来源 | Journal of Energy Storage

链接 | https://doi.org/10.1016/j.est.2025.115344

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为什么说电动车 “降温” 比 “加速” 更关键？揭秘大功率电子器件的 Thermal 难题

当挪威 2022 年电动车销量占比突破 80%、中国年销超 688 万辆（2023 年数据），全球汽车产业向 “电驱” 转型的浪潮已不可逆转。但鲜少有人注意到：支撑电动车高性能的核心 —— 大功率电子器件（HPE），正被一个 “隐形杀手” 困扰 —— 热量。传统燃油车靠发动机驱动，而电动车的 “心脏” 是由绝缘栅双极晶体管（IGBT）、宽禁带半导体（WBG）芯片等组成的电力电子系统。从电池能量转换到电机转速控制，这些器件要承受高频开关、高电压冲击，热量随之飙升：当前 IGBT 芯片的热流密度已达 500W/cm²，未来 WBG 芯片甚至可能突破 1000W/cm²—— 这相当于在指甲盖大小的面积上，每秒要散掉半盏家用白炽灯的热量。

温度，早已成为电动车可靠性的 “第一杀手”。数据显示，55% 的电子器件故障源于过热，远超振动（20%）、湿度（19%）等因素。当 IGBT 芯片结温超过 150℃，不仅开关效率会骤降 30% 以上，还可能引发热失控，导致模块烧毁；而电机绕组温度每升高 10℃，绝缘寿命就会缩短一半。更棘手的是，电动车的 “恶劣工况” 会让散热难上加难：急加速时功率瞬间拉满，低温冬季又需兼顾电池保温，传统的风冷、液冷系统早已力不从心。

为什么散热突然变得这么难？核心源于两大矛盾：一是 “功率密度” 与 “空间限制” 的冲突。为了让电动车更轻量化、续航更长，工程师不断压缩电力电子模块的体积 —— 以特斯拉 Model 3 的 SiC 逆变器为例，其功率密度较传统方案提升 50%，但热量却更集中，形成局部 “热点”；二是 “传统散热” 与 “新型芯片” 的脱节。以 SiC、GaN 为代表的 WBG 芯片，能承受 200℃以上的高温，却对散热系统的响应速度要求更高。传统风冷的热转移系数仅 10-30W/(m²・K)，即便主流液冷也难以应对 1000W/cm² 的热流密度，这就像用 “小风扇” 给 “大火炉” 降温。

全球各国早已意识到这一问题：中国在《“十四五” 新能源汽车产业发展规划》中明确提出 “提升电力电子热管理水平”；美国能源部（DOE）设定目标，2025 年电动车电力电子功率密度需达 33kW/L，散热效率是关键瓶颈；欧盟更是通过 “清洁车辆伙伴计划”，投入超 2 亿欧元研发先进散热技术。从挪威的 “全电交通” 到香港 2050 年淘汰柴油车的目标，电动车不仅要 “跑得远、加速快”，更要 “控温稳、寿命长”。

02

成果掠影

近日，香港理工大学Muhammad Asim团队综述了当前最前沿的车载功率器件散热技术——从能 “喷走” 1000W/cm² 热量的喷雾冷却，到用纳米流体强化的微通道，看看工程师们如何为电动车 “量身定制” 降温方案。在电动车产业加速转型的背景下，大功率电子器件（HPE）的热管理已成为制约性能与可靠性的关键瓶颈。这份综述系统梳理了当前技术突破与未来趋势，核心内容可概括为四大维度：

（一）核心挑战：为何热管理成 “卡脖子” 难题？

功率密度与空间矛盾：从传统 IGBT 到宽禁带（WBG）芯片（SiC、GaN），功率密度提升使热流密度突破 500W/cm²，未来或超 1000W/cm²（指甲盖大小面积每秒散半盏白炽灯热量），但模块体积却不断压缩，热量集中形成 “热点”。常规风冷（热流密度≤280W/cm²）、液冷（≤480W/cm²）热物理性能不足，无法应对 WBG 芯片高热负荷。多器件协同难：HPE 需 120-150℃，电池仅需 15-35℃，单一冷却系统无法兼顾。

（二）关键突破：七大冷却技术 + 新型材料

1. 主流冷却技术性能对比

2.新型材料：热管理的 “隐形桥梁”

热界面材料（TIM）：石墨烯、烧结银纳米膏体导热率达 278.5W/m・K（接近银的 65%），降低界面热阻 40%；导热材料：六方氮化硼（HBN）热扩散片减少 22.5% 热点温度，适配 GaN 高频器件；双相散热器（THS）：1500W 功率下器件温差仅 7.6℃，适配高功率模块。

（三）产业趋势：三大关键转变

半导体材料迭代：SiC/GaN 逐步替代 IGBT，2028 年 SiC 市场规模将达 890 亿美元（YOLE 预测），特斯拉 Model 3、比亚迪汉已用 SiC 逆变器；冷却方案升级：从 “单面冷却” 向 “双面冷却” 转型，热阻降低 45%，适配 125kW 以上高功率车型；市场结构分化：功率模块占 HPE 市场 43%（IGBT 模块 23%、SiC 模块 19%），SiC MOSFET 在 800V 平台渗透率快速提升。

