超級電容模組散熱結(jié)構(gòu)改進的研究

王 帥，謝群鵬，賈永強，周時國，陳育偉

超級電容模組散熱結(jié)構(gòu)改進的研究

王 帥，謝群鵬，賈永強，周時國，陳育偉

（鄭州宇通客車股份有限公司 國家電動客車工程技術研究中心，鄭州 450061）

采用FLUENT軟件模擬超級電容模組在自然散熱和強制風冷兩種模式下的溫升，結(jié)果顯示只有強制風冷才能有效抑制模組溫升。建立在模組上下蓋板表面增加翅片的新型模型，表明在相同的溫升下，新型模組的工作電流是無翅片模組的1.4倍，而所需的風量是后者的50%。

超級電容模組；自然散熱；強制風冷；散熱翅片；仿真分析

超級電容為物理儲能器件，由于其優(yōu)異的功率性能、高循環(huán)壽命以及寬的使用溫度范圍在新能源行業(yè)上得到了廣泛的應用[1-2]。目前市場上使用的超級電容標準模組為密封結(jié)構(gòu)，超級電容單體在大電流的使用過程中發(fā)熱嚴重，而殼體自身散熱能力有限，造成超級電容模組內(nèi)部溫度逐漸升高,對超級電容模組的性能和壽命造成極其惡略的影響[3-5]。由于超級電容模組價格高昂，為保證超級電容模組壽命覆蓋車輛全生命周期，對模組進行有效的散熱設計顯得極其重要。FLUENT是國際上通用的熱分析軟件，能夠在產(chǎn)品的設計階段驗證散熱結(jié)構(gòu)的有效性，從而規(guī)避產(chǎn)品設計風險，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。本文使用FLUENT介入超級電容模組的設計，對超級電容模組的散熱結(jié)構(gòu)進行改進。

1 自然散熱情況下的散熱分析

根據(jù)車輛對超級電容的功率需求，計算超級電容的工作電流，采用工作電流對超級電容進行充放電模擬。圖1顯示的是超級電容模組的自然散熱模型，模組內(nèi)部有多個圓柱形單體電容，單體電容的正負極通過連接片焊接在一起，連接片上貼有絕緣和導熱性能良好的導熱硅膠，模組的上下蓋板通過壓緊導熱硅膠把單體電容固定在模組內(nèi)部。在工作過程中單體電容會產(chǎn)生熱量，熱量先傳導到連接片上，之后到導熱硅膠，導熱硅膠再把熱量傳導給模組的上下蓋板，最終上下蓋板及模組側(cè)壁通過自然對流的方式把熱量散失到空氣中。

邊界條件設置如下：模組的發(fā)熱量為98 W，環(huán)境溫度設為30℃。

圖1 自然散熱模型

圖2 自然散熱單體電容溫度分布圖

圖2是自然散熱情況下模組內(nèi)串聯(lián)單體電容溫度分布圖，其中總正、總負單體電容溫升最高，超過30℃，這是由于它們在極柱端與上蓋板通過導熱硅膠接觸的面積較??；其余單體電容與上下蓋板的接觸面積相同，溫升也非常相近，單體電容平均溫升約28℃。因此自然散熱無法滿足模組的散熱需求。

2 強制風冷情況下的散熱分析

強制風冷的傳熱模型與自然散熱不同之處在于，模組的上下蓋板和側(cè)壁把單體電容產(chǎn)生的熱量傳給有一定速度的冷卻空氣，而不是依靠自然對流。模組結(jié)構(gòu)與前述強制風冷相同，為方便劃分網(wǎng)格，將單體電容由圓柱形改為長方形。

邊界條件如下：模組的發(fā)熱量為98 W，環(huán)境溫度和冷卻空氣進口溫度均為30℃，冷卻風量100 m3/hr。

圖3 強制風冷單體電容溫度分布圖

圖3是強制風冷情況下模組內(nèi)串聯(lián)單體溫度分布圖。其中總正單體電容溫升最高，超過15℃，這不僅由于總正單體電容在極柱端與上蓋板接觸的面積較小，還由于它位于出風口末端。冷卻空氣在風向上溫度會逐漸升高，單體電容溫度分布也相應由低到高，單體電容的平均溫升約14℃，約為自然散熱的50%?？梢姀娭骑L冷能有效抑制模組的溫升。

