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美国业者开发的热管理方案将进驻新型电动超跑

时间:2021-03-23 作者:Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times欧洲特派记者 阅读:
美国业者Kulr Technology Group开发了被应用于美国太空总署(NASA)火星任务的热管理解决方案,其针对电池与其他电子设备应用的碳纤维散热技术,可望实现新一代的豪华电动超跑。
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当电池运作到极限时会有过热的情况,而电动车内部空间有限、没有足够的散热空间,会需要新的热管理解决方案,以避免电池过热导致整体系统严重损毁。美国业者Kulr Technology Group开发了被应用于美国太空总署(NASA)火星任务的热管理解决方案,其针对电池与其他电子设备应用的碳纤维散热技术,可望实现新一代的豪华电动超跑。

智能手机、电动滑板车与电动车等设备内部的锂电池过热起火意外时有所闻,也成为电子系统业者与电池制造商关注的公共安全问题,也让市场产生对新一代电池安全技术与热管理方案的大量需求(参考图1)。Kulr Technology Group执行长Michael Mo在接受《EE Times》访问时,特别强调了该公司与NASA合作开发的碳纤维技术,能为“毅力号”(Perseverance)火星探测器内的敏感电子组件调节极端温度。

美国硅谷电动车业者Drako Motors也采用了Kulr Technology Group的碳纤维散热技术,将为其电动车平台──可提供1,200匹马力的Drako GTE──解决热管理难题以提升性能,催生新一代电动超跑。

图1:热管理材料与设备市场。

电子(electron)通过导体与半导体时会产生大量的热,对于电路的最终性能会带来负面影响;最近几十年来,电子系统内的功率密度显著增加,但系统尺寸却持续缩小,升高了电路发热问题,因此功率组件的温度管理仍是非常关键的要素。

高功率零组件之间的数个接口会产生热,散热片(heat sinks)本身也会;因为微米(micro)等级的表面粗糙度,两个表面之间的最小接触区域(接口)也可能带来热管理问题。因为气隙(air voids)的热传导性低,会降低接口之间的导热。对此Mo表示:“Kulr的解决方案旨在增加两个表面之间的接触面,藉此降低接口的热阻(thermal resistance)。”

温度会改变电气/电子组件的可靠性与耐用度,一台设备出现故障往往是因为热的问题。高温不只会让系统运作不稳定,也会减少零组件的平均使用寿命,并使其性能退化。为此首要采取的预防措施,是为电气/电子电路散热。散热片的热传导效率与散热片之间的热阻以及周围空间有关,也是散热材料性能的评估基准。

理想的散热片材料必须具备高导热率,较低的热膨胀系数(thermal expansion coefficient),以及较低的密度与成本。而发热量取决于功率大小以及电路设计,优化的电路布局应该提供优异的空气流通效果以及明智的零件摆放方式,并考虑电路的规格。

图2:碳纤维材料。

(图片来源:Kulr)

Kulr将相变化材料以及垂直排列的碳纤维──碳纤维导热接口(fiber thermal interface,FTI)──运用于电子组件与锂离子电池,提供电动交通工具、能源储存、电池安全、5G基础建设、云端运算与航天/国防应用(参考图2)。碳纤维除了有散热效果,在降低尺寸、重量以及制造复杂性方面也具备优势。Kular已经开发专利制造技术,能在基底材料上组合出5~10微米的碳纤维绒面,外观与触感就像是黑色丝绒。

为电动超跑打造散热方案

Drako GTE电动车平台的电池能产生1,800A连续输出功率、2,200A峰值功率,支持MW (megawatt)等级功率输出以及所需散热能力,以实现赛道竞技等级的跑车性能。Mo指出,电动超跑设计需要支持相当高的功率,同时维持有限的散热空间,因此热传导接口扮演要角。将运用于太空高温环境的科技导入电动车,可支持更高功率同时确保恰当散热、避免过热。

“不过我们有一些需要克服的挑战:最大的问题是消费性市场对价格非常敏感,会寻求既具成本效益又具备高热传导性能的方案。”Mo并进一步介绍其FTI系列解决方案,包括Alcor与Mizar材料:“Alcor的密度为< 0.7 g/cm3,触点压力(contact pressure)非常低,可实现低热阻;Mizar FTI材料则能为电路板布局提升功率密度,减轻机械应力,从而提升整体系统的热稳定性与可靠度。”

Kulr还有专为航天国防应用的热管理问题开发之ARA解决方案,以及可做为锂离子电池散热片、避免热失控(thermal runaway propagation,TRP)问题的HYDRA解决方案,后者对电动车来说非常重要。电池组内的短路可能导致热失控,使得电池芯周遭温度升高而造成起火;而周遭温度升高也可能会让电池芯故障。Mo表示:“HYDRA旨在避免相邻的电池芯温度升高到100°C以上 ,并因此避免热失控。”

图3:HYDRA可避免热失控。

(图片来源:Kulr)

通常热失控是由过电流或过高的环境温度造成,会有几个发展阶段:首先温度达到90~100°C时,产生的热量会导致电池内的有机溶剂破裂、溢出气体并升高电池芯内部压力。因为缺乏氧气,溢出的气体不会被点燃起火,但如果温度持续上升,超过135°C,隔离膜会熔化并导致电池阴阳极之间的短路;温度达200°C,金属氧化物阴极会破裂并释出氧气,使得电解质与氢气开始燃烧。

为支持电池测试,Kulr也开发了LYRA内部短路(internal short circuit,ISC)触发电池(trigger cell),以判断电池芯的故障状况,进一步研究故障模式以及电池组内部可能产生的安全性议题。

有鉴于业界对于电池动力电动车的兴趣稳定升高,现实世界的挑战还包括快速充电站的普及度、电池充电时间如何缩短等等;这些都会为让电动车动力系统的热管理问题更为显著,也让散热解决方案成为开发电动车不可或缺的元素。

编译:Judith Cheng

责编:Yvonne Geng

(参考原文:Thermal Management Interfaces from Mars Perseverance to EV,By Maurizio Di Paolo Emilio)

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