Les pastilles thermiques sont utilisées dans les systèmes de gestion de batterie (BMS) pour évacuer la chaleur des composants électroniques du BMS vers un boîtier métallique, un dissipateur thermique, une plaque froide ou toute autre surface de refroidissement. Elles comblent l'espace d'air entre les composants générateurs de chaleur et la structure de refroidissement. Une pastille de bonne qualité améliore le contact, réduit les points chauds locaux et maintient une température plus stable au niveau des cartes électroniques.
Les principales sources de chaleur peuvent inclure les résistances d’équilibrage des cellules, les MOSFET de protection, les composants de détection de courant, les convertisseurs de puissance, les pilotes de grille, les circuits de communication et le processeur du BMS. La partie la plus chaude dépend de l’architecture et du mode de fonctionnement. L’équilibrage passif peut générer une concentration de chaleur autour des bancs de résistances. Les courants de charge et de décharge peuvent chauffer les dispositifs de protection et les shunts. Un pack de batteries haute tension peut également confiner le BMS dans un boîtier chaud où la circulation d’air est limitée.
Le pad thermique BMS adapté n'est pas simplement le produit présentant la valeur W/mK la plus élevée. Les ingénieurs doivent également tenir compte de l'épaisseur finale de la ligne de collage, de la force de compression, de la rigidité diélectrique, du contact avec la surface, de la dureté de la pastille, de la plage de température, des exigences en matière d'inflammabilité et du vieillissement. La pastille doit refroidir les composants électroniques sans déformer le circuit imprimé, sans exercer de contrainte sur les joints de soudure et sans modifier la température mesurée par les capteurs situés à proximité.
De quoi un système de gestion de batterie a-t-il besoin pour rester à une température adéquate ?
Un système de gestion de batterie mesure la tension des cellules, le courant du pack et la température. Il estime l'état de charge et l'état de santé. Il contrôle également l'équilibrage, les contacteurs, les limites de charge et de décharge, ainsi que les réponses en cas de défaut. La précision des données est essentielle à ces décisions. Dans sa présentation générale, Analog Devices décrit la précision et la stabilité du BMS au fil du temps, en fonction de la température et des conditions de fonctionnement comme étant essentielles à une surveillance fiable des cellules. durée de vie du système de gestion de la batterie.
Un système de gestion de batterie (BMS) peut consommer bien moins d'énergie que la batterie qu'il contrôle, mais la chaleur qu'il dégage est concentrée sur un petit circuit imprimé. Ce circuit peut se trouver à l'intérieur d'un boîtier métallique hermétique où la circulation d'air naturelle est faible. Les cellules, les barres omnibus, les contacteurs et les composants électroniques de puissance situés à proximité peuvent faire augmenter la température ambiante locale. Il est donc plus difficile d'évacuer la chaleur générée par un composant, même si celle-ci est modeste.
Résistances d'équilibrage des cellules et dissipation thermique de la carte BMS
L'équilibrage passif transforme l'excès d'énergie des cellules en chaleur. La valeur de la résistance, le courant d'équilibrage, le nombre de canaux actifs et le rapport cyclique déterminent la perte totale. Plusieurs résistances peuvent fonctionner simultanément. La chaleur qu'elles dégagent peut faire augmenter la température du circuit imprimé, du circuit intégré de surveillance de la batterie et des connecteurs situés à proximité.
Il n'est pas nécessaire que le plot thermique recouvre directement chaque résistance. Dans certaines configurations, des plans de cuivre diffusent la chaleur vers une zone de plot définie au dos du circuit imprimé. Ce plot conduit ensuite la chaleur vers le boîtier. Dans d'autres conceptions, un plot est en contact avec la face supérieure d'un ensemble de résistances. Ces deux approches peuvent fonctionner, mais elles présentent des risques électriques et mécaniques différents.
MOSFET, shunts et composants de protection dans un BMS
Les MOSFET de protection peuvent générer des pertes de conduction et de commutation. Les shunts de courant dissipent de l'énergie selon une formule où la puissance est égale au carré du courant multiplié par la résistance. Les convertisseurs CC/CC, les régulateurs linéaires, les pilotes de grille et les circuits de précharge génèrent également de la chaleur. Ces sources pouvant fonctionner uniquement dans certains modes, un test en régime de repos stable peut ne pas mettre en évidence les conditions les plus défavorables.
Si les MOSFET sont à l'origine de la majeure partie des pertes, utilisez un plot capable de maintenir le contact malgré les tolérances du boîtier et du circuit imprimé, sans exercer de contrainte excessive sur les broches ou les joints de soudure. La logique de sélection décrite dans Pads thermiques pour MOSFET : guide de sélection à l'intention des ingénieurs Cela s'applique également aux niveaux de protection du système de gestion de batterie (BMS), en particulier lorsque plusieurs modules partagent la même surface de boîtier.
Circuits intégrés de surveillance de batterie, processeurs et dispositifs de communication isolés
Les circuits intégrés de surveillance de batterie et les processeurs présentent souvent des pertes de puissance inférieures à celles des composants d'équilibrage ou des MOSFET. Ils peuvent toutefois rester sensibles à la température locale. Une température excessive peut réduire la marge électrique, augmenter la dérive ou raccourcir la durée de vie des composants. Les gradients thermiques sur la carte peuvent également compliquer la compensation thermique.
