當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，電池可能會(huì)過熱。電動(dòng)汽車缺乏空間和足夠的通風(fēng)面積，正將熱管理的設(shè)計(jì)導(dǎo)向新的解決方案，以便電池不會(huì)過熱并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成極端損壞。Kulr Technology Group 正在開發(fā)、制造和許可用于電池和其他電子設(shè)備的碳纖維熱技術(shù)，以保持它們的涼爽。

涉及懸浮滑板、智能手機(jī)和電動(dòng)汽車的鋰電池火災(zāi)事故是電子產(chǎn)品和電池制造商面臨的嚴(yán)重公共安全問題，導(dǎo)致對(duì)改進(jìn)電池安全技術(shù)和熱管理解決方案的需求激增（圖 1）。

在接受 EE Times 采訪時(shí)，Kulr Technology Group 首席執(zhí)行官 Michael Mo 強(qiáng)調(diào)了 Drako Motors 將如何采用該公司與 NASA 合作設(shè)計(jì)的碳纖維技術(shù)，以調(diào)節(jié)太空中敏感組件的極端溫度以完成 Persevarance 任務(wù)用于新型超高性能電動(dòng)超級(jí)跑車。Drako GTE 設(shè)計(jì)了 1，200 馬力的架構(gòu)，是一個(gè) EV 平臺(tái)，它突出了熱管理的困難，從而突出了可以提高性能的新解決方案的重要性。

圖 1：熱管理材料和設(shè)備市場(chǎng)

熱管理

我們看到電力電子領(lǐng)域發(fā)生了變化，汽車行業(yè)正在向車輛電氣化邁進(jìn)，而 5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)將加速云計(jì)算的發(fā)展。這些應(yīng)用需要更多用于電池和其他動(dòng)力系統(tǒng)的電源和熱管理解決方案或冷卻技術(shù)。

當(dāng)電子通過導(dǎo)體和半導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，并對(duì)電路的最終性能產(chǎn)生負(fù)面影響。近幾十年來，電子設(shè)備的功率密度顯著增加。減小器件尺寸的趨勢(shì)增加了電子電路中的熱問題。因此，功率器件中的溫度管理仍然是一個(gè)極其關(guān)鍵的因素。

高功率組件之間的幾個(gè)接口會(huì)產(chǎn)生熱量，而散熱器本身也會(huì)產(chǎn)生熱量。由于微觀表面粗糙度，在兩個(gè)表面（界面）之間產(chǎn)生的最小接觸面積可能會(huì)引起熱管理問題。這減少了跨界面的熱傳導(dǎo)，因?yàn)榭諝饪障毒哂械蜔釋?dǎo)率。表面不規(guī)則是造成接觸熱阻的主要原因?！癒ulr 解決方案的目標(biāo)是增加兩個(gè)表面之間的接觸，從而降低界面的熱阻，”Michael Mo 說。

溫度會(huì)改變電氣和電子元件的可靠性和耐用性。設(shè)備故障通常是由熱問題引起的。高溫不僅使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，而且會(huì)降低部件的平均壽命，從而導(dǎo)致其劣化。

要采取的第一個(gè)預(yù)防措施是采用并實(shí)施一種策略來散發(fā)電氣和電子電路的熱量。散熱器的傳熱效率與散熱器與周圍空間之間的熱阻有關(guān)。它衡量材料散熱的能力。理想的散熱材料必須具有高導(dǎo)熱性、低熱膨脹系數(shù)、低密度和低成本。

熱量取決于功率和電路設(shè)計(jì)?？紤]到電路的規(guī)格，電路上電子元件的最佳布置應(yīng)提供良好的空氣流通和部件的智能放置。

圖 2：碳纖維材料（來源：Kulr）

熱界面材料

Kulr 正在將具有垂直排列的碳纖維（碳纖維熱界面 - FTI）的相變材料用于電子和鋰離子電池，以服務(wù)于電動(dòng)交通、儲(chǔ)能、電池安全、5G 基礎(chǔ)設(shè)施、云計(jì)算以及航空航天和國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用（圖 2）。

