一种新能源电动汽车专用石墨加热片及其制备方法与流程

本发明动力电池加热技术领域，具体涉及一种新能源电动汽车专用石墨加热片及其制备方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，新能源逐渐采用动力锂电池作为动力来源，而动力锂电池工作温度一般在5～45℃，当电池处于低温环境中时，充放电性能明显衰减，甚至无法正常工作。因此在严寒季节，往往需要先将动力锂电池加热到一定温度才可以正常使用，目前动力锂电池普遍采用的加热方式是采用电加热片直接安装于电池表面进行加热。

传统的电加热片一般采用合金材料作为核心板，在其表面刻蚀出线路，并封装绝缘材料制得。一方面，刻蚀线路工艺操作复杂繁琐，生产用水量大，废水污染物种类多，成分复杂，环境危害大；另一方面，由于合金材料的性能限制，这种加热方式加热效率低，不能保证各个电池间温度的一致性，而加热效果与安全性能的一个重要指标就是加热表面温度分布的均匀程度。

高导热石墨片材料是由规则的二维碳原子层在Z轴方向按一定层间距堆积而成，无论是人工石墨片还是天然石墨片，二者均具有平整度高、轻薄、易加工（可在制作时直接将图形画出）、耐老化的特点，应用于导热传热领域，较高的热扩散系数使得石墨片状材料能沿平面方向将热量快速的传递开，迅速实现加热的效果，均热效果佳。出色的柔韧特性和力学性能使其能够适应任何表面形状，紧密的贴覆于加热受体表面，实现高效率传热。

技术实现要素：

本发明提供了一种新能源电动汽车专用石墨加热片及其制备方法，可用于新能源电动汽车中，该加热片利用高导热的柔性石墨片轻薄、柔软和高导热性的特点，可紧紧的贴覆于动力电池表面，利用石墨片优异的传热特性对电池进行加热。与现有镍合金加热片相比，具有制作成本低，制程无环境污染，升温速度快，温度均匀性好的优势；与块体石墨材料相比，具有轻薄、柔软的优势，可与动力电池良好的接触，利于动力电池的电加热应用。

为实现上述技术目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种新能源电动汽车专用石墨加热片，包括基础加工石墨膜，其特征在于：所述基础加工石墨膜为加工成连续U型的柔性石墨片，所述柔性石墨片的两个端部分别连接有铜箔，所述铜箔作为电极连接电源，共两片，分别敷设在基础加工石墨膜端部柔性石墨片的上下表面；所述铜箔与柔性石墨片的两个端部通过连接件进行硬连接；所述基础加工石墨膜的上下表面分别覆盖有绝缘材料层。

作为本发明的优选技术方案，还包括敷设在至少一侧绝缘材料层之外的附加层，所述附加层自内而外依次包括绝缘双面胶、附加整片石墨膜和附加绝缘层，所述附加整片石墨膜为整张的柔性石墨片。

其中，所述连接件可以由螺栓和螺母组成，所述螺栓贯穿上下两层铜箔和中间的基础加工石墨膜，两端分设螺母实现固定连接，所述铜箔和基础加工石墨膜上对应位置开螺栓预留孔。

所述连接件也可以只用连接金属片，所述连接金属片为条带状，上下来回穿透两层铜箔和中间的基础加工石墨膜，两个端部与铜箔焊接固定，所述铜箔和基础加工石墨膜上对应位置设用于连接金属片上下穿连的预留孔。

进一步优选的，所述基础加工石墨膜的厚度范围为0.025mm～0.3mm，优选0.05mm～0.25mm；加工线宽为5～20mm，空余部分线宽不大于5mm。

进一步优选的，所述基础加工石墨膜上下表面绝缘材料层的材料种类相同或不同，为聚酰亚胺单面胶、FR-4板或硅胶中的一种或两种；所述附加绝缘层为聚酰亚胺单面胶、FR-4板或硅胶中的一种；所述绝缘双面胶为耐80℃以上温度的双面胶。