3 增加翅片后的散熱分析及驗證

超級電容模組的上下蓋板外表面是平面，散熱面積有限。通過在模組上下蓋板外表面增加散熱翅片，增加散熱面積，可提升散熱效果。

圖4是翅片式蓋板的超級電容模組三維模型，單體電容仍然是長方體形狀，模組上下蓋板上帶有散熱翅片。由于冷卻空氣只能通過上下蓋板與散熱翅片形成的流道，模組的側(cè)壁無冷卻空氣流過，因此在本模型中忽略了模組側(cè)壁的散熱。

邊界條件如下：模組的發(fā)熱量為98 W，環(huán)境溫度和冷卻空氣進口溫度均設為30℃，冷卻風量50 m3/hr。

圖4 翅片式蓋板的超級電容模組三維模型

圖5是強制風冷情況下翅片式蓋板的超級電容模組內(nèi)單體電容溫度分布圖，單體電容溫度沿著風向由低到高，出風口末端的單體電容溫升最高，超過9℃；進風口的單體電容溫度最低，不到7℃；單體電容的平均溫升約8.5℃。綜上，在模組上下蓋板外表面增加翅片，即便冷卻風量減小一半，單體電容的平均溫升也可降低40%。

圖5 翅片式蓋板的超級電容模組內(nèi)單體電容溫度分布圖

根據(jù)以上熱仿真分析的結(jié)果，設計了上下蓋板帶散熱翅片的超級電容模組，模組自帶導風罩（如圖6所示），通過強制抽取上下蓋板與翅片形成的流道中的冷卻空氣，提高散熱效率。強制冷卻試驗表明在同樣的15℃溫升下，無翅片模組工作電流有效值為115 A，而有翅片模組工作電流有效值可提升至165 A。工作電流的提高意味著相同的溫升情況下可輸出更大的功率；或是在相同的工況下，帶有翅片的超級電容模組的溫升更低、壽命更長。

圖6 上下蓋板帶翅片的超級電容模組側(cè)視圖

5 結(jié)束語

本文使用FLUENT介入超級電容模組的設計，通過分析超級電容模組在自然散熱、強制散熱以及增加翅片后的散熱情況，確定最終模組的結(jié)構(gòu)改進方向。經(jīng)試驗驗證，在模組上下蓋板表面增加散熱翅片能夠充分利用強制風冷的優(yōu)勢，提高散熱效率，降低風扇風量。

[1]Yan J，Wang Q，Wei T，et al.Recent advances in design and fabrication of electrochemical supercapacitors with high energy densities[J].Advanced Energy Materials ，2014,4（4）.

[2]Gao H，Lian K.Proton-conducting polymer electrolytes and their applicationsinsolid supercapacitors：A review[J].RSC Advances，2014，4（62）：33091-33113.

[3]盧軍，張興磊，王文.電動車用超級電容器熱行為分析[J].電源技術，2015，39（3）：543-560.

[5]Gualous H,Bouquain D,Berthon A,et al.Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature[J].Journal of Power Sources,2003,123（1）:86-93.

Research on Improvement of Heat Dissipation Structure for Super Capacitor Modules

Wang Shuai,Xie Qunpeng,Jia Yongqiang，Zhou Shiguo,Chen Yuwei
（National Engineering Technology Research Center for Electric Bus Control and Safety,Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd,Zhengzhou 450061,China）

The FLUENT software is adopted to simulate the temperature rise of super capacitor modules under two modes,including natural cooling and forced air cooling.The results show that only the forced air cooling can depress the temperature rise of super capacitors.Then,the new model with fins on its surfaces of top and bottom cover plates is established,and the results show the working current of the new module is 1.4 times as much as the old one,but its required air flow is only half.

super capacitor module;natural heat dissipation;forced cooling;radiating fin;simulation analysis

TM53

B

1006-3331（2017）05-0029-03

王 帥（1986-），男，能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程師；研究方向：車載能源系統(tǒng)。

修改稿日期:2017-08-05