當達到極限時，電池可能會過熱。電動汽車缺乏空間和足夠的通風面積，正將熱管理的設計導向新的解決方案，以便電池不會過熱并對整個系統造成極端損壞。Kulr Technology Group 正在開發、制造和許可用于電池和其他電子設備的碳纖維熱技術，以保持它們的涼爽。

涉及懸浮滑板、智能手機和電動汽車的鋰電池火災事故是電子產品和電池制造商面臨的嚴重公共安全問題，導致對改進電池安全技術和熱管理解決方案的需求激增（圖 1）。

在接受 EE Times 采訪時，Kulr Technology Group 首席執行官 Michael Mo 強調了 Drako Motors 將如何采用該公司與 NASA 合作設計的碳纖維技術，以調節太空中敏感組件的極端溫度以完成 Persevarance 任務用于新型超高性能電動超級跑車。Drako GTE 設計了 1，200 馬力的架構，是一個 EV 平臺，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：熱管理材料和設備市場

熱管理

我們看到電力電子領域發生了變化，汽車行業正在向車輛電氣化邁進，而 5G 通信技術的出現將加速云計算的發展。這些應用需要更多用于電池和其他動力系統的電源和熱管理解決方案或冷卻技術。

當電子通過導體和半導體時會產生大量熱量，并對電路的最終性能產生負面影響。近幾十年來，電子設備的功率密度顯著增加。減小器件尺寸的趨勢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極其關鍵的因素。

高功率組件之間的幾個接口會產生熱量，而散熱器本身也會產生熱量。由于微觀表面粗糙度，在兩個表面（界面）之間產生的最小接觸面積可能會引起熱管理問題。這減少了跨界面的熱傳導，因為空氣空隙具有低熱導率。表面不規則是造成接觸熱阻的主要原因。“Kulr 解決方案的目標是增加兩個表面之間的接觸，從而降低界面的熱阻，”Michael Mo 說。

溫度會改變電氣和電子元件的可靠性和耐用性。設備故障通常是由熱問題引起的。高溫不僅使系統工作不穩定，而且會降低部件的平均壽命，從而導致其劣化。

要采取的第一個預防措施是采用并實施一種策略來散發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。它衡量材料散熱的能力。理想的散熱材料必須具有高導熱性、低熱膨脹系數、低密度和低成本。

熱量取決于功率和電路設計。考慮到電路的規格，電路上電子元件的最佳布置應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，以服務于電動交通、儲能、電池安全、5G 基礎設施、云計算以及航空航天和國防領域應用（圖 2）。

碳纖維可以散熱，同時減小尺寸、重量和制造復雜性。Kulr 開發了一種專有制造技術，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 中的電池能夠產生 1，800 連續電流和 2，200 峰值電流，旨在提供兆瓦級的功率輸出和冷卻能力，以承受各種世界賽道上的賽道級運動表現。

Michael Mo 指出，生產電動超級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。將在高溫太空環境中使用的技術，讓電動交通工具支持更多的電力，從而確保適當的散熱并避免過熱。“但我們有一些挑戰需要解決：消費者世界正在尋找的最大的事情是非常具有成本效益的價格和高導熱性能，”Michael Mo 說。

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

ARA 是 Kulr 的另一個解決方案，旨在解決航空航天和國防工業中的熱管理問題，因為它具有經實驗證明在小溫度范圍內有效的熱能力。它可用于在短時間內具有大量計算能力的系統。Michael Mo 表示，他們開發了一種專有的高導熱纖維芯材料，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）：電動汽車中的一個重要參數（圖 3）。電池組中的短路會導致熱失控，因此會引起火災和材料燃燒，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。“Hydra 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境溫度過高引起的，并經過幾個階段發展：從大約 90-100°C 的溫度開始，產生的熱量使有機溶劑破裂，從而釋放出氣體和增加細胞內的壓力。盡管如此，由于缺乏氧氣，氣體不會點燃。但是，如果溫度繼續升高，超過 135°C，隔膜會熔化并導致正負極之間短路，導致金屬氧化物陰極在 200°C 時破裂并釋放出氧氣。這允許電解液和氫氣燃燒。

作為電池測試的一部分，Kulr 開發了 LYRA 內部短路 （ISC） 觸發電池，以識別電池的故障條件，以研究電池組內可能出現的故障模式和安全問題。

對純電動汽車的興趣正在穩步增長。真正的挑戰是提供快速充電站，從而減少電池充電時間。這將導致動力總成系統的熱量顯著增加，從而實現受控的熱管理以優化熱流。