Der Wärmeleitwiderstand des Schnittstellenmaterials ist der Teil des Wärmepfads zwischen Zelle und Kühlmittel, der durch die Montage beeinflusst wird. In einem Akkupack wirkt er sich darauf aus, wie viel der von einer Zelle erzeugten Wärme tatsächlich die Kühlplatte erreicht. Jede mechanische Verbindung zwischen einer Zelle, einer Modulwand und einer Kühlstruktur weist mikroskopisch kleine Luftspalte auf. Luft leitet Wärme etwa zwei Größenordnungen schlechter als eine gefüllte Verbindung. Das Schnittstellenmaterial dient dazu, diese Luft zu ersetzen, beseitigt den Widerstand jedoch nie vollständig; es ersetzt einen unkontrollierten Widerstand durch einen niedrigeren, gezielt einstellbaren Widerstand.
Für Wärme- und Produktingenieure von Akkupacks lautet die praktische Frage nicht: “Welche Wärmeleitpaste hat die höchste Leitfähigkeit?”, sondern: “Welchen Grenzflächenwiderstand weist diese Verbindung bei meinem Spalt, Druck und meiner Ebenheit auf?” Dieser Artikel definiert den Grenzflächenwiderstand, trennt die drei Größen, die in Datenblättern oft verschwimmen, erläutert die Variablen, die den Wert beeinflussen, und erklärt, wie er gemessen wird. Er behandelt weder den Widerstand auf der Kühlmittelseite noch die Zellchemie oder die Modellierung von Durchgehensreaktionen im Akkupack; diese Aspekte liegen außerhalb der Grenzfläche selbst.
Was bedeutet Wärmeleitmaterialwiderstand tatsächlich?
Der Grenzflächenwiderstand ist als Systemseigenschaft der Verbindung zu betrachten, nicht als feste Größe, die mit dem Material variiert. Wird eine Wärmeleitpaste (TIM) zwischen einer Zelle oder einem Modul und einer Kühlfläche platziert, setzt sich der Wärmewiderstand aus drei Komponenten zusammen: dem spezifischen Widerstand des Materials selbst, dem Kontaktwiderstand an der Oberseite der TIM und dem Kontaktwiderstand an der Unterseite. Die Summe dieser drei Widerstände ergibt die sogenannte thermische Impedanz, die in den meisten Datenblättern als thermische Impedanz bezeichnet wird.
Der Volumenwiderstand skaliert mit der Dicke der aufgebrachten Schicht und der Leitfähigkeit des Materials. Eine dickere Schicht verlängert den Wärmeweg, daher steigt der Volumenwiderstand mit der Dicke der Klebeschicht und sinkt mit der Leitfähigkeit. Der Kontaktwiderstand hingegen entsteht durch unvollkommenen Kontakt: Reale Oberflächen sind rau und leicht uneben, sodass die tatsächliche Kontaktfläche kleiner ist als die scheinbare, und dieser Unterschied äußert sich als Temperaturabfall direkt an der Grenzfläche.
Luft ist der Grund, warum das Material überhaupt vorhanden ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Luft liegt bei etwa 0,02 bis 0,03 W/m·K und damit weit unter der eines anpassungsfähigen Grenzflächenmaterials. Durch den Austausch der eingeschlossenen Luft wird der Wärmewiderstand an der Verbindungsstelle daher erheblich reduziert. Der verbleibende Wert ist der Grenzflächenwiderstand, der bei der Auslegung berücksichtigt werden muss. Dieser sollte innerhalb eines Akkupacks über alle Zellen hinweg überwacht werden, da ungleichmäßige Verbindungen zu ungleichmäßigen Zelltemperaturen führen.