Le refroidissement de ces composants doit être mûrement réfléchi. Un dissipateur de grande taille recouvrant l'ensemble de la carte risque de coupler un circuit de précision à une zone chaude du boîtier. Un dissipateur plus petit, réparti par zones, permet un meilleur contrôle. L'objectif n'est pas d'amener tous les composants à la même température, mais de maintenir les composants critiques dans leurs limites tout en garantissant la précision de la mesure.
Les coussinets thermiques BMS ne constituent pas un système complet de refroidissement de la batterie
L'expression “ gestion thermique des batteries ” désigne souvent le contrôle de la température des cellules et des modules à l'aide d'air, d'un refroidissement par liquide, d'un fluide frigorigène, de caloducs ou de systèmes à changement de phase. Un coussin thermique placé sur une carte BMS joue un rôle plus restreint. Il évacue la chaleur des composants électroniques et peut contribuer à assurer le contact entre certaines surfaces du pack, mais il ne peut pas se substituer à un système de refroidissement des cellules correctement conçu.
Les travaux du NREL sur modélisation de la conception de la gestion thermique des batteries met l'accent à la fois sur la température de fonctionnement et sur l'uniformité de la température au sein des cellules et des modules. Ces objectifs au niveau du pack nécessitent une conception thermique complète. Les coussinets thermiques du BMS contribuent à cette conception en garantissant la fiabilité des composants électroniques de surveillance et de contrôle. Ils ne doivent pas être présentés comme un dispositif de sécurité capable, à lui seul, d'empêcher un emballement thermique.
Cette distinction est importante lors de l'analyse des causes profondes. Si les cellules surchauffent en raison d'un débit de liquide de refroidissement insuffisant, l'ajout d'un tampon à conductivité plus élevée sur la carte du BMS ne résoudra pas le problème lié aux cellules. Si le processeur du BMS se réinitialise parce que les résistances d'équilibrage chauffent un compartiment de commande hermétique, un tampon ciblé entre la carte et le boîtier peut s'avérer efficace.
Comment les pastilles thermiques améliorent la dissipation thermique du BMS
L'air est un mauvais conducteur par rapport à un matériau d'interface thermique. Les surfaces réelles des composants, des circuits imprimés et des boîtiers ne sont pas parfaitement planes. En l'absence d'une interface souple, le contact ne s'établit qu'aux points les plus élevés. L'espace restant agit comme un intervalle d'air isolant.
Un coussin d'isolation thermique se déforme sous la pression d'assemblage. Il épouse la texture de la surface et compense les variations de hauteur. La chaleur peut alors être transférée depuis le composant ou le circuit imprimé à travers la pastille vers une structure de refroidissement plus grande. Cette structure peut être le capot du BMS, une plaque de base en aluminium, un boîtier moulé, un dissipateur thermique à barres omnibus ou une plaque froide isolée des composants électroniques. HakTak’s coussinets thermiques sont destinées à ce type de chemin thermique entre un composant et son boîtier ou entre un circuit imprimé et son boîtier.
Le parcours thermique complet pourrait être le suivant :
- Jonction semi-conductrice ou corps de résistance
- Boîtier de composant et connexion soudée
- Couches de cuivre et diélectrique d'un circuit imprimé
- Coussin thermique BMS
- Boîtier métallique ou dissipateur thermique
- Circuit de refroidissement par l'air ambiant ou par le bloc de refroidissement
Chaque couche augmente la résistance thermique. Un tampon thermique peut améliorer une interface défaillante, mais il ne peut pas compenser un mauvais tracé des pistes de cuivre, un boîtier trop petit ou un refroidissement externe insuffisant. C’est pourquoi le choix de l’interface thermique doit intervenir une fois que le principal chemin de chaleur a été identifié.
Comment choisir un dissipateur thermique pour une carte BMS
Le meilleur coussin thermique pour un BMS est le matériau souple le plus fin qui soit, capable de maintenir le contact malgré les tolérances de fabrication, de maintenir la température des composants dans les limites souhaitées, d'assurer l'isolation électrique requise et de rester mécaniquement stable pendant toute la durée de vie du produit.
| Facteur de sélection | Éléments à vérifier pour un BMS | Panne courante si elle n'est pas prise en compte |
| Charge thermique | Pertes par composant et par mode de fonctionnement | Les points chauds n'apparaissent que pendant la mise à l'équilibre ou en cas de courant élevé |
| Plage d'écart | Écart minimum et maximum une fois assemblé | Aucun contact dans un service, recours excessif à la force dans un autre |
| Impédance thermique | Données à la pression et à l'épaisseur correspondantes | Une pastille à haute conductivité thermique (W/mK) entraîne une température du système décevante |
| Force de compression | Pression aux limites de tolérance | Déformation du circuit imprimé, dommages dus à la soudure, charge du boîtier |
| Isolation électrique | Tension de claquage et résistance d'isolement | Court-circuit vers la masse ou vers le boîtier métallique sous tension |
| Dureté et malléabilité | Problèmes de contact liés aux composants et aux variations entre cartes | Poches d'air et répartition inégale de la pression |
| Plage de température | Limites d'utilisation continue et de cycles | Durcissement, fissuration, fluage ou perte d'adhérence |
| Inflammabilité | Exigences relatives aux produits et à la réglementation | Le matériau ne satisfait pas aux critères de qualification de sécurité au niveau du lot |
| Fiabilité | Vieillissement thermique, par humidité, par vibrations et par compression | Le contact se détériore au fil de la durée de vie |
| Fabrication | Découpe à l'emporte-pièce, détachement de la feuille de protection, mise en place, retouche | Désalignement, déchirure, contamination, poche d'air |
Commencez par consulter la carte de puissance du BMS, et non la fiche technique du module.
