在電動車(EV)技術發展中,電池的角色至關重要。然而,為了實現整車性能的最優化,動力系統的綜合考量和對乘客艙溫度調節系統的協同作用不容忽視。其中,電機和電力電子設備的熱管理同電池的重要性不相上下。
過往,電動車市場主要采用被動冷卻或強迫空氣冷卻電池技術,如今這一趨勢已轉向利用冷板和冷卻通道的液體冷卻。據研究,95%的電動汽車市場已采納該技術。進一步來看,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計,由于傾向于使用大型單體,減少了冷板設計的復雜度。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電池包因單體數量減少,降低了對冷卻通道的需求。
與此同時,熱界面材料(TIM)的應用也隨之變革,不僅使用量減少,單體可直接與冷板粘合,要求TIM具備更強粘接能力。IDTechEx調研指出,盡管TIM用量下降,但熱導性粘合劑的成本超過傳統填充材料,可保持相似的單車收入水平。預計未來十年,隨著電動車市場的持續擴展,TIM的年收益將比去年增長5.6倍。
對于電動機而言,則面臨著不同的熱管理挑戰。傳統水套冷卻逐步被油冷取代,這有助于直接將冷卻劑與電機繞組接觸,并在去除水套的同時減少電機尺寸。據預計,在2023年上半年,油冷電動機在市場的占比將達到65%。考慮到未來的成本與性能需求,油冷技術在市場中的優勢將更為顯著。
同樣,隨著電動機轉向油冷,電力電子裝置也可能出現同樣趨勢,尤其是那些采用碳化硅技術的裝置。與硅IGBT相比,SiC制品在MOSFETs上產生了更高的熱通量。標準做法是,逆變器和電機在同一水循環系統中共享冷卻。考慮到更有效的熱接觸,采用油冷卻逆變器芯片的方案已出現,但這可能意味著驅動裝置中的水循環系統被淘汰。盡管目前尚未大規模采用這種方法,但隨著SiC技術的普及及驅動系統整合度的提高,相應的應用案例有望在本十年末出現。
EV火災的風險仍然是業界和公眾關注的焦點。盡管統計數據顯示EV的火災風險遠低于燃油車,但火災一旦發生,由于電池的易燃化學品和熱失控現象,可能導致火災難以控制。因應此風險,預計至2033年EV防火材料市場需求或將比去年增長13倍。
對此,全球各地區的監管進展緩慢。中國率先(自2021年1月1日起)要求在熱事件發生后5分鐘內提醒乘客,以便及時撤離。在科技發展的快速變化下,各地制定的規定仍在追趕中。無論規制如何發展,壓力始終在于要求汽車制造商提供更有效的檢測和防火手段。
在熱管理材料的選擇上,市場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。特斯拉Model 3首發時應用的環氧封裝技術,消除電池組內的氧氣,同樣增強了防火安全。
另一個熱管理挑戰來自數據中心領域。隨著GPU熱設計功率在17年內增長了四倍,傳統的風扇和空調冷卻方法已難以應對,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,也有助于實現與現有系統的無縫銜接。在液體冷卻領域的工業合作日益加深,IDTechEx預計到2033年數據中心液體冷卻市場規模將超過9億美元。
數據中心和電動車領域的浸沒式冷卻尚處在起步階段。雖然批評不斷,卻出現了以微軟Azure服務使用兩相浸沒式冷卻試點,以及Meta在2022年與Iceotope合作,將標準高密度儲存從空氣冷卻轉變到單相浸沒冷卻。另外,領先的加密貨幣挖礦解決方案提供商Minerbase在2023年5月推出一個浸沒式冷卻數據中心,等等的標志性的合作項目。隨著對高性能計算需求的增長,浸沒式冷卻預計將在冷卻劑供應商、硬件制造商及最終用戶中迎來市場機遇。
在電動車電池領域,盡管浸沒式冷卻技術提高了熱均衡性,省去了冷板和TIMs的需要,但由于液體的熱導率低及電池密封難度等因素,其應用面臨挑戰,預計僅在特殊領域(如高性能或高成本的電動車)采用。盡管如此,隨著電動車市場的增長,IDTechEx預測到2027年,浸沒式冷卻液體的需求將比去年增長8倍。
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