超级电容模组散热结构改进的研究

王 帅，谢群鹏，贾永强，周时国，陈育伟

超级电容模组散热结构改进的研究

王 帅，谢群鹏，贾永强，周时国，陈育伟

（郑州宇通客车股份有限公司 国家电动客车工程技术研究中心，郑州 450061）

采用FLUENT软件模拟超级电容模组在自然散热和强制风冷两种模式下的温升，结果显示只有强制风冷才能有效抑制模组温升。建立在模组上下盖板表面增加翅片的新型模型，表明在相同的温升下，新型模组的工作电流是无翅片模组的1.4倍，而所需的风量是后者的50%。

超级电容模组；自然散热；强制风冷；散热翅片；仿真分析

超级电容为物理储能器件，由于其优异的功率性能、高循环寿命以及宽的使用温度范围在新能源行业上得到了广泛的应用[1-2]。目前市场上使用的超级电容标准模组为密封结构，超级电容单体在大电流的使用过程中发热严重，而壳体自身散热能力有限，造成超级电容模组内部温度逐渐升高,对超级电容模组的性能和寿命造成极其恶略的影响[3-5]。由于超级电容模组价格高昂，为保证超级电容模组寿命覆盖车辆全生命周期，对模组进行有效的散热设计显得极其重要。FLUENT是国际上通用的热分析软件，能够在产品的设计阶段验证散热结构的有效性，从而规避产品设计风险，缩短开发周期和降低开发成本。本文使用FLUENT介入超级电容模组的设计，对超级电容模组的散热结构进行改进。

1 自然散热情况下的散热分析

根据车辆对超级电容的功率需求，计算超级电容的工作电流，采用工作电流对超级电容进行充放电模拟。图1显示的是超级电容模组的自然散热模型，模组内部有多个圆柱形单体电容，单体电容的正负极通过连接片焊接在一起，连接片上贴有绝缘和导热性能良好的导热硅胶，模组的上下盖板通过压紧导热硅胶把单体电容固定在模组内部。在工作过程中单体电容会产生热量，热量先传导到连接片上，之后到导热硅胶，导热硅胶再把热量传导给模组的上下盖板，最终上下盖板及模组侧壁通过自然对流的方式把热量散失到空气中。

边界条件设置如下：模组的发热量为98 W，环境温度设为30℃。

图1 自然散热模型

图2 自然散热单体电容温度分布图

图2是自然散热情况下模组内串联单体电容温度分布图，其中总正、总负单体电容温升最高，超过30℃，这是由于它们在极柱端与上盖板通过导热硅胶接触的面积较小；其余单体电容与上下盖板的接触面积相同，温升也非常相近，单体电容平均温升约28℃。因此自然散热无法满足模组的散热需求。

2 强制风冷情况下的散热分析

强制风冷的传热模型与自然散热不同之处在于，模组的上下盖板和侧壁把单体电容产生的热量传给有一定速度的冷却空气，而不是依靠自然对流。模组结构与前述强制风冷相同，为方便划分网格，将单体电容由圆柱形改为长方形。

边界条件如下：模组的发热量为98 W，环境温度和冷却空气进口温度均为30℃，冷却风量100 m3/hr。

图3 强制风冷单体电容温度分布图

图3是强制风冷情况下模组内串联单体温度分布图。其中总正单体电容温升最高，超过15℃，这不仅由于总正单体电容在极柱端与上盖板接触的面积较小，还由于它位于出风口末端。冷却空气在风向上温度会逐渐升高，单体电容温度分布也相应由低到高，单体电容的平均温升约14℃，约为自然散热的50%。可见强制风冷能有效抑制模组的温升。

3 增加翅片后的散热分析及验证

超级电容模组的上下盖板外表面是平面，散热面积有限。通过在模组上下盖板外表面增加散热翅片，增加散热面积，可提升散热效果。

图4是翅片式盖板的超级电容模组三维模型，单体电容仍然是长方体形状，模组上下盖板上带有散热翅片。由于冷却空气只能通过上下盖板与散热翅片形成的流道，模组的侧壁无冷却空气流过，因此在本模型中忽略了模组侧壁的散热。

边界条件如下：模组的发热量为98 W，环境温度和冷却空气进口温度均设为30℃，冷却风量50 m3/hr。

图4 翅片式盖板的超级电容模组三维模型

图5是强制风冷情况下翅片式盖板的超级电容模组内单体电容温度分布图，单体电容温度沿着风向由低到高，出风口末端的单体电容温升最高，超过9℃；进风口的单体电容温度最低，不到7℃；单体电容的平均温升约8.5℃。综上，在模组上下盖板外表面增加翅片，即便冷却风量减小一半，单体电容的平均温升也可降低40%。

图5 翅片式盖板的超级电容模组内单体电容温度分布图

根据以上热仿真分析的结果，设计了上下盖板带散热翅片的超级电容模组，模组自带导风罩（如图6所示），通过强制抽取上下盖板与翅片形成的流道中的冷却空气，提高散热效率。强制冷却试验表明在同样的15℃温升下，无翅片模组工作电流有效值为115 A，而有翅片模组工作电流有效值可提升至165 A。工作电流的提高意味着相同的温升情况下可输出更大的功率；或是在相同的工况下，带有翅片的超级电容模组的温升更低、寿命更长。

图6 上下盖板带翅片的超级电容模组侧视图

5 结束语

本文使用FLUENT介入超级电容模组的设计，通过分析超级电容模组在自然散热、强制散热以及增加翅片后的散热情况，确定最终模组的结构改进方向。经试验验证，在模组上下盖板表面增加散热翅片能够充分利用强制风冷的优势，提高散热效率，降低风扇风量。

[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]卢军，张兴磊，王文.电动车用超级电容器热行为分析[J].电源技术，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 帅（1986-），男，能源系统结构工程师；研究方向：车载能源系统。

修改稿日期:2017-08-05