Calculez ou mesurez les pertes des composants dans tous les modes importants. Tenez compte des états de charge, de décharge, d'équilibrage, de veille, de réveil, de défaut et de communication. Recherchez les cas où plusieurs canaux d'équilibrage fonctionnent alors que le boîtier du pack est déjà chaud. Tenez compte des tolérances relatives à la résistance des MOSFET, à la résistance du shunt, au rendement du convertisseur et à la tension d'alimentation.
Utilisez, selon le cas, des thermocouples, des capteurs de température à résistance, des mesures infrarouges étalonnées ou des estimations de la température de l'emballage. Les images infrarouges sont utiles pour repérer les zones chaudes, mais l'émissivité et les reflets provenant des surfaces métalliques peuvent être source d'erreurs. Vérifiez les points importants à l'aide de capteurs de contact.
Définir la température de la surface de refroidissement
Un dissipateur de chaleur ne fait que transférer la chaleur vers une autre surface. Cette surface de destination doit rester plus froide que la source. Mesurez ou modélisez la température du boîtier dans le même scénario de fonctionnement le plus défavorable. Si le boîtier est chauffé par des cellules ou des contacteurs situés à proximité, il risque de ne plus constituer un bon dissipateur de chaleur.
Le sens du flux thermique peut également s'inverser lors d'un démarrage à froid ou d'un chauffage rapide de la batterie. Le couplage thermique peut entraîner un réchauffement des composants électroniques du BMS à partir du boîtier. Vérifiez les deux sens lorsque la batterie fonctionne dans une large plage de températures ambiantes.
Conductivité thermique et impédance thermique des coussinets thermiques pour BMS
La conductivité thermique, exprimée en W/mK, décrit la facilité avec laquelle la chaleur se propage à travers le matériau. L'impédance thermique décrit la résistance d'une structure d'interface donnée dans des conditions précises. Pour une carte BMS, l'impédance thermique est généralement plus proche du résultat qui intéresse les ingénieurs, car elle tient compte de l'épaisseur et des effets de contact.
Pour une couche uniforme simplifiée, la résistance thermique s'écrit comme suit :
R = t / (k × A)
Ici, t est l'épaisseur après compression, k est la conductivité thermique, et A Il s'agit de la surface effective de transfert thermique. Cette équation est utile à titre indicatif, mais un joint d'étanchéité réel présente également une résistance de contact au niveau de ses deux surfaces. La souplesse, la pression, l'adhérence, la planéité et la rugosité ont une incidence sur ces contacts.
Pourquoi une valeur W/mK élevée ne garantit pas un meilleur refroidissement du BMS
Un tampon de 6 W/mK peut offrir des performances inférieures à celles d'un tampon de 3 W/mK si le premier est beaucoup plus épais ou trop dur pour assurer un bon contact. Une forte teneur en charge peut augmenter la conductivité tout en augmentant la dureté. Un tampon plus rigide peut laisser des vides autour des petits composants ou transmettre une force excessive au circuit imprimé.
L'article de HakTak sur Pourquoi une valeur W/mK élevée ne garantit pas toujours de meilleures performances de refroidissement explique ce compromis en termes concrets. Pour choisir un système de gestion de batterie (BMS), il convient de comparer les modèles candidats présentant les mêmes valeurs d'écart final, de pression, de surface et de température, plutôt que de les classer en fonction de leur conductivité nominale.
Utiliser des données d'essais thermiques comparables
ASTM D5470 Cette norme porte sur les mesures d’impédance thermique en régime permanent et de conductivité thermique apparente des matériaux d’isolation électrique thermoconducteurs. Cette méthode est utile pour comparer des matériaux d’interface, mais l’ASTM précise que ses conditions idéalisées de flux thermique ne reflètent pas directement la plupart des applications réelles. Les données fournies par les fournisseurs doivent donc servir de base à la sélection des matériaux, qui doit être suivie d’essais sur les assemblages.
La distinction entre la conductivité en masse et les performances complètes à l'interface est abordée plus en détail dans Conductivité thermique et impédance thermique dans la sélection des MIT. Lorsque vous examinez les devis, demandez à chaque fournisseur de vous indiquer la méthode d'essai, l'épaisseur de l'échantillon, la pression et la température, et précisez si la valeur indiquée est représentative ou garantie.
Comment choisir l'épaisseur d'un tampon thermique pour les systèmes de gestion de batterie
L'épaisseur du plot doit être déterminée à partir de la somme des tolérances mécaniques. Mesurez la distance entre la surface du composant cible ou du circuit imprimé et la surface de refroidissement. Tenez compte de la hauteur du composant, de l'épaisseur de la soudure, de la courbure du circuit imprimé, de la planéité du boîtier, de l'emplacement des fixations, de la compression du joint, de la tolérance du plot et des variations liées à l'assemblage.