Wärmewiderstand vs. Wärmeimpedanz vs. Kontaktwiderstand
Die Verwechslung dieser drei Begriffe kann leicht zu Fehlentscheidungen bei der Auswahl von Wärmeleitmaterialien führen, da sie unterschiedliche Einheiten verwenden und unterschiedliche Fragestellungen beantworten. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine intrinsische Materialeigenschaft, unabhängig von Form und Größe, und wird in W/m·K angegeben. Wärmewiderstand und Wärmeimpedanz hängen von der Geometrie ab und beschreiben daher nur eine spezifische Verbindung bei einer bestimmten Dicke und einem bestimmten Druck. Liest man einen Wert für die Wärmeleitfähigkeit ab und nimmt an, dass dieser die Leistung der Verbindung vorhersagt, werden die beiden durch die Geometrie bedingten Kontaktwiderstände außer Acht gelassen.
| Menge | Was es beschreibt | Typische Einheit | Hängt von der Geometrie ab? |
|---|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit | Die dem Material innewohnende Fähigkeit, Wärme zu leiten | W/m·K | Nein |
| Wärmewiderstand | Widerstand gegen den Wärmefluss durch eine definierte Schicht | °C/W oder °C·cm²/W | Ja |
| Kontaktwiderstand | Temperaturabfall an jeder TIM-Oberflächen-Grenze | °C·cm²/W (oder mm²·K/W) | Ja |
| Thermische Impedanz | Volumenwiderstand plus beide Kontaktwiderstände | °C·cm²/W | Ja |
Flächennormierte Einheiten ermöglichen den direkten Vergleich von Bauteilen. Da der Wärmewiderstand in °C/W von der wärmeübertragenden Fläche abhängt, arbeiten Ingenieure üblicherweise mit flächennormiertem Wärmewiderstand oder Flächenimpedanz in °C·cm²/W bzw. dem äquivalenten Wert in mm²·K/W. Dadurch wird die Grundfläche eliminiert, jedoch nur die Fläche: Zwei Impedanzwerte sind nur dann direkt vergleichbar, wenn Messmethode, Klebeverbindung, Druck, Temperatur und Kontaktflächen übereinstimmen. Gibt ein Lieferant eine beeindruckende Wärmeleitfähigkeit, aber keine Impedanz bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Dicke an, sollte die Leistung der Verbindung als nicht verifiziert betrachtet und nicht anhand der Materialeigenschaften angenommen werden.
Die Variablen, die den Grenzflächenwiderstand beeinflussen
Vier Variablen beeinflussen den Grenzflächenwiderstand stärker als die Leitfähigkeit allein, und für jede dieser Variablen muss ein entsprechender Wert überprüft werden. Diese vier Variablen sagen die Zelltemperaturhomogenität eines Akkupacks deutlich besser voraus als der Leitfähigkeitswert.
- Bondliniendicke (BLT). Dünnere Bondlinien verringern den Gesamtwiderstand, da die Wärme einen kürzeren Weg zurücklegt. Daher sollte die Impedanzangabe im Datenblatt immer in Bezug auf die gemessene Bondliniendicke gelesen werden. Das erreichbare Minimum ist durch die Füllstoffpartikelgröße, den Verzug und die Absorptionsfähigkeit des Materials für Oberflächenstrukturen begrenzt. Die dünnste realisierbare Bondlinie ergibt sich somit aus dem Material und der Verbindung; es gibt keinen allgemeingültigen Zielwert.
- Kontaktwiderstand und Benetzung. Ein geringerer Kontaktwiderstand hängt davon ab, ob sich das Material an beide Oberflächen anpasst. Deshalb kann ein weiches, flüssig aufgetragenes Gel eine raue Oberfläche bereits bei geringem Druck benetzen, während ein festes Pad unter Umständen eine Anpresskraft benötigt, um denselben Effekt zu erzielen. Überprüfen Sie die Anpassung bei dem Druck, den Ihre Baugruppe tatsächlich ausüben kann, nicht bei einem im Labor gemessenen Druck.
