Materialauswahl festgelegt sind.

Beginnen Sie mit der tatsächlichen Leistungskurve des BMS. Verwenden Sie das dünnste Pad, das den Kontakt über den gesamten Toleranzbereich hinweg gewährleistet. Vergleichen Sie die thermische Impedanz bei der vorgesehenen Kompression, anstatt sich allein auf den Wert in W/mK zu verlassen. Begrenzen Sie die auf die Leiterplatte und die Bauteile wirkende Kraft. Stellen Sie sicher, dass an den Stellen, an denen das Pad leitfähige Gehäusestrukturen berührt, eine Isolierung vorhanden ist. Achten Sie vor allem darauf, dass das Pad die Temperaturdaten nicht verfälscht, die das BMS zum Schutz und zur Steuerung der Zellen verwendet.

Ein sorgfältig ausgewähltes BMS-Wärmeleitpad sollte heiße Komponenten innerhalb ihrer Grenzwerte halten, die Messgenauigkeit gewährleisten, den Bedingungen im Akku-Pack standhalten und sich auch in großen Stückzahlen problemlos montieren lassen. Diese Kombination sorgt für eine bessere Wärmeableitung und ein zuverlässigeres Steuerungssystem, als es ein einzelner Wert im Datenblatt versprechen kann.

Häufig gestellte Fragen zu BMS-Wärmeleitpads

Welche Wärmeleitfähigkeit ist für ein BMS-Wärmeleitpad am besten geeignet?

Es gibt keinen allgemein besten W/mK-Wert. Viele BMS-Platinen lassen sich mit einem Pad mittlerer Leitfähigkeit kühlen, sofern die Klebefuge dünn ist und ein guter Kontakt besteht. Eine höhere Leitfähigkeit ist dann von Vorteil, wenn der Wärmefluss hoch ist oder der Spalt nicht verringert werden kann. Vergleichen Sie eher die thermische Impedanz und die Systemtemperaturen als die Leitfähigkeit allein.

Wie dick sollte ein Wärmeleitpad für ein Batteriemanagementsystem sein?

Verwenden Sie das dünnste Pad, das bei maximalem Produktionsabstand die Kühlfläche berührt. Berechnen Sie die Kompression und die Kraft bei minimalem Abstand. Fügen Sie keine zusätzliche Dicke als willkürliche Sicherheitsmarge hinzu, da dies den Wärmewiderstand erhöht.

Müssen BMS-Wärmeleitpads elektrisch isolierend sein?

Das ist häufig der Fall, insbesondere wenn das Kontaktfeld ein leitfähiges Gehäuse berührt. Die Anforderung hängt von der elektrischen Architektur ab. Überprüfen Sie die Spannung zwischen den Oberflächen und die Funktion des Kontaktfelds im Isolationssystem.

Können Wärmeleitpads ein thermisches Durchgehen des Akkus verhindern?

Nein. Ein BMS-Wärmeleitpad kann zwar die Temperatur der Überwachungs- und Steuerungselektronik verbessern, stellt jedoch kein eigenständiges System zur Verhinderung eines thermischen Durchgehens dar. Zellchemie, Kühlung des Akkupacks, Sensorik, Steuerung, mechanische Barrieren, Entlüftung und Sicherheitsauslegung müssen zusammenwirken.

Sind Silikon-Wärmeableitplatten für Akkus geeignet?

Silikonpolster finden breite Anwendung, da sie weich, wärmeleitend, elektrisch isolierend und temperaturbeständig sein können. Prüfen Sie die Ölauswaschung, die Ausgasung, die Brandschutzanforderungen und die Kompatibilität mit dem Akku. Verwenden Sie eine silikonfreie Variante, wenn für die Anwendung nachweislich Silikonbeschränkungen gelten.

Wie sollte ein BMS-Wärmeleitpad getestet werden?

Prüfen Sie die thermische Leistung unter den ungünstigsten Bedingungen hinsichtlich Leistung und Spaltweite und wiederholen Sie die Prüfung nach thermischer Alterung, Temperaturwechselbeanspruchung, Feuchtigkeitsbelastung, Vibration und anderen relevanten Belastungen. Überprüfen Sie die Bauteiletemperaturen, die Genauigkeit der Sensoren, die Position der Kontaktflächen, den Anpressdruck, Rückstände und die elektrische Isolierung.