La plaquette nominale appropriée est généralement la plus fine des options disponibles qui permette encore d'assurer le contact à l'écartement maximal. Une épaisseur supplémentaire augmente la résistance thermique. Elle accroît également la quantité de matière qui doit se déformer à l'écartement minimal.
Calculer la compression du coussin thermique du BMS aux limites de tolérance
La compression peut être estimée comme suit :
Compression (%) = (original coussinet (épaisseur – jeu final) / épaisseur d'origine de la plaquette x 100
Supposons qu'une plaquette d'une épaisseur nominale de 2,0 mm doive combler un jeu compris entre 1,5 et 1,8 mm. Au jeu maximal de 1,8 mm, la compression est de 10%. Au jeu minimal de 1,5 mm, la compression est de 25%. La cale doit maintenir un contact utile à 10% tout en restant dans les limites de résistance de la carte à 25%.
Répétez ce calcul à plusieurs endroits si une plaquette recouvre plusieurs composants. Une plaquette peut s'incliner et un circuit imprimé peut se déformer entre les fixations. Un coin peut subir une faible compression tandis qu'un autre est soumis à une surcharge.
Le guide de HakTak sur Comment choisir l'épaisseur d'un tampon thermique pour les composants électroniques ? propose une méthode de tolérance plus complète. Utilisez la ligne de joint comprimée plutôt que l'épaisseur nominale de la tôle dans les calculs thermiques, comme expliqué dans Comment l'épaisseur de la ligne de collage influe sur les performances thermiques.
Évitez d'utiliser des cales épaisses pour masquer une conception de boîtier mal maîtrisée
Une cale épaisse et souple peut compenser d'importantes variations dimensionnelles, mais elle entraîne une perte de performance thermique. Avant d'opter pour une interface de 4 ou 5 mm, vérifiez si la mise en place d'un bossage métallique moulé, d'un dissipateur thermique local, d'un support de carte ou d'une modification du boîtier permet de réduire cet écart. Une petite modification mécanique peut améliorer le refroidissement davantage qu'une augmentation coûteuse de la conductivité thermique.
Les coussinets de grande taille non soutenus peuvent également s'affaisser, se déplacer ou compliquer leur mise en place. Si un écart important ne peut être réduit, comparez les options disponibles matériaux d'interface thermique et déterminer si le mastic thermique ou un produit de remplissage durci convient mieux aux tolérances et au processus de production. La comparaison réalisée par HakTak entre Pâte thermique ou coussinets thermiques pour les espaces irréguliers peut aider à orienter cette décision.
Quel niveau de compression un coussin thermique BMS doit-il offrir ?
La compression améliore le contact en enfonçant le patin dans la texture de la surface et les variations de hauteur. Une compression insuffisante entraîne la formation de poches d'air. Une compression excessive augmente la force exercée, déforme la planche et peut endommager le patin ou ses composants.
Il n'existe pas de pourcentage de compression universel. La plage appropriée dépend des données de pression-déformation du produit et des limites mécaniques de l'ensemble. Deux patins présentant la même dureté Shore 00 peuvent générer des forces différentes, car leur épaisseur, leur renfort, leur teneur en charge et leur comportement viscoélastique varient.
Protégez le circuit imprimé, les soudures et les connexions des capteurs
Les cartes BMS peuvent être longues et étroites. Un grand plot situé sous un capot exerce une force sur une large surface. Même une pression modérée peut générer une charge totale importante. La déformation de la carte peut mettre à rude épreuve les soudures, les connecteurs, les bornes de raccordement aux cellules, les composants d'isolation et le revêtement de protection.
Les pastilles très souples s'avèrent souvent utiles lorsque plusieurs composants BMS partagent un même capot métallique. Elles s'adaptent aux variations de hauteur du boîtier avec moins de force. Une pastille plus rigide peut être plus facile à manipuler, mais elle risque de recouvrir les composants bas et de concentrer la charge sur les composants hauts. L'article Coussinets thermiques souples ou rigides : lesquels sont les meilleurs ? explique comment trouver le juste équilibre entre la conformabilité et le contrôle de l'assemblage.
Vérifier la relaxation des contraintes après l'assemblage du BMS
Les cales d'espacement sont viscoélastiques. Leur force varie après le serrage et l'exposition à la chaleur. Une partie de la contrainte initiale se relâche, ce qui peut protéger la carte, mais une pression de contact suffisante doit être maintenue pour assurer le transfert thermique. La déformation rémanente après compression peut également empêcher la cale de suivre les mouvements pendant le fonctionnement.
Utilisez les courbes fournies par le fournisseur et des échantillons vieillis. Ne partez pas du principe que la force d’installation reste constante. Le guide de HakTak sur rapport de compression du coussin thermique montre qu'il convient de vérifier simultanément les écarts minimaux et maximaux, plutôt que d'appliquer un pourcentage nominal unique à chaque unité.
Coussinets thermiques isolants pour cartes BMS
Les composants électroniques du système de gestion de batterie (BMS) peuvent fonctionner au potentiel du pack ou entre des domaines isolés. Le boîtier métallique peut être mis à la terre, en flottant ou relié à un autre nœud électrique. Une interface thermique en contact à la fois avec la carte et le boîtier doit être compatible avec l'architecture d'isolation.