- Klemmdruck und Planheit sind entscheidend. Höherer Anpressdruck und ebenere Kontaktflächen verringern den Luftanteil der Verbindung und senken den Kontaktwiderstand. Prüfen Sie den maximalen Anpressdruck einer Zelle, bevor Sie von einer niedrigen Impedanz eines Kontaktpads ausgehen, da Zellen und Stromschienen die maximale Klemmkraft einer Verbindung begrenzen.
- Füllstoffsystem und Isolationsbedarf. Die Leitfähigkeit wird durch das Einbringen leitfähiger Partikel wie Aluminiumoxid, Aluminium oder Bornitrid in ein Polymer erreicht. Die Wahl des Füllstoffs beeinflusst, ob die Verbindung auch elektrisch isolierend sein muss. Bornitrid beispielsweise dient der Isolation und gleichzeitig der Wärmeableitung, was relevant ist, wenn die Grenzfläche gleichzeitig als dielektrische Isolation zwischen einer Zelle und einer geerdeten Platte fungiert.
Es empfiehlt sich, die Verbindungsstelle vor der Produktauswahl genau zu dokumentieren: Spaltbreite und Toleranz, maximaler Anpressdruck, Ebenheit beider Oberflächen und ob die Schicht isolierend wirken muss. Diese vier Parameter ermöglichen eine präzisere Vorhersage des Grenzflächenwiderstands als jede einzelne Materialkennzahl und machen aus einem Datenblatt zur Leitfähigkeit eine realistische Berechnung der Verbindungsstelle.
Messung der Wärmeleitfähigkeit nach ASTM D5470
Man misst den Grenzflächenwiderstand; man berechnet ihn nicht aus der Wärmeleitfähigkeit. Die Standardmethode ist ASTM D5470. Gemäß der stationären Methode nach ASTM D5470 wird eine Probe zwischen zwei instrumentierten Messleisten eingespannt, Wärme durch sie geleitet, und die Temperaturgradienten ergeben die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung. Durch die Messung desselben Materials bei verschiedenen Dicken und die Auftragung der Wärmeleitfähigkeit gegen die Dicke lassen sich die beiden Beiträge trennen: Der Kehrwert der Steigung entspricht der scheinbaren Wärmeleitfähigkeit, und der Achsenabschnitt bei null Dicke ist die Summe der beiden Kontaktwiderstände. Dieser Achsenabschnitt liefert genau den Wert, den die Wärmeleitfähigkeit allein niemals bestimmen kann.
Die Messung ist bedingungsabhängig, weshalb ein Wert ohne Angabe der Bedingungen schwer zu interpretieren ist. Die angegebene Impedanz hängt von der während des Tests herrschenden Druck- und Temperaturdifferenz ab. Daher sind zwei Datenblätter nur vergleichbar, wenn Testdruck, Dicke und Temperatur angegeben sind. Betrachten Sie einen Impedanzwert als gültig für die daneben angegebenen Bedingungen und überprüfen Sie ihn mit Ihrem eigenen Anpressdruck.
Veröffentlichte Messungen vermitteln einen Eindruck von der Größenordnung des tatsächlichen Grenzflächenwiderstands. Eine von Fachkollegen begutachtete Studie über Wärmeleitmaterialien für die Ladeeingangsüberwachung von Elektrofahrzeugen ermittelte einen Grenzflächenkontaktwiderstand von etwa 0,1 bis 0,17 (cm²·K)/W für Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 3,9 bis 4,5 W/(m·K), verglichen mit einem breiteren Bereich von ca. 0,01 bis 0,1 (cm²·K)/W. Für die Entwicklung von Wärmeleitpacks sind nicht die exakten Werte, sondern das Muster entscheidend: Der Kontaktwiderstand macht einen signifikanten Anteil des Gesamtwiderstands aus, und eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Materials allein bedeutet nicht zwangsläufig einen geringeren Kontaktwiderstand – dieser muss an denselben Oberflächen, mit derselben Klebefuge, bei derselben Temperatur und demselben Anpressdruck gemessen werden.
