屈文超，李玲瓏，許 峰，王長(zhǎng)昌

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

軟包裝鋰離子超級(jí)電容器模組廣泛應(yīng)用于新能源汽車和軌道車輛等領(lǐng)域[1-3]，工作時(shí)存在工作電流大、發(fā)熱嚴(yán)重及環(huán)境惡劣等特點(diǎn)[4]，因此在具有較高防水、防塵能力的同時(shí)，還要有良好的散熱能力。

王長(zhǎng)昌等[5]將極耳作為電容2 200 F的軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體的散熱路徑，開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積能量密度高、散熱能力好的密封模組。參照該密封模組的結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)有電容為10 000 F的能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體設(shè)計(jì)的模組，散熱能力較差。原因在于，電容為10 000 F的單體，結(jié)構(gòu)尺寸是基于表面散熱設(shè)計(jì)的，在極耳方向上的導(dǎo)熱能力相對(duì)較差，同等電流下的發(fā)熱量是電容為2 200 F的單體的3倍。

本文作者首先通過理論分析和實(shí)驗(yàn)，結(jié)合單體和模組的生產(chǎn)工藝，開發(fā)適合極耳散熱的能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體，再在該單體的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模組的散熱板進(jìn)行優(yōu)化，最終開發(fā)基于極耳散熱的能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器密封模組。

1 單體規(guī)格確定

1.1 單體導(dǎo)熱能力分析

10 000 F型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體和2 200 F型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體[5]的尺寸見圖1和表1。在單體材料體系大致相同的情況下，通過式（1）計(jì)算熱阻Rθ:

表1 10 000 F和2 200 F型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體的參數(shù)Table 1 Parameters of 10 000 F and 2 200 F type pouch Li-ion supercapacitor cells

圖1 軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體示意圖Fig.1 Diagram of pouch Li-ion supercapacitor cell

式（1）中:λ是導(dǎo)熱系數(shù);L是材料長(zhǎng)度;S是傳熱面積。

測(cè)量發(fā)現(xiàn)，10 000 F型單體從中部到極耳的熱阻（9.14℃/W）約為2 200 F型單體（2.61℃/W）的3.5倍;10 000 F型單體的發(fā)熱內(nèi)阻（2.20 mΩ）約為 2 200 F型單體（0.92 mΩ）的2.4倍。上述因素，導(dǎo)致現(xiàn)有10 000 F型單體2個(gè)極耳的導(dǎo)熱能力較差，不能用于開發(fā)極耳散熱的密封模組。

從散熱角度出發(fā)，結(jié)合模組的組裝工藝需求，初步設(shè)定3種規(guī)格的能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體（江蘇產(chǎn)），長(zhǎng)度和寬度與2 200 F型單體相同，僅厚度不同。為提高極耳的散熱能力，將極耳的尺寸全部設(shè)定為0.3 mm×60.0 mm。按照QC/T 741-2014《車用超級(jí)電容器》[6]的測(cè)試要求，用BT-5HC充放電測(cè)試系統(tǒng)（美國(guó)產(chǎn)）測(cè)得厚度為12.0 mm、10.0 mm和8.0mm的樣品的電容分別為12 100 F、9 550 F和7 260 F;結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用，將這3種單體按電容分別命名為12 000 F、9 500 F和7 200 F。由單體制備的模組，采用同樣的方法命名。

1.2 鋰離子超級(jí)電容器單體的溫升實(shí)驗(yàn)

2 200F型密封模組在50 C充放電倍率及經(jīng)濟(jì)的風(fēng)冷散熱模式下，溫升基本滿足使用需求[5]。能量型模組在實(shí)際使用時(shí)的充放電倍率約為10 C，此時(shí)，采用極耳散熱的能量型單體，溫升應(yīng)不高于2 200 F在50 C時(shí)的溫升，才能確保滿足極耳散熱的需求。