De nombreux cales d'épaisseur, qu'elles soient à base de silicone ou non, contiennent des charges céramiques électriquement isolantes. Cependant, toutes les cales thermiques ne sont pas nécessairement des isolants électriques. Certains matériaux d'interface contiennent du graphite conducteur ou du métal. Il convient de toujours vérifier la composition exacte et les données d'essai.
La rigidité diélectrique n'est pas la seule exigence en matière d'isolation
La rigidité diélectrique est généralement exprimée en kV/mm. La tension de claquage s'applique à un échantillon d'une épaisseur définie dans le cadre d'un essai spécifié. Le système doit également présenter une résistance d'isolement, une distance de fuite, une distance d'isolement, une résistance à la perforation et une marge de défaillance adéquates. Les extrémités pointues des composants, les bavures sur les boîtiers, les bossages de vis et les particules peuvent affaiblir une interface souple.
Si le revêtement sert d’isolation fonctionnelle ou renforcée, faites intervenir dès le début l’équipe chargée de la sécurité et de la conformité. Ne divisez pas la valeur kV/mm indiquée dans le catalogue par la tension de service et ne considérez pas le résultat comme une conception d’isolation complète. Le guide de HakTak sur coussinet thermiques électriquement isolants aborde plus en détail la tension de claquage, l'épaisseur, la structure et les risques liés à l'utilisation.
Coussinets thermiques renforcés pour les composants électroniques des batteries
Un renfort en fibre de verre ou en film diélectrique peut améliorer la maniabilité et la résistance à la perforation. Il peut également réduire la capacité d'adaptation ou augmenter la pression nécessaire pour établir le contact. Le renfort doit être évalué dans le cadre de l'ensemble du tampon, et non pas ajouté uniquement parce que le BMS transporte une haute tension.
En cas de contact direct avec des broches soudées ou des arêtes vives, il convient d'envisager la mise en place d'une barrière isolante lisse ou d'une zone d'exclusion contrôlée. Il ne faut pas s'attendre à ce qu'un coussin thermique absorbe les chocs provoqués par des arêtes métalliques non contrôlées tout au long de la durée de vie du produit et en cas de vibrations.
Coussinets thermiques et précision de la détection de température du BMS
La détection de la température est l'une des fonctions essentielles du BMS. TI souligne que les systèmes de gestion de batterie surveillent la tension, le courant et la température des cellules pour garantir leur bon fonctionnement et la sécurité, et sa note d'application sur thermistances pour la protection thermique du BMS aborde la question de la mesure de la température dans le cadre plus large du système de régulation.
Un coussin thermique peut améliorer la fiabilité des composants électroniques, mais il peut également modifier la répartition de la température autour des capteurs. Cela n'est pas toujours avantageux. Un coussin placé sous une thermistance peut transmettre la température du boîtier au capteur. Un coussin situé à proximité d'une résistance d'équilibrage peut propager la chaleur de cette dernière vers un point de mesure. Ces deux effets peuvent rendre la mesure moins représentative de la cellule ou du composant concerné.
Veillez à ce que les capteurs de température des cellules soient en contact thermique avec celles-ci
Si un capteur est destiné à mesurer une cellule, son chemin thermique principal doit mener à cette cellule. Évitez qu'un plot de la carte BMS ne renforce le couplage entre le capteur et le boîtier. Vérifiez l'emplacement du capteur, l'adhésif, la conduction des fils, la circulation d'air, la surface en cuivre et les sources de chaleur à proximité.
La disposition des plots thermiques peut nécessiter des ouvertures autour des thermistances ou des références de précision. Les plots thermiques zonés permettent de refroidir les composants de puissance tout en laissant les zones de détection moins couplées. Vérifiez les mesures des capteurs pendant la charge rapide, la décharge, l'équilibrage, le refroidissement à froid et les variations de température du liquide de refroidissement.
Prendre en compte l'auto-échauffement à proximité des circuits de mesure de courant
Les résistances de détection de courant et les éléments de détection intégrés génèrent de la chaleur. Analog Devices explique que l'auto-échauffement de la résistance de mesure peut fausser les mesures de température en fonction du courant, du boîtier, du flux d'air et du couplage thermique. Un coussin thermique peut réduire cette élévation locale, mais il peut également modifier la relation d'étalonnage.
Effectuer les contrôles d'étalonnage et de précision lors de l'assemblage mécanique final. Un résultat obtenu en laboratoire sur une carte nue peut ne plus être valable une fois que le circuit imprimé est pressé contre un boîtier métallique à l'aide d'une entretoise.
Coussinets thermiques en silicone et sans silicone pour les systèmes de gestion de batterie
Les coussinets en élastomère de silicone sont couramment utilisés dans les composants électroniques des batteries, car ils allient souplesse, résistance à la température, isolation électrique et une large gamme d'épaisseurs et de conductivités. Ils constituent un choix par défaut de premier ordre lorsque le produit ne présente aucune restriction spécifique concernant l'utilisation du silicone.