Grenzflächenwiderstand in den Wärmepfaden von Akkupacks
In einem Akkupack kann der Grenzflächenwiderstand die thermische Reserve entlang des Zell-Kühlmittel-Pfades verringern. Daher sollte die Form des Wärmeleitmaterials (TIM) der Verbindungsstelle und nicht einer Zielleitfähigkeit entsprechen. Zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen weisen unterschiedliche Spaltbreiten, Ebenheiten und Montagespannungen an der Kühlplatte auf. Das Grenzflächenmaterial muss über jede Zelle hinweg einen niedrigen Widerstand gewährleisten, damit die kältesten und heißesten Zellen nahe beieinander liegen. Die Abstimmung des Materials auf den Spalt und den von den Zellen beaufschlagbaren Druck ist entscheidend für einen gleichmäßigen Grenzflächenwiderstand. Genau hier setzt das von Trumonytechs entwickelte, optimal abgestimmte Wärmeleitmaterial an. TIM-Lösungen und die Kühlkomponenten sind auf die Zelle-Kühlmittel-Konstruktion abgestimmt.
Die Wahl des Formfaktors beeinflusst das Verhalten der Grenzfläche in vorhersehbarer Weise. Ein anpassungsfähiger Spaltfüller eignet sich für variable oder größere Spalten und gleicht Toleranzunterschiede zwischen den Zellen aus, ohne dass eine hohe Klemmkraft erforderlich ist. Dünnere Pads oder Phasenwechselschichten eignen sich für flache, präzise Verbindungen, bei denen eine geringe Grenzflächentemperatur (BLT) die Impedanz senkt. Ein Wärmeleitgel füllt unebene Flächen mit niedrigem Druck. Ein Strukturklebstoff sorgt für zusätzliche Haftung, wenn die Verbindung sowohl Last als auch Wärme aufnehmen muss. Muss die Grenzfläche eine Zelle zusätzlich elektrisch isolieren, werden Füllstoff und Dicke neben dem Widerstand auch nach Durchschlagsfestigkeit gewählt. Erfordert die Erreichung der erforderlichen Durchschlagsfestigkeit eine größere Dicke, erhöht sich dadurch der Widerstand.
Die Dauerhaftigkeit muss bei der Entscheidung berücksichtigt werden. Eine Verbindung mit anfänglich niedrigem Widerstand kann sich durch Druckverformung des Materials nach Wärmebehandlung oder durch Materialverformung unter Temperaturwechselbeanspruchung verschlechtern. Daher ist die Überprüfung der verbleibenden Dicke und Impedanz nach der Alterung genauso wichtig wie die anfängliche Nennleistung. Die Spezifikation anhand des gealterten Zustands, nicht des Neuzustands, ist branchenüblich und gewährleistet einen zuverlässigen Kontaktwiderstand über die gesamte Lebensdauer eines Bauteils.
Schlussfolgerung
Merken Sie sich Folgendes: Der Wärmeleitfähigkeitswiderstand des Materials setzt sich aus dem Volumenwiderstand und zwei Kontaktwiderständen zusammen. Daher lässt sich allein anhand einer hohen Leitfähigkeit nicht vorhersagen, wie sich eine Verbindung zwischen Zelle und Kühlmittel verhält. Trennen Sie die Größen, messen Sie die Impedanz an der angegebenen Klebefuge und dem angegebenen Druck und dimensionieren Sie das Material entsprechend dem Spalt, der Ebenheit, der Montagespannung und den Isolationsanforderungen der jeweiligen Verbindung. Der am häufigsten übersehene Punkt ist der Kontaktwiderstandsschnittpunkt: Ein leitfähigeres Material senkt diesen nicht automatisch, da Benetzung, Härte, Oberflächenbeschaffenheit und Druck diesen Wert bestimmen. Daher muss er bei jeder Material- oder Verbindungsänderung neu gemessen werden. In einem Modul kann er dazu führen, dass aus einem gleichmäßigen Zellsatz ein ungleichmäßiger wird. Bestätigen Sie die Impedanz bei Ihrem eigenen Klemmdruck und nach der Wärmealterung. Überprüfen Sie sie erneut über die gesamte Zell-Kühlmittel-Grenzfläche. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit deutlich verringert, dass die Grenzfläche die Schwachstelle im Wärmeleitpfad bleibt.