單體的極耳散熱實(shí)驗(yàn)方案如下:

將單體的極耳與散熱片1（5系鋁合金，山東產(chǎn)，150 mm×25 mm×8 mm）激光焊接，極耳上部緊固散熱片2，確保極耳緊貼在兩散熱片中間。單體表面均勻布置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)2位于單體表面幾何中心，測(cè)溫點(diǎn)1與測(cè)溫點(diǎn)3分別位于單體電芯兩端，3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)處于同一水平直線，如圖2所示。

圖2 鋰離子超級(jí)電容器單體模塊表面測(cè)溫點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of surface temperature measurement points of Li-ion supercapacitor cellmodule

用保溫棉將單體包裹，以保證單體產(chǎn)生的熱量最大程度地由極耳處通過散熱片傳遞到外部空間，再將處理好的單體模塊放入配有EBM-R3G250RR04N1調(diào)速風(fēng)機(jī)（德國(guó)產(chǎn)）的風(fēng)道內(nèi)。3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)處的PT100熱敏電阻（NTC，日本產(chǎn)）探頭連接到外部LR8400-21溫度記錄儀（日本產(chǎn)）上，單體的正負(fù)極分別連接BT-5HC充放電測(cè)試系統(tǒng)。

首先，在50 C充放電倍率下，進(jìn)行2 200 F型單體的溫升實(shí)驗(yàn);然后，在10 C充放電倍率下，依次進(jìn)行12 000 F、9 500 F和7 200 F型單體的溫升實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 鋰離子超級(jí)電容器單體溫升實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Temperature-rise test schematic diagram of Li-ion supercapacitor cell

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

單體的溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4種單體溫升最高點(diǎn)均在單體中部，即測(cè)溫點(diǎn)2位置。不同單體最高溫升結(jié)果見圖4。

圖4 不同鋰離子超級(jí)電容器單體的最高溫升Fig.4 The highest temperature rise of different Li-ion supercapacitor cells

從圖4可知，隨著單體電容的降低，在相同的充放電倍率和極耳散熱模式下，溫升明顯降低。7 200 F型單體的最高溫升（10.8℃）和2 200 F型單體（11.0℃）相當(dāng)，初步判斷，7 200F型單體可以滿足極耳散熱的需求。

2 能量型密封模組的設(shè)計(jì)

采用7 200 F型單體設(shè)計(jì)的密封模組，結(jié)構(gòu)與2 200 F型密封模組類似，主要由殼體、散熱板、芯組模塊、導(dǎo)熱絕緣硅膠墊和密封條等組成，如圖5所示。

圖5 能量型鋰離子超級(jí)電容器密封模組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of energy type Li-ion supercapacitor sealed module

芯組模塊由單體與塑料結(jié)構(gòu)件裝配組成，放入鋁合金外殼中。在極耳處粘貼導(dǎo)熱膠墊，再安裝散熱板，保證熱量由“單體-極耳-導(dǎo)熱膠墊-散熱板”的路徑傳至模組外部空間。

在2 200 F型密封模組中，散熱板由鋁合金ADC12壓鑄而成，質(zhì)量較大，且鋁合金ADC12材質(zhì)表面無法進(jìn)行氧化，噴漆或噴塑又會(huì)增加成本和降低散熱性能，因此，有必要對(duì)散熱板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。相變均溫板的腔體內(nèi)充注了相變材料，具有較高的傳熱能力和控溫能力，因此，在散熱技術(shù)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用市場(chǎng)。通過對(duì)比質(zhì)量、成本等因素，擬采用3種尺寸為445mm×280 mm的散熱板進(jìn)行溫升對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即鋁合金ADC12散熱板（帶9 mm高的翅片，13 mm厚，臺(tái)山產(chǎn)）、5系鋁合金散熱板（無翅片，4 mm厚，廣東產(chǎn)）和均溫板（含相變材料R1234ze制冷劑，6 mm厚，北京產(chǎn)）。在滿足散熱需求的前提下，應(yīng)盡量降低散熱板的成本和質(zhì)量。7 200 F型密封模組用3種散熱板的主要參數(shù)見表2。