Les coussinets sans silicone utilisent une autre matrice polymère. Ils peuvent être choisis lorsque la migration d’huile de silicone, la présence de siloxanes volatils, la compatibilité avec les revêtements, la contamination optique ou une restriction imposée par le client concernant les matériaux constituent des facteurs importants. C’est notamment le cas lorsque le système de gestion de la batterie (BMS) partage un boîtier avec des contacts sensibles, des capteurs optiques, des relais ou des processus de fabrication qui contrôlent la contamination par le silicone.
Aucune de ces deux compositions chimiques n'est automatiquement plus performante en matière de transfert thermique. Comparez l'impédance thermique, la force de compression, la résistance à la température, les performances diélectriques, le dégazage et le vieillissement à long terme. HakTak’s Comparaison entre les coussinets thermiques en silicone et ceux sans silicone explique comment les grades de silicone à faible migration et les matériaux certifiés sans silicone permettent de répondre à différents risques de contamination.
Où faut-il placer les pastilles thermiques sur un BMS ?
Le positionnement des pastilles doit respecter la carte thermique mesurée et le chemin de charge mécanique. Parmi les dispositions courantes, on trouve des pastilles entre les composants situés sur la face supérieure et le capot métallique, des pastilles entre la face arrière du circuit imprimé et une plaque de base, ou encore des pastilles locales sur les dispositifs de puissance et dans les zones des résistances d'équilibrage.
| BMSBloc-notes Lieu | Principal avantage | Principal enjeu de conception |
| Résistances de compensation | Évacuation directe de la chaleur d'équilibrage concentrée | Force exercée sur les corps des résistances et les joints de soudure |
| Boîtiers MOSFET | Raccourci vers la couverture métallique | Tolérance de hauteur des boîtiers et potentiel électrique |
| Sous la zone chaude du circuit imprimé | Répartit la charge sur la zone recouverte de cuivre | Le diélectrique du circuit imprimé et la disposition du cuivre limitent le flux thermique |
| Section DC/DC ou régulateur | Réduit la température du régulateur local | Variation de hauteur d'un transformateur ou d'une bobine d'induction situé(e) à proximité |
| Coussin à pleine épaisseur | Une mise en place simple et un contact étendu | Force totale élevée et couplage indésirable des capteurs |
| Disposition multi-pads par zone | S'adapte aux sources de chaleur et aux limites de force | Autres références et étapes de montage |
Refroidissement des composants sur la face avant vs refroidissement du circuit imprimé sur la face arrière
Le refroidissement par le dessus crée un chemin court entre le boîtier et le capot, mais il exerce une force directement sur les composants. Le refroidissement par l'arrière permet de répartir la pression de manière plus sûre si le circuit imprimé comporte des vias thermiques et des plans de cuivre. Il intègre également l'empilement du circuit imprimé dans le circuit thermique.
Utilisez la simulation thermique et les mesures pour comparer ces deux options. Un plot arrière peut s'avérer plus performant qu'un plot direct s'il présente une surface plus grande, une ligne de liaison plus fine et un meilleur soutien mécanique. Un plot direct sur la face supérieure peut s'avérer plus avantageux lorsque le boîtier dispose d'une surface plane adaptée et d'une hauteur contrôlée.
Un seul grand tampon thermique contre plusieurs tampons thermiques BMS locaux
L'utilisation d'un seul support de grande taille simplifie la nomenclature. Elle peut toutefois entraîner une compression inégale lorsque les composants présentent des hauteurs différentes. L'utilisation de plusieurs supports locaux permet aux ingénieurs d'ajuster l'épaisseur et la dureté zone par zone. Cela alourdit toutefois le travail de placement et augmente le risque d'erreur lors de l'assemblage.
Pour la production en grande série, la découpe de plusieurs éléments sur un seul support permet de combiner le contact par zone et une seule étape de placement. Vérifiez le décollement du film protecteur, la stabilité dimensionnelle, la résistance des parois fines et le comportement lors du placement avant de valider définitivement la conception.
Exigences relatives aux pastilles thermiques selon l'architecture BMS
Sélection centralisée des patins thermiques pour le système de gestion du bâtiment (BMS)
Un système de gestion technique du bâtiment (GTB) centralisé regroupe les fonctions de surveillance et de contrôle sur une seule carte mère. La chaleur peut se concentrer au niveau des bancs d'équilibrage, des blocs d'alimentation, des pilotes de contacteurs, des processeurs et des interfaces de communication. La carte peut nécessiter plusieurs zones de pastilles d'épaisseurs différentes.
Les grands circuits imprimés sont plus sensibles aux tolérances de planéité et de recouvrement. La force de compression totale peut atteindre des valeurs importantes. La conception des supports de circuits imprimés et l'emplacement des fixations doivent être étudiés en même temps que la disposition des pastilles.
Système de refroidissement BMS distribué et modulaire
Dans un système de gestion de batterie (BMS) distribué, les composants électroniques de surveillance des cellules sont placés à proximité des modules ou des cellules. Chaque carte génère certes moins de chaleur, mais elle est exposée à une température plus proche de celle des cellules et peut disposer d'un volume de boîtier limité. Le positionnement des pastilles ne doit pas fausser les mesures locales de température des cellules.
