碳纖維散熱技術(shù)催生新一代電動(dòng)超跑

當(dāng)電池運(yùn)作到極限時(shí)會(huì)有過熱的情況，而電動(dòng)車內(nèi)部空間有限、沒有足夠的散熱空間，會(huì)需要新的熱管理解決方案，以避免電池過熱導(dǎo)致整體系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p毀。美國業(yè)者Kulr Technology Group開發(fā)了被應(yīng)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(duì)電池與其他電子裝置應(yīng)用的碳纖維散熱技術(shù)，可望實(shí)現(xiàn)新一代的豪華電動(dòng)超跑。

智能型手機(jī)、電動(dòng)滑板車與電動(dòng)車等裝置內(nèi)部的鋰電池過熱起火意外時(shí)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(duì)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(shí)，特別強(qiáng)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(hào)”（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(dòng)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(dòng)車平臺(tái)──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(dòng)超跑。

圖1：熱管理材料與裝置市場。

電子（electron）通過導(dǎo)體與半導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，對(duì)于電路的最終性能會(huì)帶來負(fù)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(gè)界面會(huì)產(chǎn)生熱，散熱片（heat sinks）本身也會(huì)；因?yàn)槲⒚祝╩icro）等級(jí)的表面粗糙度，兩個(gè)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?yàn)闅庀叮?a href="http://ttokpm.com/tags/ai/" target="_blank">air voids）的熱傳導(dǎo)性低，會(huì)降低界面之間的導(dǎo)熱。對(duì)此Mo表示：“Kulr的解決方案旨在增加兩個(gè)表面之間的接觸面，借此降低界面的熱阻（thermal resistance）。

溫度會(huì)改變電氣/電子組件的可靠性與耐用度，一臺(tái)裝置出現(xiàn)故障往往是因?yàn)闊岬膯栴}。高溫不只會(huì)讓系統(tǒng)運(yùn)作不穩(wěn)定，也會(huì)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(yù)防措施，是為電氣/電子電路散熱。散熱片的熱傳導(dǎo)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(píng)估基準(zhǔn)。

理想的散熱片材料必須具備高導(dǎo)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(jì)，優(yōu)化的電路布局應(yīng)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(dǎo)熱界面（fiber thermal interface，F(xiàn)TI）──運(yùn)用于電子組件與鋰離子電池，提供電動(dòng)交通工具、能源儲(chǔ)存、電池安全、5G基礎(chǔ)建設(shè)、云端運(yùn)算與航天/國防應(yīng)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(fù)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(dòng)超跑打造散熱方案

Drako GTE電動(dòng)車平臺(tái)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(jí)功率輸出以及所需散熱能力，以實(shí)現(xiàn)賽道競技等級(jí)的跑車性能。Mo指出，電動(dòng)超跑設(shè)計(jì)需要支持相當(dāng)高的功率，同時(shí)維持有限的散熱空間，因此熱傳導(dǎo)接口扮演要角。將運(yùn)用于太空高溫環(huán)境的科技導(dǎo)入電動(dòng)車，可支持更高功率同時(shí)確保恰當(dāng)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(fèi)性市場對(duì)價(jià)格非常敏感，會(huì)尋求既具成本效益又具備高熱傳導(dǎo)性能的方案?！盡o并進(jìn)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(diǎn)壓力（contact pressure）非常低，可實(shí)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(jī)械應(yīng)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(yīng)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(duì)電動(dòng)車來說非常重要。電池組內(nèi)的短路可能導(dǎo)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(huì)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(huì)有幾個(gè)發(fā)展階段：首先溫度達(dá)到90~100°C時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)的有機(jī)溶劑破裂、溢出氣體并升高電池芯內(nèi)部壓力。因?yàn)槿狈ρ鯕猓绯龅臍怏w不會(huì)被點(diǎn)燃起火，但如果溫度持續(xù)上升，超過135°C，隔離膜會(huì)熔化并導(dǎo)致電池陰陽極之間的短路；溫度達(dá)200°C，金屬氧化物陰極會(huì)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(jìn)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(duì)于電池動(dòng)力電動(dòng)車的興趣穩(wěn)定升高，現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)還包括快速充電站的普及度、電池充電時(shí)間如何縮短等等；這些都會(huì)為讓電動(dòng)車動(dòng)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(dòng)車不可或缺的元素。
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