電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心的熱管理的未來(lái)

在電動(dòng)車(EV)技術(shù)發(fā)展中，電池的角色至關(guān)重要。然而，為了實(shí)現(xiàn)整車性能的最優(yōu)化，動(dòng)力系統(tǒng)的綜合考量和對(duì)乘客艙溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)同作用不容忽視。其中，電機(jī)和電力電子設(shè)備的熱管理同電池的重要性不相上下。

過往，電動(dòng)車市場(chǎng)主要采用被動(dòng)冷卻或強(qiáng)迫空氣冷卻電池技術(shù)，如今這一趨勢(shì)已轉(zhuǎn)向利用冷板和冷卻通道的液體冷卻。據(jù)研究，95%的電動(dòng)汽車市場(chǎng)已采納該技術(shù)。進(jìn)一步來(lái)看，以單體直接組裝(cell-to-pack)和單體直接車身(cell-to-body)為代表的電池集成設(shè)計(jì)，由于傾向于使用大型單體，減少了冷板設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。比如，比亞迪的刀片電池組只需單一大型冷板即可。特斯拉的4680電池包因單體數(shù)量減少，降低了對(duì)冷卻通道的需求。

與此同時(shí)，熱界面材料(TIM)的應(yīng)用也隨之變革，不僅使用量減少，單體可直接與冷板粘合，要求TIM具備更強(qiáng)粘接能力。IDTechEx調(diào)研指出，盡管TIM用量下降，但熱導(dǎo)性粘合劑的成本超過傳統(tǒng)填充材料，可保持相似的單車收入水平。預(yù)計(jì)未來(lái)十年，隨著電動(dòng)車市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)展，TIM的年收益將比去年增長(zhǎng)5.6倍。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，則面臨著不同的熱管理挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)水套冷卻逐步被油冷取代，這有助于直接將冷卻劑與電機(jī)繞組接觸，并在去除水套的同時(shí)減少電機(jī)尺寸。據(jù)預(yù)計(jì)，在2023年上半年，油冷電動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)的占比將達(dá)到65%。考慮到未來(lái)的成本與性能需求，油冷技術(shù)在市場(chǎng)中的優(yōu)勢(shì)將更為顯著。

同樣，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向油冷，電力電子裝置也可能出現(xiàn)同樣趨勢(shì)，尤其是那些采用碳化硅技術(shù)的裝置。與硅IGBT相比，SiC制品在MOSFETs上產(chǎn)生了更高的熱通量。標(biāo)準(zhǔn)做法是，逆變器和電機(jī)在同一水循環(huán)系統(tǒng)中共享冷卻?？紤]到更有效的熱接觸，采用油冷卻逆變器芯片的方案已出現(xiàn)，但這可能意味著驅(qū)動(dòng)裝置中的水循環(huán)系統(tǒng)被淘汰。盡管目前尚未大規(guī)模采用這種方法，但隨著SiC技術(shù)的普及及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整合度的提高，相應(yīng)的應(yīng)用案例有望在本十年末出現(xiàn)。

EV火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)仍然是業(yè)界和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。盡管統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示EV的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于燃油車，但火災(zāi)一旦發(fā)生，由于電池的易燃化學(xué)品和熱失控現(xiàn)象，可能導(dǎo)致火災(zāi)難以控制。因應(yīng)此風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)計(jì)至2033年EV防火材料市場(chǎng)需求或?qū)⒈热ツ暝鲩L(zhǎng)13倍。

對(duì)此，全球各地區(qū)的監(jiān)管進(jìn)展緩慢。中國(guó)率先（自2021年1月1日起）要求在熱事件發(fā)生后5分鐘內(nèi)提醒乘客，以便及時(shí)撤離。在科技發(fā)展的快速變化下，各地制定的規(guī)定仍在追趕中。無(wú)論規(guī)制如何發(fā)展，壓力始終在于要求汽車制造商提供更有效的檢測(cè)和防火手段。

在熱管理材料的選擇上，市場(chǎng)主要采用云母片或陶瓷毯，為電池組提供電隔離和火防保護(hù)。特斯拉Model 3首發(fā)時(shí)應(yīng)用的環(huán)氧封裝技術(shù)，消除電池組內(nèi)的氧氣，同樣增強(qiáng)了防火安全。

另一個(gè)熱管理挑戰(zhàn)來(lái)自數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。隨著GPU熱設(shè)計(jì)功率在17年內(nèi)增長(zhǎng)了四倍，傳統(tǒng)的風(fēng)扇和空調(diào)冷卻方法已難以應(yīng)對(duì)，液體冷卻因此成為替代方案。這一方法不僅提升了冷卻效率，也有助于實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)的無(wú)縫銜接。在液體冷卻領(lǐng)域的工業(yè)合作日益加深，IDTechEx預(yù)計(jì)到2033年數(shù)據(jù)中心液體冷卻市場(chǎng)規(guī)模將超過9億美元。

數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)車領(lǐng)域的浸沒式冷卻尚處在起步階段。雖然批評(píng)不斷，卻出現(xiàn)了以微軟Azure服務(wù)使用兩相浸沒式冷卻試點(diǎn)，以及Meta在2022年與Iceotope合作，將標(biāo)準(zhǔn)高密度儲(chǔ)存從空氣冷卻轉(zhuǎn)變到單相浸沒冷卻。另外，領(lǐng)先的加密貨幣挖礦解決方案提供商Minerbase在2023年5月推出一個(gè)浸沒式冷卻數(shù)據(jù)中心，等等的標(biāo)志性的合作項(xiàng)目。隨著對(duì)高性能計(jì)算需求的增長(zhǎng)，浸沒式冷卻預(yù)計(jì)將在冷卻劑供應(yīng)商、硬件制造商及最終用戶中迎來(lái)市場(chǎng)機(jī)遇。

在電動(dòng)車電池領(lǐng)域，盡管浸沒式冷卻技術(shù)提高了熱均衡性，省去了冷板和TIMs的需要，但由于液體的熱導(dǎo)率低及電池密封難度等因素，其應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)僅在特殊領(lǐng)域（如高性能或高成本的電動(dòng)車）采用。盡管如此，隨著電動(dòng)車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，IDTechEx預(yù)測(cè)到2027年，浸沒式冷卻液體的需求將比去年增長(zhǎng)8倍。