Les conceptions modulaires tirent parti d'une géométrie répétitive des pastilles et d'un assemblage contrôlé. De légères erreurs de tolérance peuvent se répercuter sur de nombreux modules ; la capacité du processus revêt donc une grande importance. La conception doit également tenir compte du remplacement en service et de l'accès aux connecteurs.
Cartes de protection contre les surintensités et dispositifs de déconnexion de batterie
Certains systèmes associent la surveillance à des MOSFET de grande taille, des shunts, des contacteurs, des fusibles ou des composants de précharge. Ces ensembles s'apparentent davantage à de l'électronique de puissance qu'à une carte de surveillance de faible puissance. Ils peuvent nécessiter des pastilles plus épaisses, une conductivité plus élevée, une isolation renforcée ou un refroidissement direct par plaque froide.
Pour ces conceptions, appliquez le cadre général présenté dans Comment choisir des pastilles thermiques pour l'électronique de puissance. Dans la mesure du possible, séparez les zones de puissance à fortes pertes des zones de mesure de précision.
Tests de fiabilité et de validation des coussinets thermiques BMS
Les performances de refroidissement initiales ne constituent qu'une première étape. Un bloc-batterie peut être exposé pendant des années à la chaleur, à l'humidité, aux vibrations, aux chocs, à la compression et aux contraintes électriques. Le tampon doit maintenir le contact et l'isolation dans toutes ces conditions.
| Validation Test | Ce que cela révèle | Mesures utiles |
| Test de consommation dans les conditions les plus défavorables | Températures maximales pendant la mise à l'équilibre et en cas de courant élevé | Température des composants, des circuits imprimés, des pastilles et des boîtiers |
| Cyclage thermique | Perte de contact, fissuration, déplacement, durcissement | Élévation de la température et contrôle après essai |
| Vieillissement à haute température | Déformation rémanente après compression, purge, dérive des propriétés | Épaisseur, force, impédance thermique, résidu |
| Exposition à la température et à l'humidité | Changements liés à l'humidité et à l'isolation | Résistance d'isolement et corrosion |
| Vibrations et chocs mécaniques | Marche sur les coussinets, déchirures, frottements | Position, état des dommages, état des connecteurs et des soudures |
| Essai diélectrique | Marge d'isolation dans la construction finale | Résultats de rupture ou de résistance, selon les besoins |
| Redémarrage | Dilatation thermique réelle sous une charge variable | Évolution de la température et précision des capteurs |
| Test de révision | Dommages causés par le démontage et résidus | Facilité de nettoyage et répétabilité du remplacement |
Tester toute la plage de tolérance
Réalisez des échantillons proches des valeurs minimales et maximales de l'écart. Tenez compte de la tolérance d'épaisseur des pastilles, de la courbure du circuit imprimé, de la planéité du boîtier et de la hauteur des composants. Un prototype nominal peut masquer une perte de contact à une extrémité de la plage de production et une force excessive à l'autre.
Les essais thermiques doivent prendre en compte la température ambiante ou celle du liquide de refroidissement, la puissance, le débit d'air, le couple de serrage, l'emplacement des capteurs et l'état du logiciel. Il convient d'enregistrer la stabilisation de la température plutôt que de se contenter d'une seule mesure précoce. Si l'équilibrage est soumis à un cycle de fonctionnement, il faut tester un scénario réaliste ainsi qu'un cas de figure extrême justifié.
Vérifier à nouveau l'impédance thermique après le vieillissement
Un matériau peut passer l'inspection visuelle, mais perdre de sa pression de contact ou devenir plus dur. Mesurez l'élévation de température entre le composant et le boîtier avant et après l'exposition aux conditions environnementales. Comparez les résultats à puissance et conditions aux limites identiques.
Présentation de HakTak sur Normes courantes en matière de tests TIM que les ingénieurs doivent connaître peut prendre en charge un plan de qualification des matériaux. La fiabilité du système nécessite toutefois encore des essais spécifiques au produit portant sur les cycles, les vibrations, l'isolation et au niveau des modules.
Processus pratique de sélection des coussinets thermiques pour les systèmes de gestion de batterie (BMS)
Étape 1 : Répertorier toutes les sources de chaleur importantes
Répertorier les pertes des composants par mode de fonctionnement. Effectuer des mesures sur un prototype et les comparer aux résultats des calculs. Identifier les composants qui déterminent la limite thermique et ceux dont la température influe sur la précision.
Étape 2 : Définir la destination de la chaleur
Vérifiez que le capot, le châssis, le répartiteur ou la plaque froide restent suffisamment froids pour absorber la chaleur. Vérifiez les conditions de température ambiante élevée, de cellules chaudes, d'arrêt du fluide de refroidissement et les autres conditions de tolérance aux pannes requises par le produit.
Étape 3 : Établir la somme des tolérances mécaniques
Calculez les écarts minimaux et maximaux au niveau de chaque zone de patin. Tenez compte des éléments de fixation, des joints d'étanchéité, des supports de carte, du gauchissement du boîtier, de la hauteur des composants et de la tolérance des patins.
Étape 4 : Définir les limites de force et d'isolation
Définir la déformation admissible du circuit imprimé, la charge appliquée au boîtier et la force de réaction totale du capot. Vérifier la tension de service, les nœuds électriques, la mise à la terre, le risque de perforation, la distance de fuite, l'espace isolant et les homologations de sécurité requises.