FAQ
Welche Klebeschichtdicke ergibt den geringsten Wärmewiderstand für einen Spaltfüller?
Es gibt keine allgemein optimale Klebefugendicke für Spaltfüller. Eine dünnere Klebefuge verringert zwar den Widerstand des Füllmaterials, die erreichbare Mindestdicke hängt jedoch von der Spaltbreite und deren Toleranz, der Füllstoffpartikelgröße, der Oberflächenbeschaffenheit und der maximalen Klemmkraft ab – und sie ist nur dann von Vorteil, wenn das Material bei dieser Dicke beide Flächen vollständig benetzt. Geben Sie daher die dünnste Klebefuge an, die innerhalb dieser Grenzen bleibt, anstatt einen festen Wert festzulegen.
Wärmewiderstand oder Wärmeimpedanz: Welchen Wert sollte ich bei der Auswahl eines Wärmeleitmittels vergleichen?
Vergleichen Sie die thermische Impedanz bei einer vorgegebenen Klebefuge und einem vorgegebenen Druck, da sie sowohl den Volumenwiderstand als auch die beiden Kontaktwiderstände berücksichtigt, die bei der Angabe der Leitfähigkeit oder des Volumenwiderstands unberücksichtigt bleiben. Verwenden Sie flächennormierte Einheiten (°C·cm²/W oder mm²·K/W), um Unterschiede im Wärmeleitfähigkeitsprofil auszugleichen, und vergleichen Sie dennoch nur Messwerte, die bei vergleichbarer Klebefuge, vergleichbarem Druck und vergleichbarer Temperatur gemessen wurden, da die Normierung diese Variablen nicht aufhebt.
Wie kann ich den Kontaktwiderstand senken, ohne den Anpressdruck zu erhöhen?
Die Wahl eines anpassungsfähigeren Materials, wie beispielsweise eines auftragbaren Gels oder eines weicheren Spaltfüllers, senkt den Kontaktwiderstand, indem raue Oberflächen ohne zusätzliche Klemmkraft benetzt werden. Durch die Verbesserung der Planheit beider Kontaktflächen verringert sich zudem der Luftanteil in der Verbindung, was den Kontaktwiderstand ebenfalls senkt, ohne die Klemmkraft zu erhöhen.
Wie wird der Wärmewiderstand von TIM gemessen?
Der Wärmewiderstand wird nach dem ASTM-D5470-Verfahren im stationären Zustand gemessen. Dabei wird die Probe zwischen instrumentierten Stäben eingespannt und die Impedanz aus dem Temperaturgradienten abgeleitet. Durch die Untersuchung verschiedener Dicken und die Auftragung der Impedanz gegen die Dicke ergeben sich die scheinbare Leitfähigkeit aus der Steigung und der kombinierte Kontaktwiderstand aus dem Achsenabschnitt bei der Dicke Null.
Weiterführende Literatur
- Bestimmung des Kontaktwiderstands von Wärmeleitmaterialien, die in Ladebuchsen für Elektrofahrzeuge verwendet werden — Eine von Fachkollegen begutachtete Studie (MDPI Sensors) bestätigt die gemessenen Kontaktwiderstandsbereiche und die Annahme, dass der Kontaktwiderstand einen signifikanten Anteil des gesamten Grenzflächenwiderstands ausmacht.
- Thermischer Widerstand vs. Wärmeleitfähigkeit — Technische Referenz. Erläutert das Impedanz-Dicken-Verfahren nach ASTM D5470 und warum die Leitfähigkeit allein eine Verbindung nicht ausreichend beschreibt.
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