表2 不同散熱板參數(shù)Table 2 Parameters of different heat sinks

3 鋰離子超級(jí)電容器密封型模組溫升實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

在能量型密封模組內(nèi)均勻布置4個(gè)測(cè)溫NTC探頭，并連接到外部溫度記錄儀上，測(cè)溫點(diǎn)記為P1、P2、P3和P4;依次使用3種散熱板，將模組放入配有EBM-R3G250RR04N1調(diào)速風(fēng)機(jī)的風(fēng)道內(nèi)。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示。

圖6 鋰離子超級(jí)電容器密封型模組溫升實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.6 Temperature-rise test schematic diagram of energy type Li-ion supercapacitor sealed module

在環(huán)境溫度26℃、充放電電流72 A的條件下，分別以1 940 r/min、1 530 r/min、1 120 r/min和300 r/min的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行4組溫升實(shí)驗(yàn)，并記錄達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度。

在不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，將4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（P1、P2、P3和P4）達(dá)到穩(wěn)態(tài)的平均溫升作為模組的實(shí)際溫升，結(jié)果如圖7所示。

圖7 鋰離子超級(jí)電容器密封型模組溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Temperature-rise test results of energy type Li-ion supercapacitor sealed module

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖7可知，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 940 r/min時(shí)，3種模組的溫升均不超過21℃，基本達(dá)到密封模組的設(shè)計(jì)目標(biāo)，其中，ADC12鋁合金散熱板具有更好的散熱能力。

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高（1 940 r/min）的情況下，3種散熱板的穩(wěn)態(tài)溫升相當(dāng)。在實(shí)際運(yùn)用中，如果系統(tǒng)能夠?yàn)槊芊饽＝M提供較高的冷卻風(fēng)速，可以考慮采用均溫板或5系鋁合金板散熱，以降低模組的質(zhì)量，提高比能量。

隨著風(fēng)速的下降，穩(wěn)態(tài)溫升差距開始變大，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速極低（300 r/min）時(shí)，ADC12鋁合金散熱板的優(yōu)勢(shì)較大。這是因?yàn)锳DC12鋁合金盡管導(dǎo)熱系數(shù)略小，且散熱板表面有漆膜的覆蓋，但較多的翅片使散熱面積更大。在應(yīng)用環(huán)境難以提供較高的冷卻風(fēng)速時(shí)，可考慮采用ADC12鋁合金散熱板并適當(dāng)增加散熱面積。

當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 120 r/min增加至1 940 r/min時(shí)，采用ADC12鋁合金散熱板的模組穩(wěn)態(tài)溫升僅下降2℃，即在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 120 r/min以后，繼續(xù)通過提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速難以降低模組的溫升。

4 結(jié)論

本文作者基于理論分析和溫升實(shí)驗(yàn)，開發(fā)以極耳作為散熱路徑的能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體，進(jìn)而在該單體的基礎(chǔ)上，開發(fā)一種極耳散熱的能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器密封模組，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模組外殼的不同類型散熱板進(jìn)行對(duì)比分析。通過以上研究，可以得出以下結(jié)論:

在生產(chǎn)工藝許可的情況下，降低單體的容量，增加極耳的截面積等措施，可降低單體在極耳散熱模式下的溫升。

研究獲得的7 200 F型能量型軟包裝鋰離子超級(jí)電容器單體和密封模組基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以批量應(yīng)用。

在工程運(yùn)用中，可以根據(jù)運(yùn)用環(huán)境的差別，靈活選擇散熱板的類型，以滿足不同項(xiàng)目的需求。

在風(fēng)速達(dá)到某一較高數(shù)值的情況下，繼續(xù)提高風(fēng)速的意義不大。