Étape 5 : Sélectionner les candidats pour le coussin thermique
Comparez l'épaisseur, l'impédance thermique, le comportement sous pression (déformation), la dureté, les caractéristiques diélectriques, la plage de température, la résistance au feu, le renfort, l'adhérence et la disponibilité. Demandez les conditions d'essai plutôt que de vous contenter de références de catalogue isolées.
Étape 6 : Réaliser un prototype du motif de découpe proprement dit
Utilisez la géométrie, le revêtement intérieur, le type d'adhésif et la méthode d'assemblage prévus. Vérifiez qu'il n'y a pas de poches d'air, d'étirement du tampon, de contrainte sur les composants, ni d'interférence avec le revêtement de protection ou les connecteurs.
Étape 7 : Vérifier les températures et les mesures
Simulez les charges électriques et les températures limites les plus défavorables. Vérifiez à la fois les températures des composants et la précision de mesure du BMS. Assurez-vous que le positionnement des pastilles n'entraîne pas un capteur de cellule à suivre la température du boîtier ou d'une résistance.
Étape 8 : Effectuer les contrôles de fiabilité et de production
Soumettre les sous-ensembles représentatifs à des essais de vieillissement, de cycle, de vibrations et d'inspection. Vérifier la durée de conservation, le conditionnement, l'uniformité de la découpe, le contrôle du placement, les instructions de retouche et la gestion des changements de fournisseurs.
Recommandation finale
Les pastilles thermiques constituent un moyen propre et reproductible de refroidir les composants électroniques de gestion de batterie. Elles sont particulièrement efficaces lorsque la source de chaleur, la surface de refroidissement, la marge de tolérance cumulée et l'architecture électrique sont définies avant le choix des matériaux.
Commencez par la carte de puissance réelle du BMS. Utilisez le plot le plus fin possible qui permette de maintenir le contact dans les limites de tolérance. Comparez l'impédance thermique à la compression prévue plutôt que de vous fier uniquement à la valeur W/mK. Limitez les forces exercées sur le circuit imprimé et les composants. Vérifiez l’isolation aux endroits où le coussin entre en contact avec les structures conductrices du boîtier. Et surtout, assurez-vous que le coussin ne fausse pas les informations de température utilisées par le BMS pour protéger et gérer les cellules.
Un tampon thermique BMS bien choisi doit permettre de maintenir les composants chauds dans les limites de température admissibles, de préserver la précision des mesures, de résister aux conditions d'utilisation du bloc-batterie et de rester facile à monter à grande échelle. Cette combinaison garantit une meilleure dissipation thermique et un système de contrôle plus fiable que ne peut le promettre n'importe quelle valeur indiquée dans une fiche technique.
Foire aux questions sur les coussinets thermiques BMS
Quelle est la meilleure conductivité thermique pour un coussin thermique de BMS ?
Il n'existe pas de valeur W/mK idéale. De nombreuses cartes BMS peuvent être refroidies à l'aide d'un pad à conductivité modérée si la couche de liaison est fine et que le contact est bon. Une conductivité plus élevée s'avère utile lorsque le flux thermique est élevé ou que l'écart ne peut pas être réduit. Il convient de comparer l'impédance thermique et les températures du système plutôt que la seule conductivité.
Quelle doit être l'épaisseur d'un coussin thermique destiné à un système de gestion de batterie ?
Utilisez la cale la plus fine qui soit en contact avec la surface de refroidissement lorsque l'écart de production est maximal. Calculez la compression et la force lorsque l'écart est minimal. N'ajoutez pas d'épaisseur supplémentaire à titre de marge de sécurité arbitraire, car cela augmente la résistance thermique.
Les coussinets thermiques BMS doivent-ils être électriquement isolants ?
C'est souvent le cas, notamment lorsque le plot est en contact avec un boîtier conducteur. Cette exigence dépend de l'architecture électrique. Vérifiez la tension entre les surfaces et le rôle du plot dans le système d'isolation.
Les pastilles thermiques peuvent-elles empêcher l'emballement thermique d'une batterie ?
Non. Un coussin thermique BMS peut améliorer la gestion de la température des composants électroniques de surveillance et de contrôle, mais il ne s'agit pas d'un système autonome de prévention de l'emballement thermique. La composition chimique des cellules, le refroidissement du pack, les capteurs, les commandes, les barrières mécaniques, la ventilation et la conception de sécurité doivent fonctionner de concert.
Les coussinets thermiques en silicone conviennent-ils aux batteries ?
Les coussinets en silicone sont largement utilisés car ils peuvent être souples, thermoconducteurs, isolants électriques et résistants à la température. Vérifiez les exigences en matière de suintement d'huile, de dégazage, d'inflammabilité et de compatibilité avec le module. Utilisez un matériau sans silicone si l'application présente une restriction avérée concernant l'utilisation du silicone.
Comment tester un coussin thermique BMS ?
Tester les performances thermiques dans les conditions les plus défavorables en termes de puissance et d'écart, puis répéter les essais après vieillissement thermique, cycles thermiques, exposition à l'humidité, vibrations et autres contraintes pertinentes. Vérifier les températures des composants, la précision des capteurs, la position des pastilles, la compression, la présence de résidus et l'isolation électrique.