进一步优选的，所述绝缘材料层的厚度范围为0.05mm～0.125mm；所述附加绝缘层的厚度范围为0.05mm～0.125mm；所述绝缘双面胶的厚度不超过0.050mm。

进一步优选的，所述铜箔的厚度范围为20～50μm，宽度大于所述基础加工石墨膜的加工线宽，小于所述基础加工石墨膜的加工线宽与两倍空余部分线宽之和。

更优选的，所述基础加工石墨膜所处平面内，在空余部分填充与基础加工石墨膜厚度相适应的绝缘材料，形成分散或连续的嵌填绝缘区。

本发明还提供上述的新能源电动汽车专用石墨加热片的制备方法，其特征在于：

步骤一、加工制作基础加工石墨膜；

步骤二、在基础加工石墨膜的柔性石墨片的两个端部分别设置铜箔，不接触柔性石墨片的其他部分；

步骤三、用连接件将铜箔柔性石墨片进行固定；

步骤四、在基础加工石墨膜的一侧表面设置一层绝缘材料层；

步骤五、根据需要在基础加工石墨膜的空余部分填充与基础加工石墨膜厚度相适应的绝缘材料，形成分散或连续的嵌填绝缘区；

步骤六、在基础加工石墨膜设置铜箔的一侧敷设另一层绝缘材料层；

步骤七、在至少一侧绝缘材料层之外敷设附加层，自内而外依次敷设绝缘双面胶、附加整片石墨膜和附加绝缘层；

步骤八、进行整体质检，至此，能源电动汽车专用石墨加热片制备完成。

与现有技术相比，本发明的关键点和创新点在于：

1、导电传热快：石墨片本身是一种3C领域常用的均热散热材料，本发明利用其可优异的导电和传热性能，通过简单切割的方法将基础加工石墨膜加工出图形，内部形成弯折连续的传热线路，采用绝缘材料封装后直接使用，升温速度快；

2、加热均匀性好：石墨片材料本身均热散热性能突出，利用其制作的加热片，温度均匀性好，同时进一步采用未加工的附加整片石墨膜作为均热材料贴覆在已加工好的基础加工石墨膜的后方，进一步提高了其温度均匀性；

3、发热线路加工操作简单：本发明加热片的发热线路可通过直接切割形成，方便快捷，对环境无污染，克服现有加热片的发热丝采用合金或金属材料，需刻蚀才能得到线路，不仅操作复杂繁琐，生产用水量大，废水污染物种类多，成分复杂，环境危害大的问题；

4、嵌填绝缘区的应用：嵌填绝缘区填充在基础加工石墨膜的空余部分，与基础加工石墨膜厚度相适应，使整体结构厚度均匀，保证整体连接强度的同时，避免上下层绝缘材料的开裂，加强了基础加工石墨膜的密封性，防止基础加工石墨膜的氧化，延长了使用寿命；

5、连接件的应用：由于石墨膜脆性较大，如何实现石墨膜与铜箔的固定连接是一个难题，本发明提供两种可选的连接件，将铜箔与柔性石墨片的两个端部进行牢固固定，在保证整个加热片传热导电不受影响的前提下，保证了石墨膜完整性和产品的整体性。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明涉及的新能源电动汽车专用石墨加热片的实施例1的结构示意图；

图2为本发明涉及的新能源电动汽车专用石墨加热片的实施例2的结构示意图；

图3为图1和图2的俯视结构示意图；

图4为加工后的基础加工石墨膜的结构示意图；

图5为铜箔临时固定在基础加工石墨膜两个端部的结构示意图；

图6为本发明涉及的一种连接件的结构示意图；

图7为图6的侧视图；

图8为本发明涉及的另一种连接件的结构示意图；

图9为图8的侧视图。

图10为连接电源后新能源电动汽车专用石墨加热片的升温速度示意图；

图11为连接电源后新能源电动汽车专用石墨加热片的红外热成像测试图。

附图标记：1-基础加工石墨膜、2-铜箔、3-绝缘材料层、4-绝缘双面胶、5-附加整片石墨膜、6-附加绝缘层、7-嵌填绝缘区、8-连接件、81-连接金属片、82-焊点、83-螺栓、84-螺母。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的新能源电动汽车专用石墨加热片及其制备方法的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

