从 Mars Perseverance 到EV的热管理接口

当达到极限时，电池可能会过热。电动汽车缺乏空间和足够的通风面积，正将热管理的设计导向新的解决方案，以便电池不会过热并对整个系统造成极端损坏。Kulr Technology Group 正在开发、制造和许可用于电池和其他电子设备的碳纤维热技术，以保持它们的凉爽。

涉及悬浮滑板、智能手机和电动汽车的锂电池火灾事故是电子产品和电池制造商面临的严重公共安全问题，导致对改进电池安全技术和热管理解决方案的需求激增（图 1）。

在接受 EE Times 采访时，Kulr Technology Group 首席执行官 Michael Mo 强调了 Drako Motors 将如何采用该公司与 NASA 合作设计的碳纤维技术，以调节太空中敏感组件的极端温度以完成 Persevarance 任务用于新型超高性能电动超级跑车。Drako GTE 设计了 1，200 马力的架构，是一个 EV 平台，它突出了热管理的困难，从而突出了可以提高性能的新解决方案的重要性。

图 1：热管理材料和设备市场

热管理

我们看到电力电子领域发生了变化，汽车行业正在向车辆电气化迈进，而 5G 通信技术的出现将加速云计算的发展。这些应用需要更多用于电池和其他动力系统的电源和热管理解决方案或冷却技术。

当电子通过导体和半导体时会产生大量热量，并对电路的最终性能产生负面影响。近几十年来，电子设备的功率密度显着增加。减小器件尺寸的趋势增加了电子电路中的热问题。因此，功率器件中的温度管理仍然是一个极其关键的因素。

高功率组件之间的几个接口会产生热量，而散热器本身也会产生热量。由于微观表面粗糙度，在两个表面（界面）之间产生的最小接触面积可能会引起热管理问题。这减少了跨界面的热传导，因为空气空隙具有低热导率。表面不规则是造成接触热阻的主要原因。“Kulr 解决方案的目标是增加两个表面之间的接触，从而降低界面的热阻，”Michael Mo 说。

温度会改变电气和电子元件的可靠性和耐用性。设备故障通常是由热问题引起的。高温不仅使系统工作不稳定，而且会降低部件的平均寿命，从而导致其劣化。

要采取的第一个预防措施是采用并实施一种策略来散发电气和电子电路的热量。散热器的传热效率与散热器与周围空间之间的热阻有关。它衡量材料散热的能力。理想的散热材料必须具有高导热性、低热膨胀系数、低密度和低成本。

热量取决于功率和电路设计。考虑到电路的规格，电路上电子元件的最佳布置应提供良好的空气流通和部件的智能放置。

图 2：碳纤维材料（来源：Kulr）

热界面材料

Kulr 正在将具有垂直排列的碳纤维（碳纤维热界面 - FTI）的相变材料用于电子和锂离子电池，以服务于电动交通、储能、电池安全、5G 基础设施、云计算以及航空航天和国防领域应用（图 2）。

碳纤维可以散热，同时减小尺寸、重量和制造复杂性。Kulr 开发了一种专有制造技术，可以将 5 到 10 微米的碳纤维束以一种看起来和感觉像黑色天鹅绒的方式组织到基材上。

Drako GTE 中的电池能够产生 1，800 连续电流和 2，200 峰值电流，旨在提供兆瓦级的功率输出和冷却能力，以承受各种世界赛道上的赛道级运动表现。

Michael Mo 指出，生产电动超级跑车需要用到极高的功率，并且通过保持有限的散热器空间，热界面具有其重要性。将在高温太空环境中使用的技术，让电动交通工具支持更多的电力，从而确保适当的散热并避免过热。“但我们有一些挑战需要解决：消费者世界正在寻找的最大的事情是非常具有成本效益的价格和高导热性能，”Michael Mo 说。

Michael Mo 解释说，FTI 解决方案系列特别包括 Alcor 和 Mizar FTI 材料。他补充说：“ALCOR 的密度小于 0.7 g/cm^3，接触压力非常低，可实现低热阻。MIZAR FTI 增加了电路板布局的功率密度并减轻了机械应力——从而整体提高了热稳定性和可靠性”。

ARA 是 Kulr 的另一个解决方案，旨在解决航空航天和国防工业中的热管理问题，因为它具有经实验证明在小温度范围内有效的热能力。它可用于在短时间内具有大量计算能力的系统。Michael Mo 表示，他们开发了一种专有的高导热纤维芯材料，以提供太空所需的良好性能。

HYDRA 是另一种解决方案，可用作锂离子电池的散热器并防止热失控传播 （TRP）：电动汽车中的一个重要参数（图 3）。电池组中的短路会导致热失控，因此会引起火灾和材料燃烧，从而使相邻电池的温度升高。温度升高增加了相邻电池短路的可能性。“Hydra 旨在防止相邻电池的温度升至 100 °C 以上，从而防止热失控，”Michael Mo 说。

图 3：HYDRA TRS 的示例性能（来源：Kulr）

通常，热失控是由过大的电流或环境温度过高引起的，并经过几个阶段发展：从大约 90-100°C 的温度开始，产生的热量使有机溶剂破裂，从而释放出气体和增加细胞内的压力。尽管如此，由于缺乏氧气，气体不会点燃。但是，如果温度继续升高，超过 135°C，隔膜会熔化并导致正负极之间短路，导致金属氧化物阴极在 200°C 时破裂并释放出氧气。这允许电解液和氢气燃烧。

作为电池测试的一部分，Kulr 开发了 LYRA 内部短路 （ISC） 触发电池，以识别电池的故障条件，以研究电池组内可能出现的故障模式和安全问题。

对纯电动汽车的兴趣正在稳步增长。真正的挑战是提供快速充电站，从而减少电池充电时间。这将导致动力总成系统的热量显着增加，从而实现受控的热管理以优化热流。　　

      审核编辑：彭静