極耳散熱鋰離子超級電容器密封模組的開發

屈文超，李玲瓏，許 峰，王長昌

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

軟包裝鋰離子超級電容器模組廣泛應用于新能源汽車和軌道車輛等領域[1-3]，工作時存在工作電流大、發熱嚴重及環境惡劣等特點[4]，因此在具有較高防水、防塵能力的同時，還要有良好的散熱能力。

王長昌等[5]將極耳作為電容2 200 F的軟包裝鋰離子超級電容器單體的散熱路徑，開發了結構簡單、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構，采用現有電容為10 000 F的能量型軟包裝鋰離子超級電容器單體設計的模組，散熱能力較差。原因在于，電容為10 000 F的單體，結構尺寸是基于表面散熱設計的，在極耳方向上的導熱能力相對較差，同等電流下的發熱量是電容為2 200 F的單體的3倍。

本文作者首先通過理論分析和實驗，結合單體和模組的生產工藝，開發適合極耳散熱的能量型軟包裝鋰離子超級電容器單體，再在該單體的基礎上，通過實驗對模組的散熱板進行優化，最終開發基于極耳散熱的能量型軟包裝鋰離子超級電容器密封模組。

1 單體規格確定

1.1 單體導熱能力分析

10 000 F型軟包裝鋰離子超級電容器單體和2 200 F型軟包裝鋰離子超級電容器單體[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）計算熱阻Rθ:

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

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

式（1）中:λ是導熱系數;L是材料長度;S是傳熱面積。

測量發現，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型單體的發熱內阻（2.20 mΩ）約為 2 200 F型單體（0.92 mΩ）的2.4倍。上述因素，導致現有10 000 F型單體2個極耳的導熱能力較差，不能用于開發極耳散熱的密封模組。

從散熱角度出發，結合模組的組裝工藝需求，初步設定3種規格的能量型軟包裝鋰離子超級電容器單體（江蘇產），長度和寬度與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定為0.3 mm×60.0 mm。按照QC/T 741-2014《車用超級電容器》[6]的測試要求，用BT-5HC充放電測試系統（美國產）測得厚度為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;結合實際生產及應用，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 鋰離子超級電容器單體的溫升實驗

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

單體的極耳散熱實驗方案如下:

將單體的極耳與散熱片1（5系鋁合金，山東產，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個測溫點，測溫點2位于單體表面幾何中心，測溫點1與測溫點3分別位于單體電芯兩端，3個測溫點處于同一水平直線，如圖2所示。

圖2 鋰離子超級電容器單體模塊表面測溫點分布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調速風機（德國產）的風道內。3個測溫點處的PT100熱敏電阻（NTC，日本產）探頭連接到外部LR8400-21溫度記錄儀（日本產）上，單體的正負極分別連接BT-5HC充放電測試系統。

首先，在50 C充放電倍率下，進行2 200 F型單體的溫升實驗;然后，在10 C充放電倍率下，依次進行12 000 F、9 500 F和7 200 F型單體的溫升實驗。實驗示意圖如圖3所示。

圖3 鋰離子超級電容器單體溫升實驗示意圖Fig.3 Temperature-rise test schematic diagram of Li-ion supercapacitor cell

1.3 實驗結果及分析

單體的溫升實驗結果表明，4種單體溫升最高點均在單體中部，即測溫點2位置。不同單體最高溫升結果見圖4。

圖4 不同鋰離子超級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，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計

采用7 200 F型單體設計的密封模組，結構與2 200 F型密封模組類似，主要由殼體、散熱板、芯組模塊、導熱絕緣硅膠墊和密封條等組成，如圖5所示。

圖5 能量型鋰離子超級電容器密封模組結構示意圖Fig.5 Structure diagram of energy type Li-ion supercapacitor sealed module

芯組模塊由單體與塑料結構件裝配組成，放入鋁合金外殼中。在極耳處粘貼導熱膠墊，再安裝散熱板，保證熱量由“單體-極耳-導熱膠墊-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，質量較大，且鋁合金ADC12材質表面無法進行氧化，噴漆或噴塑又會增加成本和降低散熱性能，因此，有必要對散熱板進行優化設計。相變均溫板的腔體內充注了相變材料，具有較高的傳熱能力和控溫能力，因此，在散熱技術領域具有一定的應用市場。通過對比質量、成本等因素，擬采用3種尺寸為445mm×280 mm的散熱板進行溫升對比實驗，即鋁合金ADC12散熱板（帶9 mm高的翅片，13 mm厚，臺山產）、5系鋁合金散熱板（無翅片，4 mm厚，廣東產）和均溫板（含相變材料R1234ze制冷劑，6 mm厚，北京產）。在滿足散熱需求的前提下，應盡量降低散熱板的成本和質量。7 200 F型密封模組用3種散熱板的主要參數見表2。

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

3 鋰離子超級電容器密封型模組溫升實驗

3.1 實驗方案及結果

在能量型密封模組內均勻布置4個測溫NTC探頭，并連接到外部溫度記錄儀上，測溫點記為P1、P2、P3和P4;依次使用3種散熱板，將模組放入配有EBM-R3G250RR04N1調速風機的風道內。實驗示意圖如圖6所示。

圖6 鋰離子超級電容器密封型模組溫升實驗示意圖Fig.6 Temperature-rise test schematic diagram of energy type Li-ion supercapacitor sealed module

在環境溫度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的風機轉速進行4組溫升實驗，并記錄達到穩態時各測溫點的溫度。

在不同風機轉速下，將4個測溫點（P1、P2、P3和P4）達到穩態的平均溫升作為模組的實際溫升，結果如圖7所示。

圖7 鋰離子超級電容器密封型模組溫升實驗結果Fig.7 Temperature-rise test results of energy type Li-ion supercapacitor sealed module

3.2 實驗結果分析

從圖7可知，在風機轉速為1 940 r/min時，3種模組的溫升均不超過21℃，基本達到密封模組的設計目標，其中，ADC12鋁合金散熱板具有更好的散熱能力。

在風機轉速較高（1 940 r/min）的情況下，3種散熱板的穩態溫升相當。在實際運用中，如果系統能夠為密封模組提供較高的冷卻風速，可以考慮采用均溫板或5系鋁合金板散熱，以降低模組的質量，提高比能量。

隨著風速的下降，穩態溫升差距開始變大，當風機轉速極低（300 r/min）時，ADC12鋁合金散熱板的優勢較大。這是因為ADC12鋁合金盡管導熱系數略小，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。在應用環境難以提供較高的冷卻風速時，可考慮采用ADC12鋁合金散熱板并適當增加散熱面積。

當風機轉速從1 120 r/min增加至1 940 r/min時，采用ADC12鋁合金散熱板的模組穩態溫升僅下降2℃，即在風機轉速超過1 120 r/min以后，繼續通過提高風機轉速難以降低模組的溫升。

4 結論

本文作者基于理論分析和溫升實驗，開發以極耳作為散熱路徑的能量型軟包裝鋰離子超級電容器單體，進而在該單體的基礎上，開發一種極耳散熱的能量型軟包裝鋰離子超級電容器密封模組，并通過實驗對模組外殼的不同類型散熱板進行對比分析。通過以上研究，可以得出以下結論:

在生產工藝許可的情況下，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電容器單體和密封模組基本達到設計目標，可以批量應用。

在工程運用中，可以根據運用環境的差別，靈活選擇散熱板的類型，以滿足不同項目的需求。

在風速達到某一較高數值的情況下，繼續提高風速的意義不大。