以下结合三个实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1、图3～图5，所示为实施例1的结构示意图，一种新能源电动汽车专用石墨加热片，包括基础加工石墨膜1，所述基础加工石墨膜1的厚度范围为0.025mm～0.3mm，优选0.05mm～0.25mm，优选尺寸为200mm*200mm*0.025mm，所述基础加工石墨膜1的加工线宽为5～20mm，空余部分线宽不大于5mm，优选线宽为10mm，空余部分为2mm，所述基础加工石墨膜1为加工成连续U型的柔性石墨片，所述柔性石墨片的两个端部分别通过连接件连接有铜箔2，铜箔2作为电极连接电源，共两片，分别敷设在基础加工石墨膜1端部柔性石墨片的上下表面；铜箔2与柔性石墨片的两个端部通过连接件进行硬连接；所述连接件将铜箔2固定在加工成连续U型的柔性石墨片的两个端部的上下表面，不接触柔性石墨片的其他部分。所述铜箔2的厚度范围为20～50μm，优选为25μm，所述铜箔2的宽度大于所述基础加工石墨膜1的加工线宽，小于所述基础加工石墨膜1的加工线宽与两倍空余部分线宽之和，本实施例铜箔的宽度为11mm，所述铜箔2作为电极连接电源。所述基础加工石墨膜1的上下表面分别覆盖有绝缘材料层3，上下表面的绝缘材料层3的材料可以种类相同或不同，为聚酰亚胺单面胶、FR-4板或硅胶中的一种或两种，优选可耐200℃温度，厚度为0.1mm的黑色聚酰亚胺单面胶，所述绝缘材料层3的厚度范围为0.05mm～0.125mm。还可以在所述基础加工石墨膜1所处平面内，在空余部分填充与基础加工石墨膜1厚度相适应的绝缘材料，形成分散或连续的嵌填绝缘区7。

实施例1的新能源电动汽车专用石墨加热片制作如下：

步骤一、加工制作基础加工石墨膜1；

步骤二、在基础加工石墨膜1的柔性石墨片的两个端部分别设置铜箔2，不接触柔性石墨片的其他部分；

步骤三、用连接件将铜箔2柔性石墨片进行固定；

步骤四、在基础加工石墨膜1的一侧表面设置一层绝缘材料层3；

步骤五、根据需要在基础加工石墨膜1的空余部分填充与基础加工石墨膜1厚度相适应的绝缘材料，形成分散或连续的嵌填绝缘区7；

步骤六、在基础加工石墨膜1设置铜箔2的一侧敷设另一层绝缘材料层3；

步骤七、进行整体质检，至此，能源电动汽车专用石墨加热片制备完成。

实施例2

如图2、图3～图5，为实施例2的结构示意图，其在实施例1的基础上，还在至少一侧绝缘材料层3之外敷设附加层，所述附加层自内而外包括绝缘双面胶4、附加整片石墨膜5和附加绝缘层6，所述附加整片石墨膜5为整张的柔性石墨片；所述附加绝缘层6为聚酰亚胺单面胶、FR-4板或硅胶中的一种；所述绝缘双面胶4为耐80℃以上温度的双面胶。述绝缘材料层3的厚度范围为0.05mm～0.125mm；所述附加绝缘层6的厚度范围为0.05mm～0.125mm；所述绝缘双面胶4的厚度不超过0.050mm。其制作方法包括如下步骤：

