上了火星的熱管理方案將進駐新型電動超跑

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

美國業者Kulr Technology Group開發了被應用於美國太空總署(NASA)火星任務的熱管理解決方案,其針對電池與其他電子裝置應用的碳纖維散熱技術,可望實現新一代的豪華電動超跑。

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嚴重損毀。美國業者Kulr Technology Group開發了被應用於美國太空總署(NASA)火星任務的熱管理解決方案,其針對電池與其他電子裝置應用的碳纖維散熱技術,可望實現新一代的豪華電動超跑。

智慧型手機、電動滑板車與電動車等裝置內部的鋰電池過熱起火意外時有所聞,也成為電子系統業者與電池製造商關注的公共安全問題,也讓市場產生對新一代電池安全技術與熱管理方案的大量需求(參考圖1)。Kulr Technology Group執行長Michael Mo在接受《EE Times》訪問時,特別強調了該公司與NASA合作開發的碳纖維技術,能為「毅力號」(Perseverance)火星探測器內的敏感電子元件調節極端溫度。

美國矽谷電動車業者Drako Motors也採用了Kulr Technology Group的碳纖維散熱技術,將為其電動車平台──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生大量的熱,對於電路的最終性能會帶來負面影響;最近幾十年來,電子系統內的功率密度顯著增加,但系統尺寸卻持續縮小,升高了電路發熱問題,因此功率元件的溫度管理仍是非常關鍵的要素。

高功率零組件之間的數個介面會產生熱,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域(介面)也可能帶來熱管理問題。因為氣隙(air voids)的熱傳導性低,會降低介面之間的導熱。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,藉此降低介面的熱阻(thermal resistance)。

溫度會改變電氣/電子元件的可靠性與耐用度,一台裝置出現故障往往是因為熱的問題。高溫不只會讓系統運作不穩定,也會減少零組件的平均使用壽命,並使其性能退化。為此首要採取的預防措施,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,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,較低的熱膨脹係數(thermal expansion coefficient),以及較低的密度與成本。而發熱量取決於功率大小以及電路設計,最佳化的電路佈局應該提供優異的空氣流通效果以及明智的零件擺放方式,並考量電路的規格。

 

圖2:碳纖維材料。

(圖片來源:Kulr)

 

Kulr將相變化材料以及垂直排列的碳纖維──碳纖維導熱介面(fiber thermal interface,FTI)──運用於電子元件與鋰離子電池,提供電動交通工具、能源儲存、電池安全、5G基礎建設、雲端運算與航太/國防應用(參考圖2)。碳纖維除了有散熱效果,在降低尺寸、重量以及製造複雜性方面也具備優勢。Kular已經開發專利製造技術,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電動車平台的電池能產生1,800A連續輸出功率、2,200A峰值功率,支援MW (megawatt)等級功率輸出以及所需散熱能力,以實現賽道競技等級的跑車性能。Mo指出,電動超跑設計需要支援相當高的功率,同時維持有限的散熱空間,因此熱傳導介面扮演要角。將運用於太空高溫環境的科技導入電動車,可支援更高功率同時確保恰當散熱、避免過熱。


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「不過我們有一些需要克服的挑戰: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。」Mo並進一步介紹其FTI系列解決方案,包括Alcor與Mizar材料:「Alcor的密度為< 0.7 g/cm3,觸點壓力(contact pressure)非常低,可實現低熱阻;Mizar FTI材料則能為電路板佈局提升功率密度,減輕機械應力,從而提升整體系統的熱穩定性與可靠度。」

Kulr還有專為航太國防應用的熱管理問題開發之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,後者對電動車來說非常重要。電池組內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 ,並因此避免熱失控。」

 

圖3:HYDRA可避免熱失控。

(圖片來源:Kulr)

 

通常熱失控是由過電流或過高的環境溫度造成,會有幾個發展階段:首先溫度達到90~100°C時,產生的熱量會導致電池內的有機溶劑破裂、溢出氣體並升高電池芯內部壓力。因為缺乏氧氣,溢出的氣體不會被點燃起火,但如果溫度持續上升,超過135°C,隔離膜會熔化並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並釋出氧氣,使得電解質與氫氣開始燃燒。

為支援電池測試,Kulr也開發了LYRA內部短路(internal short circuit,ISC)觸發電池(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部可能產生的安全性議題。

有鑑於業界對於電池動力電動車的興趣穩定升高,現實世界的挑戰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的熱管理問題更為顯著,也讓散熱解決方案成為開發電動車不可或缺的元素。

 

編譯:Judith Cheng

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

 

 

 

 

 

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