碳纖維可以散熱，同時(shí)減小尺寸、重量和制造復(fù)雜性。Kulr 開發(fā)了一種專有制造技術(shù)，可以將 5 到 10 微米的碳纖維束以一種看起來和感覺像黑色天鵝絨的方式組織到基材上。

Drako GTE 中的電池能夠產(chǎn)生 1，800 連續(xù)電流和 2，200 峰值電流，旨在提供兆瓦級(jí)的功率輸出和冷卻能力，以承受各種世界賽道上的賽道級(jí)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

Michael Mo 指出，生產(chǎn)電動(dòng)超級(jí)跑車需要用到極高的功率，并且通過保持有限的散熱器空間，熱界面具有其重要性。將在高溫太空環(huán)境中使用的技術(shù)，讓電動(dòng)交通工具支持更多的電力，從而確保適當(dāng)?shù)纳岵⒈苊膺^熱?！暗覀冇幸恍┨魬?zhàn)需要解決：消費(fèi)者世界正在尋找的最大的事情是非常具有成本效益的價(jià)格和高導(dǎo)熱性能，”Michael Mo 說。

Michael Mo 解釋說，F(xiàn)TI 解決方案系列特別包括 Alcor 和 Mizar FTI 材料。他補(bǔ)充說：“ALCOR 的密度小于 0.7 g/cm^3，接觸壓力非常低，可實(shí)現(xiàn)低熱阻。MIZAR FTI 增加了電路板布局的功率密度并減輕了機(jī)械應(yīng)力——從而整體提高了熱穩(wěn)定性和可靠性”。

ARA 是 Kulr 的另一個(gè)解決方案，旨在解決航空航天和國(guó)防工業(yè)中的熱管理問題，因?yàn)樗哂薪?jīng)實(shí)驗(yàn)證明在小溫度范圍內(nèi)有效的熱能力。它可用于在短時(shí)間內(nèi)具有大量計(jì)算能力的系統(tǒng)。Michael Mo 表示，他們開發(fā)了一種專有的高導(dǎo)熱纖維芯材料，以提供太空所需的良好性能。

HYDRA 是另一種解決方案，可用作鋰離子電池的散熱器并防止熱失控傳播 （TRP）：電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要參數(shù)（圖 3）。電池組中的短路會(huì)導(dǎo)致熱失控，因此會(huì)引起火災(zāi)和材料燃燒，從而使相鄰電池的溫度升高。溫度升高增加了相鄰電池短路的可能性?！癏ydra 旨在防止相鄰電池的溫度升至 100 °C 以上，從而防止熱失控，”Michael Mo 說。

圖 3：HYDRA TRS 的示例性能（來源：Kulr）

通常，熱失控是由過大的電流或環(huán)境溫度過高引起的，并經(jīng)過幾個(gè)階段發(fā)展：從大約 90-100°C 的溫度開始，產(chǎn)生的熱量使有機(jī)溶劑破裂，從而釋放出氣體和增加細(xì)胞內(nèi)的壓力。盡管如此，由于缺乏氧氣，氣體不會(huì)點(diǎn)燃。但是，如果溫度繼續(xù)升高，超過 135°C，隔膜會(huì)熔化并導(dǎo)致正負(fù)極之間短路，導(dǎo)致金屬氧化物陰極在 200°C 時(shí)破裂并釋放出氧氣。這允許電解液和氫氣燃燒。

作為電池測(cè)試的一部分，Kulr 開發(fā)了 LYRA 內(nèi)部短路 （ISC） 觸發(fā)電池，以識(shí)別電池的故障條件，以研究電池組內(nèi)可能出現(xiàn)的故障模式和安全問題。

對(duì)純電動(dòng)汽車的興趣正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。真正的挑戰(zhàn)是提供快速充電站，從而減少電池充電時(shí)間。這將導(dǎo)致動(dòng)力總成系統(tǒng)的熱量顯著增加，從而實(shí)現(xiàn)受控的熱管理以優(yōu)化熱流?！　?/p>