步骤一、加工制作基础加工石墨膜1，基础加工石墨膜1的尺寸为185mm*175mm*0.1mm；加工线宽为10mm，空余部分为5mm；

步骤二、在基础加工石墨膜1的柔性石墨片的两个端部分别设置铜箔2，不接触柔性石墨片的其他部分，铜箔的宽度为15mm，厚度为25μm；

步骤三、用连接件将铜箔2柔性石墨片进行固定；

步骤四、在基础加工石墨膜1的一侧表面设置一层绝缘材料层3，优选可耐200℃温度，厚度为0.075mm的黑色聚酰亚胺单面胶；

步骤五、根据需要在基础加工石墨膜1的空余部分填充与基础加工石墨膜1厚度相适应的绝缘材料，形成分散或连续的嵌填绝缘区7；

步骤六、在基础加工石墨膜1设置铜箔2的一侧敷设另一层绝缘材料层3；

步骤七、在一侧的绝缘材料层3之外敷设附加层，自内而外依次敷设绝缘双面胶4、附加整片石墨膜5和附加绝缘层6，附加整片石墨膜5尺寸为185mm*175mm*0.025mm；

步骤八、进行整体质检，至此，能源电动汽车专用石墨加热片制备完成。

其中，上述实施例1或实施例2中的连接件可以有两种选择，第一种，如图6和图7所示，连接件为连接金属片81，所述连接金属片81为条带状，上下来回穿透两层铜箔2和中间的基础加工石墨膜1，两个端部与铜箔2焊接固定，所述铜箔2和基础加工石墨膜1上对应位置设用于连接金属片81上下穿连的预留孔。施工时，将基础加工石墨膜1伸长出的一部分打四个预留孔，然后在基础加工石墨膜1上下包裹上电极材料，如铜箔或不锈钢合金等，其余合金材料或铜箔裁剪出合适的刚好能通过预留孔的大小，上下穿带穿过预留孔，最后上下两端在焊点82处焊接固定。

另一种连接件，如图8和图9所示，连接件由螺栓83和螺母84组成，所述螺栓83贯穿上下两层铜箔2和中间的基础加工石墨膜1，两端分设螺母84实现固定连接，所述铜箔2和基础加工石墨膜1上对应位置开螺栓预留孔。制作时，首先在基础加工石墨膜1伸长出的连接部分上打两个螺栓预留孔，然后在基础加工石墨膜1的上下包裹上铜箔、铝箔或不锈钢合金等电极材料，利用螺栓固定即可，也可为铆钉。

对比例

一种现用于动力电池包加热的电加热片，其由上下两层可耐200℃温度，厚度为0.075mm的黑色聚酰亚胺单面胶、中间185mm*175mm*0.1mm的镍合金电路层构成。镍合金电路线宽、间隙以及走向根据实施例1、2试验时采用的80W功率和20V电压设定。

首先将蚀刻好的镍合金电路两极焊接上引线，再在两面封装上黑色聚酰亚胺单面胶，封装好后只裸露两根电极线在外，用以接外部恒压电源。

对2个实施例和1个对比例的加热片连接同一电源，采集加热片中的电压、电流、升温60S后温度、升温80℃耗时以及升温80℃时面温差等试验数据，并进行数据分析，如表1所示为测试结果：

表1. 2个实施例和1个对比例的测试结果

对试验数据进行分析，如图10为连接电源后新能源电动汽车专用石墨加热片两个实施例的平均升温速度示意图，从图中可知，在80W功率时，本发明加热片只需20s就可以升温至80℃-即新能源电动汽车动力电池包加热要求的温度，升温速度快，石墨片本身是一种3C领域常用的均热散热材料，本发明利用其可优异的导电和传热性能，通过简单切割的方法将基础加工石墨膜加工出图形，内部形成弯折连续的传热线路，采用绝缘材料封装后直接使用，升温速度快。

利用红外热成像仪测试80℃时温度情况，如图11所示，从图中看出均匀性极好，石墨片材料本身均热散热性能突出，利用其制作的加热片，温度均匀性好，同时进一步采用未加工的附加整片石墨膜作为均热材料贴覆在已加工好的基础加工石墨膜的后方，进一步提高了其温度均匀性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。