L’aumento della densità di potenza, la riduzione del peso e del volume e l’incremento dell’affidabilità e del ciclo di vita dell’elettronica e delle batterie attualmente costituiscono alcune delle sfide principali per i veicoli elettrici, soprattutto in vista della massiva diffusione di quest’ultimi prevista per i prossimi anni. Tutto ciò si scontra inevitabilmente con la necessità di mantenere la temperatura dei vari componenti entro un certo limite e, di conseguenza, la richiesta di sistemi di raffreddamento sempre più efficienti e complessi.
È noto infatti che l’MTBF (mean time between failures – tempo medio previsto prima del guasto) si riduce drasticamente all’aumentare della temperatura. Inoltre, la dipendenza della durata di vita delle batterie dalla temperatura è esprimibile attraverso una legge di Arrhenius di tipo esponenziale:
per la quale le prestazioni della batteria degradano tanto più rapidamente quanto più è alta la temperatura di esercizio, portando ad una progressiva riduzione della capacità, ovvero della sua autonomia. Tale fenomeno è accompagnato anche dall’aumento della resistenza interna della batteria con conseguente riduzione della potenza erogata.
In virtù delle problematiche descritte, Kerafol offre una vasta gamma di soluzioni proponendo materiali dissipativi innovativi nell’ambito Thermal Management adatte alle principali applicazioni automotive: batterie, parte elettronica, on-board charger (OBC), sensoristica e tanto altro.
Dalla fisica è noto che il calore può essere trasferito in tre modi: tramite radiazione, per convezione o conduzione. Quest’ultimo risulta chiaramente il più efficiente in questo tipo di applicazioni. I materiali di interfaccia termica (Thermal interface material – TIM) prodotti da Kerafol consentono di realizzare un sistema di raffreddamento molto efficiente, interponendo tali materiali tra il componente da raffreddare e il dissipatore, garantendo allo stesso tempo l’isolamento elettrico. Si ottiene in questo modo un collegamento a bassissima resistenza termica, facilitando lo smaltimento del calore. Tra i principali materiali di interfaccia termica vi sono i Thermal Pad (TP) e i Gap Filler Liquid (GFL).
Thermal Management per gli on-board charger
La necessità di ricariche sempre più rapide per i veicoli elettrici richiede on-board charger che lavorino ad alte potenze ed efficienza, per cui il Thermal Management di quest’ultimi è una questione tutt’altro che semplice. Il progetto di un OBC efficiente, compatto e leggero si scontra con il dimensionamento dei dispositivi magnetici e a semiconduttore. La temperatura a cui lavorano tali dispositivi è proporzionale alla resistenza termica rispettivamente tra nucleo e ambiente e tra giunzione e ambiente. La resistenza termica può essere significativamente ridotta scegliendo adeguatamente il TIM. Da tali presupposti, Kerafol rende disponibili prodotti con caratteristiche eterogenee da selezionare opportunamente per ogni applicazione.
Considerando che la fase di ricarica si verifica quando il veicolo è fermo, non vi è alcun beneficio aggiuntivo dato dal flusso d’aria dovuto al movimento del veicolo. L’unico modo per trasferire il calore resta quello conduttivo e l’utilizzo dei GFL, come sarà più chiaro nella prossima sezione, è la scelta più conveniente. Va inoltre ricordato che la temperatura ambientale esterna può raggiungere anche i 50 °C.
L’elettronica dell’on-board charger deve essere imballata all’interno di un involucro sigillato per prevenire la contaminazione ambientale e ciò richiede lo smaltimento del calore da carichi termici strettamente concentrati. I carichi termici devono essere collegati termicamente alle pareti dell’involucro per dissipare efficacemente il calore, le quali, devono quindi fungere da dissipatore per trasferire il calore all’esterno. Per garantire che i carichi termici siano collegati termicamente alla parete dell’involucro, è necessario selezionare un materiale di interfaccia termica adatto che fornisca non solo una buona conduzione termica, ma anche l‘isolamento elettrico necessario tra il dispositivo e l’involucro. A tal fine, si esaminano ora più in dettaglio i prodotti GFL di Kerafol.
Gap Filler Liquid (GFL) di Kerafol
I Gap Filler Liquid sono materiali liquidi termicamente conduttivi adatti anche per componenti di forma irregolare. Quando applicati, si adattano alla superficie con cui entrano in contatto, riempiendo tutti i gap tra componente e dissipatore, indurendosi successivamente a temperatura ambiente senza necessità di ulteriori passaggi produttivi. Grazie a questa tecnologia viene massimizzato il trasferimento di calore in quanto si ha una superficie di contatto maggiore rispetto ai Thermal Pad. Sebbene con quest’ultimi il contatto appaia uniforme alla vista, a livello microscopico le due superfici presentano inevitabilmente delle rugosità. Tra gli avvallamenti che ne derivano restano intrappolate molecole d’aria, a causa delle quali la resistenza termica risulta maggiore.
La conducibilità termica dell’aria è infatti diversi ordini di grandezza inferiore rispetto quella dei TIM.
La conducibilità termica dei Thermal Pad e dei GFL si colloca in un intervallo simile, fino a 6 W/mK, ma la resistenza termica totale nell’applicazione è quindi inferiore per il GFL, a causa della migliore compensazione della rugosità superficiale. Altro vantaggio dei GFL è la possibilità di essere applicati direttamente senza dover prima dimensionare l’estensione superficiale, come accade invece per i Thermal Pad.
