碳纖維散熱技術(shù)催生新一代電動超跑

當電池運作到極限時會有過熱的情況，而電動車內(nèi)部空間有限、沒有足夠的散熱空間，會需要新的熱管理解決方案，以避免電池過熱導致整體系統(tǒng)嚴重損毀。美國業(yè)者Kulr Technology Group開發(fā)了被應用于美國太空總署（NASA）火星任務(wù)的熱管理解決方案，其針對電池與其他電子裝置應用的碳纖維散熱技術(shù)，可望實現(xiàn)新一代的豪華電動超跑。

智能型手機、電動滑板車與電動車等裝置內(nèi)部的鋰電池過熱起火意外時有所聞，也成為電子系統(tǒng)業(yè)者與電池制造商關(guān)注的公共安全問題，也讓市場產(chǎn)生對新一代電池安全技術(shù)與熱管理方案的大量需求（參考圖1）。Kulr Technology Group執(zhí)行長Michael Mo在接受《EE Times》訪問時，特別強調(diào)了該公司與NASA合作開發(fā)的碳纖維技術(shù)，能為“毅力號”（Perseverance）火星探測器內(nèi)的敏感電子組件調(diào)節(jié)極端溫度。

美國硅谷電動車業(yè)者Drako Motors也采用了Kulr Technology Group的碳纖維散熱技術(shù)，將為其電動車平臺──可提供1，200匹馬力的Drako GTE──解決熱管理難題以提升性能，催生新一代電動超跑。

圖1：熱管理材料與裝置市場。

電子（electron）通過導體與半導體時會產(chǎn)生大量的熱，對于電路的最終性能會帶來負面影響；最近幾十年來，電子系統(tǒng)內(nèi)的功率密度顯著增加，但系統(tǒng)尺寸卻持續(xù)縮小，升高了電路發(fā)熱問題，因此功率組件的溫度管理仍是非常關(guān)鍵的要素。

高功率零組件之間的數(shù)個界面會產(chǎn)生熱，散熱片（heat sinks）本身也會；因為微米（micro）等級的表面粗糙度，兩個表面之間的最小接觸區(qū)域（接口）也可能帶來熱管理問題。因為氣隙（air voids）的熱傳導性低，會降低界面之間的導熱。對此Mo表示：“Kulr的解決方案旨在增加兩個表面之間的接觸面，借此降低界面的熱阻（thermal resistance）。

溫度會改變電氣/電子組件的可靠性與耐用度，一臺裝置出現(xiàn)故障往往是因為熱的問題。高溫不只會讓系統(tǒng)運作不穩(wěn)定，也會減少零組件的平均使用壽命，并使其性能退化。為此首要采取的預防措施，是為電氣/電子電路散熱。散熱片的熱傳導效率與散熱片之間的熱阻以及周圍空間有關(guān)，也是散熱材料性能的評估基準。

理想的散熱片材料必須具備高導熱率，較低的熱膨脹系數(shù)（thermal expansion coefficient），以及較低的密度與成本。而發(fā)熱量取決于功率大小以及電路設(shè)計，優(yōu)化的電路布局應該提供優(yōu)異的空氣流通效果以及明智的零件擺放方式，并考慮電路的規(guī)格。

圖2：碳纖維材料。

Kulr將相變化材料以及垂直排列的碳纖維──碳纖維導熱界面（fiber thermal interface，F(xiàn)TI）──運用于電子組件與鋰離子電池，提供電動交通工具、能源儲存、電池安全、5G基礎(chǔ)建設(shè)、云端運算與航天/國防應用（參考圖2）。碳纖維除了有散熱效果，在降低尺寸、重量以及制造復雜性方面也具備優(yōu)勢。Kular已經(jīng)開發(fā)專利制造技術(shù)，能在基底材料上組合出5~10微米的碳纖維絨面，外觀與觸感就像是黑色絲絨。

為電動超跑打造散熱方案

Drako GTE電動車平臺的電池能產(chǎn)生1，800A連續(xù)輸出功率、2，200A峰值功率，支持MW （megawatt）等級功率輸出以及所需散熱能力，以實現(xiàn)賽道競技等級的跑車性能。Mo指出，電動超跑設(shè)計需要支持相當高的功率，同時維持有限的散熱空間，因此熱傳導接口扮演要角。將運用于太空高溫環(huán)境的科技導入電動車，可支持更高功率同時確保恰當散熱、避免過熱。

“不過我們有一些需要克服的挑戰(zhàn)：最大的問題是消費性市場對價格非常敏感，會尋求既具成本效益又具備高熱傳導性能的方案?！盡o并進一步介紹其FTI系列解決方案，包括Alcor與Mizar材料：“Alcor的密度為《 0.7 g/cm 3，觸點壓力（contact pressure）非常低，可實現(xiàn)低熱阻；Mizar FTI材料則能為電路板布局提升功率密度，減輕機械應力，從而提升整體系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性與可靠度?！?/p>

Kulr還有專為航天國防應用的熱管理問題開發(fā)之ARA解決方案，以及可做為鋰離子電池散熱片、避免熱失控（thermal runaway propagation，TRP）問題的HYDRA解決方案，后者對電動車來說非常重要。電池組內(nèi)的短路可能導致熱失控，使得電池芯周遭溫度升高而造成起火；而周遭溫度升高也可能會讓電池芯故障。Mo表示：“HYDRA旨在避免相鄰的電池芯溫度升高到100°C以上，并因此避免熱失控?！?/p>

圖3：HYDRA可避免熱失控。

通常熱失控是由過電流或過高的環(huán)境溫度造成，會有幾個發(fā)展階段：首先溫度達到90~100°C時，產(chǎn)生的熱量會導致電池內(nèi)的有機溶劑破裂、溢出氣體并升高電池芯內(nèi)部壓力。因為缺乏氧氣，溢出的氣體不會被點燃起火，但如果溫度持續(xù)上升，超過135°C，隔離膜會熔化并導致電池陰陽極之間的短路；溫度達200°C，金屬氧化物陰極會破裂并釋出氧氣，使得電解質(zhì)與氫氣開始燃燒。

為支援電池測試，Kulr也開發(fā)了LYRA內(nèi)部短路（internal short circuit，ISC）觸發(fā)電池（trigger cell），以判斷電池芯的故障狀況，進一步研究故障模式以及電池組內(nèi)部可能產(chǎn)生的安全性議題。

有鑒于業(yè)界對于電池動力電動車的興趣穩(wěn)定升高，現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)還包括快速充電站的普及度、電池充電時間如何縮短等等；這些都會為讓電動車動力系統(tǒng)的熱管理問題更為顯著，也讓散熱解決方案成為開發(fā)電動車不可或缺的元素。
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