（四）未来方向：五大攻坚领域

多技术融合：如浸没 + 喷雾复合系统（热流密度提升 65.6%）、液 - 汽双相射流冲击，突破单一技术上限；智能自适应：AI 动态调节冷却功率，如按 IGBT 开关频率调喷雾流量，降 15-20% 能耗；环保介质：开发低全球变暖潜能（GWP）制冷剂（如 R1234yf 替代 R134a）、可降解纳米流体，减少碳排放；定制化设计：3D 打印定制喷嘴、仿生散热结构（模拟沙漠甲虫表皮），提升冷却均匀性；全生命周期优化：从 SiC 晶圆制造减碳 70% 到回收利用，降低热管理系统碳足迹。

该综述清晰勾勒出热管理从 “被动散热” 向 “主动调控”、“单一技术” 向 “系统集成” 的发展方向，把握喷雾冷却、SiC 材料、双面冷却三大核心技术，将成下一代电动车竞争力关键。研究成果以“Advancements in thermal management solutions for electric vehicle high-power electronics: Innovations, cooling methods, and future perspectives” 为题，发表于《 Journal of Energy Storage》期刊。

03

图文导读

图 1（Fig. 1）：2030 年全球电动汽车增长趋势

图 2（Fig. 2）：主要供应商电动汽车销量占比 

图 3（Fig. 3）：电动汽车大功率电子器件（HPE）工作原理概述
（核心模块：器件与拓扑结构→大功率电子器件→电机与传动差速装置；辅助模块：电子控制器、电池管理系统、诊断与实时操作系统等，含双向反馈流程）

图 4（Fig. 4）：基于 Scopus 数据库的关键词共现文献数据
（核心关键词：喷雾冷却（spray-cooling）、冷却（cooling）、绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor）、热流密度（heat flux）、电子冷却（electronic cooling）、功率电子器件（power electronics）、热应力（thermal stress）等，节点大小代表关键词使用频次）

图 5（Fig. 5）：功率模块主要设计流程 [102]
（流程节点：汽车应用需求→半导体裸片选择→模块拓扑与电气配置→材料选择→初步几何设计→热仿真与机械仿真→制造与端子 / 外壳设计→模块级测试→系统级测试，含多轮验证反馈环节）

图 6（Fig. 6）：用于大功率电子器件冷却的不同散热器设计简单结构（Simple Structure）：圆形、三角形、矩形及其他形状复杂结构（Complex Structure）：肋片（Ribs）、凹槽（Grooves）、针翅（Pin fin）及其他形状

图 7（Fig. 7）：双相热扩散器（THS）工作原理 [133]
（核心组件：热源（Heat source）、容器（Container）、吸液芯结构（Wick structure）、散热片（Heat sink）；工作流程：液体蒸发→蒸汽流动→冷凝放热→液体回流）

图 8（Fig. 8）（a）热界面材料在两种固体间的传热应用 [137]（b）用于大功率电子器件（HPE）的直接键合铜（DBC）与金属板之间的热界面材料（TIM）[146]
（组件标注：电子元件、汇流排、塑料封装、印刷电路板（PCB）、半导体芯片、环氧树脂（Epoxy）、焊料（Solder）、直接键合铜（DBC）、散热片（Heat sink）、散热片底座（Heat sink base）等）

图 9（Fig. 9）：电动汽车大功率电子器件用热界面材料（TIM）[150]
（分类：金属基热界面材料（Metal-based TIMs，含液态金属、金属复合材料）、热 grease（Thermal grease）、碳基热界面材料（Carbon-based TIMs，含石墨烯））

图 10（Fig. 10）：不同冷却机制的散热能力
（冷却方式：自然对流冷却（Natural Convection cooling）、强制对流冷却（Forced convection cooling）、热电冷却（Thermoelectric cooling）、射流冲击冷却（Jet Impingement cooling）、浸没冷却（Immersion cooling）、相变冷却（Phase change cooling）、过冷流动沸腾（Subcooled flow boiling）、微通道冷却（Microchannel cooling）、喷雾冷却（Spray cooling）；横轴为传热系数（W/cm²・K），范围 10⁻³~10¹）

图 11（Fig. 11）：电动汽车大功率电子器件（HPE）冷却方式分类
（一级分类：风冷（Air Cooling）、固态冷却（Solid State Cooling）、液冷（Liquid Cooling）、被动冷却（Passive Cooling）；液冷细分：直接冷却（Direct Cooling，含浸没冷却、射流冲击冷却、微通道冷却、喷雾冷却）、间接冷却（Indirect Cooling，含冷板冷却））

图 12（Fig. 12）：风冷散热器（a）用于逆变器模块的六边形散热器（b）含 3 块印刷电路板（PCBs）的散热器（c）基于遗传算法（GA）优化的散热器 [197]
（结构标注：风扇（Fan）、每个散热器的风路（Air path for each heat sink）、内置孔洞的优化散热器（Optimized heat sink with holes inside）、双面功率模块