Per contro, i GFL necessitano di un aggiuntivo sistema di erogazione che rende questa soluzione più costosa su volumi di produzione ridotti. Per grosse produzioni invece i costi decrescono progressivamente e le soluzioni GFL diventano economicamente vantaggiose. Inoltre, i tempi di produzione del prodotto finale sono ridotti e vi è un utilizzo più efficiente della materia prima, che azzera praticamente gli scarti. Grazie ai sistemi di erogazione e dosaggio è possibile realizzare una qualsiasi geometria per la superficie del TIM, impiegando la quantità minima di GFL necessaria.
Per tutti questi motivi Kerafol, negli ultimi anni, ha deciso di investire nello sviluppo di GFL con caratteristiche diverse in termini di viscosità e conducibilità termica, così da coprire una vasta gamma di applicazioni. Sebbene la procedura possa risultare a primo impatto tediosa e complessa per l’utilizzatore, Kerafol mette a disposizione il proprio centro tecnico per avere una prima valutazione sul processo di erogazione.
Per una configurazione ottimale tra il GFL e il sistema di dosaggio, è essenziale una stretta collaborazione tra i produttori di materiali e impianti. Di questa problematica è ben consapevole Kerafol, che lavora da molti anni a stretto contatto con i principali produttori di apparecchiature di erogazione, il che alla fine avvantaggia non solo entrambe le parti ma anche il cliente stesso.
Kerafol offre diversi GFL, tra cui GFL 1800 SL e la famiglia GFL 3000:
- Keratherm GFL 3020/ GFL 3025/ GFL 3030/ GFL 3040, si tratta di elastomeri siliconici bicomponenti con ceramica privi di solventi. Per le loro diverse conduttività termiche, caratteristiche di comprimibilità e proprietà dielettriche risultano ideali per l’incapsulamento. Un’ampia gamma di diverse viscosità dei materiali li rende adatti alla produzione ‘wet-in-wet’
- Keratherm GFL 1800 SL, un GFL esente da solventi basato su un elastomero siliconico 2K con una conduttività termica di 1.8W/mK, un breakdown dielettrico di 15kV/mm e una viscosità minore di 7000mPas. Rispetto ad altri liquidi riempitivi, la viscosità risulta ridotta di un fattore 10.
Uno dei prodotti top di gamma è il GFL 3040, un Gap Filler Liquid a base di silicone 2K con conducibilità termica 4,3 W/mK. Particolarmente di interesse è la combinazione dell’altissima conducibilità termica unita a un eccellente comportamento del flusso. L’esperienza ha dimostrato che gli elastomeri siliconici bicomponenti a bassa volatilità sono la soluzione migliore per soddisfare i requisiti delle applicazioni automotive. Questi tipi di materiali sono caratterizzati da resistenza alle alte temperature, lunga durata e un ottimo comportamento alle vibrazioni e alle sollecitazioni meccaniche causate dai diversi tipi di fattore di espansione termica dei materiali coinvolti. Nonostante l’alto contenuto di solidi, i due componenti dell’elastomero possono essere applicati a mano con una pistola erogatrice.
I sistemi di erogazione convenzionali sono utilizzati per l’erogazione automatizzata del GFL, fornito da Kerafol tramite cartucce e fusti. Per masse molto cariche è attualmente all’avanguardia il sistema di dosaggio a pistone con trasporto volumetrico del materiale con miscelatore statico. Il GFL 3040 è stato ideato con particolare attenzione per l’ottenimento di una bassa abrasione, che riduce al minimo l’usura del prodotto finale e i costi operativi del sistema.
Altro prodotto di estremo interesse è il GFL 1800 SL, di cui è stata già citata la bassissima viscosità rispetto le altre soluzioni. Per tale caratteristica, il materiale si comporta similmente all’acqua, con il vantaggio di auto-livellarsi e riempire ogni gap desiderato. Per il collegamento termico del dispositivo e del dissipatore, l’erogazione deve essere avviata dal basso verso l’alto, al fine di evitare l’ingresso di molecole d’aria. Per ottenere ciò, è necessario utilizzare un ago di dosaggio lungo e molto sottile che consente, tra l’altro, di riempire spazi più piccoli rispetto agli altri GFL. Ad esempio infatti, sebbene non sia possibile riempire uno spazio di 1 mm con i riempitivi standard, il GFL 1800 SL ha una dimensione delle particelle, una forma e una distribuzione speciali per le quali può essere erogato con aghi di diametro interno di soli 0,6 mm.
Il processo richiede poco tempo per colmare il vuoto e il tempo di polimerizzazione di 60 minuti a temperatura ambiente può essere accelerato con l’impiego di calore da fonte esterna. Dopo l’indurimento, il GFL 1800 SL, a base di silicone a bassa volatilità, è molto stabile ma allo stesso tempo ancora elastico per tutta la durata di vita, aspetto ideale per compensare l’effetto delle vibrazioni meccaniche e delle dilatazioni termiche dei componenti. Il GFL 1800 SL combina proprietà termiche, elettriche e meccaniche migliorate con un nuovo modo di lavorare e, grazie al suo speciale comportamento dovuto alla bassa viscosità, è possibile sfruttare facilmente anche piccoli spazi che precedentemente erano generalmente difficili da riempire.
Che si tratti di on-board charger, inverter o batterie, i prodotti Gap Filler Liquid di Kerafol sono già una soluzione economica ed efficace per un’ampia gamma di applicazioni automotive.
