極快充電纜線於自適應散熱系統技術研究

前言

近年來，人們對資源節約和環境保護的意識逐漸提高。由於電動車(EV)因具備低污染與低使用成本的特性，已逐漸成為汽車產業的重要發展方向，並帶動其產業鏈中相關領域的成長[1]。與傳統燃油車相比，電動車具備三項顯著優勢：(1)能源具有雙向流動性、(2)支撐其運行的電子技術成熟且專業、(3)碳排放低[2]。隨著全球碳中和目標推動，電動車(EV)與儲能系統(ESS)市場持續快速增長。根據國際能源署(IEA)報告，2024年Q1的電動車銷量較2023年Q1增長約25%，相當於2020年全年銷量(300多萬輛)。估計2024年銷量增長20%，可達到1,700萬輛，占全球車市1/5以上[3]。與此同時，快充技術已成為電動車普及的關鍵因素[4]。高功率充電(HPC)技術，如350kW以上的超級快充站逐漸興起，以縮短充電時間。然而，高功率充電帶來的熱管理挑戰日益嚴峻，導致充電效率下降、電池壽命縮短甚至安全風險增加[5, 6]。

根據市場調研公司Allied Market Research發布的新報告《電動車充電器市場》（Electric Vehicle Charger Market），電動車充電器市場在 2022 年的市場價值為 72 億美元，預計到 2032 年將達到 912 億美元，從 2023 年到 2032 年的年均複合成長率（CAGR）為 29.3%。[7]。其中，智慧快充系統與高效散熱技術將成為市場競爭的關鍵要素。電動車快充系統的熱管理挑戰主要來自於三個區域：(1)充電槍[8, 9]、(2)充電樁內部功率模組[10]、(3)電纜線[11, 12]。高功率快充系統的散熱主要涉及電能轉換過程中的熱損耗；研究顯示，當充電功率超過一定功率時，充電電纜的熱累積現象顯著，可能導致能量損耗與材料老化[13, 14, 15]。

目前工研院相關散熱技術包括：充電槍的液冷技術、充電樁功率模組的散熱技術與高電流電纜線的散熱技術。在高功率充電過程中，充電槍內部的電流過大易導致發熱問題。為了解決此一問題，採用三相流冷卻技術，將液體、氣體和固體微粒結合，以提升熱傳導效率。其主要原理是利用高導熱冷卻液與氣泡結合，攜帶熱量並形成更均勻的冷卻效應。與傳統液冷技術相比，三相流冷卻可顯著提升散熱能力，同時減少液體泵輸送功率的需求。針對充電樁功率模組的散熱問題，則使用大面積複合金屬均溫板技術。高功率充電樁內部功率模組會產生大量熱量，若不即時散熱，會影響功率元件的壽命與效率。複合金屬均溫板透過相變傳熱與均熱效應，迅速將熱量從功率元件傳遞至較大散熱區域，從而有效降低熱積聚。均溫板內部含有相變之工作流體，可根據不同溫度區域主動調節熱量分布，確保功率模組的溫度均勻性，提升整體充電樁的穩定性和散熱效能。此外，電纜線的散熱技術採用自適應模組記憶合金，由於高功率充電電纜因大電流流動而產生焦耳熱，長時間運行會導致絕緣層老化，甚至影響安全性。自適應模組記憶合金技術利用記憶合金在不同溫度下的形狀變化來調節散熱通道，從而提高電纜的冷卻能力，延長電纜的使用壽命並提升其安全性。

本研究專注於電纜線的散熱技術，透過自適應模組與記憶合金技術，來提升導熱效率，降低表面溫度，確保高電流傳輸穩定性，進一步提高快充系統的安全性與可靠性。