（Double-sided power module）等）

图 13（Fig. 13）：大功率电子器件（HPE）热电冷却系统
（组件：热电模块（Thermoelectric Module）、散热片（Heat sink）、冷却风扇（Cooling Fan）、冷却液入口（Coolant Inlet）、冷却液出口（Coolant Outlet））

图 14（Fig. 14）：单面与双面冷板冷却 [98]单面冷板冷却（Single-sided cold plate cooling）：冷却液流经单侧冷板，通过热界面材料（TIM）与基板（baseplate）传热

双面冷板冷却（Double-sided cold plate cooling）：冷却液流经双侧冷板，提升传热效率

图 15（Fig. 15）：功率电子器件浸没冷却 [233]（流程：水 - 乙二醇混合液入口（Inlet: Water-Glycol Flow (Liquid)）→热点区域池沸腾（Pool Boiling at Hot Regions）→电力电子器件（Power Electronics）→液 - 汽混合物出口（Outlet: Liquid+Vapor）；关键组件：聚对二甲苯 C（Parylene C，电气绝缘层））

图 16（Fig. 16）：不同类型的冲击射流浸没射流（Submerged Jet）：射流在液体池中冲击加热表面自由射流（Free Jet）：射流无约束释放到环境中受限浸没射流（Confined Submerged Jet）：加热组件浸没在液体池，射流直接冲击表面受限自由射流（Confined Free Jet）：射流在封闭空间内冲击加热组件外表面
（标注：喷嘴（Nozzle）、空气（Air）、直径（Diameter）、高度（Height）、冷却液（Coolant）、加热冲击表面（Heated Impingement Surface）、约束壁

（Confinement Wall））

图 17（Fig. 17）：微通道冷却 [258]（a）集成蒸汽室（VC）的微通道散热器（b）分离式蒸汽室（VC）散热器（c）简单微通道散热器（d）不同倾斜角度的集成蒸汽室微通道散热器

图 18（Fig. 18）（a）不同冷却机制的传热系数 [15]（横轴：传热系数（W/cm²・K），范围 10⁻³~10¹；纵轴：冷却机制，含自然风冷、强制风冷、强制液膜流动、介电流体浸没冷却、喷雾冷却）（b）喷雾冷却传热机制 [267]（标注：液滴冲击对流（droplet impact convection）、膜流动对流（film flow convection）、表面成核（surface nucleation）、二次成核（secondary nucleation）、气泡生长（bubble growth）、气泡脱离（bubble departure）、冲击液滴反弹（impinging droplet rebound）、液膜破裂（surface breakup）等）（c）用于电动汽车大功率电子器件（HPE）的喷雾冷却 [268]（组件：IGBT、硅（Silicon）、焊料（Solder）、铜（Cu）、氮化铝（AlN）、界面层（Interface Layer）、喷雾冷却（Spray Cooling））

图 19（Fig. 19）：不同年份电动汽车功率额定值
（数据点：三菱 2018 年 49kW、宝马 i3 2016 年 125kW、雪佛兰 Bolt 2014 年 140kW/2017 年 150kW、丰田 2016 年 162.2kW、三菱 2022 年 165kW、特斯拉 2015 年 320kW/2018 年 344kW、丰田 2021 年 322kW、宝马 i7 2024 年 335kW、捷豹 2019 年 300kW；横轴为年份 2010-2025）

图 20（Fig. 20）：2022-2028 年电动汽车大功率电子器件（HPE）不同半导体器件市场占比 [35]功率模块（Total module，占 43%）：IGBT 模块（23%）、SiC MOSFET 模块（19%）、晶闸管模块（1%）分立器件（Discrete HPE components，占 56%）：Si 整流器（10%）、SiC 整流器（3%）、双极型分立器件（2%）、GaN HEMT 分立器件（3%）、SiC MOSFET 分立器件（3%）、Si MOSFET（30%）、分立 IGBT（5%）、其他（1%）
（市场规模：2022 年 209 亿美元，2028 年 333 亿美元）

图 21（Fig. 21）：电动汽车大功率电子器件（HPE）功率模块当前冷却趋势 [344]

（a）英飞凌（Infineon）双面冷却设计（b）安森美（Onsemi，VE-Trac）双面冷却设计（c）中国中车（CRRC）双面冷却设计（d）传统单面冷却设计（e）电装（Denso）、德尔福（Delphi）、日立（Hitachi）的双面冷却功率模块

图 22（Fig. 22）：宽禁带（WBG）半导体材料（GaN、SiC、Si）性能对比

图 23（Fig. 23）（a）纳米流体的风险与生命周期评估框架（b）纳米氧化铝（n-Al₂O₃）的单步与两步制备路线 （c）不同制备方法对氧化铝纳米流体的水生酸化（AC）、臭氧消耗（OD）、呼吸影响（d）不同制备方法对氧化铝纳米流体的化石燃料消耗（FF）、全球变暖（GW）的影响