Описание проблемы

Повышение температуры - сокращает срок службы суперконденсаторов (СК). При увеличении температуры на 10 °С срок службы сокращается в 2 раза.

Уравнение Эйринга: 

где T – срок службы, ч;
Θ – температура, °С;
I – ток, А;
V – напряжение, В;
ср – среднее значение.
Согласно закону Джоуля при большом токе, проходящем через СК, выделяется много тепла:
Q = I²•R
где Q – выделяемая теплота, Вт;
I – ток, А; 
R – эквивалентное последовательное сопротивление, Ом.

Поэтому при разработке корпуса для суперконденсаторного модуля следует предусмотреть эффективный теплоотвод.

Недостатки обычного модуля

 

Для монтажа на печатную плату обычного модуля применяются СК следующего вида:

При вертикальном расположении СК температура модуля повышается, потому что ячейки обмениваются теплом вследствие вертикальной сетчатой структуры расположения. Центральная ячейка имеет самый короткий срок службы.

Недостаточный теплоотвод:
- Путь распространения тепла в обычном модуле: ячейка –> выводы -> дорожка на плате -> корпус   -> воздух
- С помощью простого опыта мы обнаружили, что перепад температуры на пути распространения тепла слишком большой.

Чем больше площадь теплоотвода, тем лучше рассеивается тепло.

 

Решение проблемы

Методы анализа передачи тепла:

                              Моделирование процесса теплопередачи                                                                     Измерения в ИК диапазоне

Термопрокладка – главный элемент эффективного теплоотвода

Для решения проблемы разработана новая концепция размещения ячеек в модуле (Horizontal Array – АГ).

Для модернезированных (АГ) модулей применяются СК следующего вида:

 

Экспериментальная установка и методы исследования

Чтобы измерить температуру каждой части модуля, была создана экспериментальная установка, состоящая из следующих элементов: блока питания, термопары тестера, ИК-камеры, регистратора данных - ноутбука.

 

В основу исследований положен метод максимального непрерывного тока.  Данный метод заключается в определении температуры, до которой нагревается блок при длительном циклическом заряде и разряде.

                       Графики тока и напряжения

                         Температура внутри модуля

При исследовании применялся и аналитический метод: моделирование методом вычислительной гидродинамики проводился для оценки отдачи и объема тепла при изменении величины дуги контакта ячейки с термопрокладкой.

Результаты исследований

Отличия обычного и модернизированного (АГ) модуля:
1) увеличение температуры обычного модуля на 40 °С происходит при токе 130 А, а модернизированного (АГ) - при токе 200 А;
2) перепад температуры уменьшен с 9,2 ºС до 2,7 ºС;

                Эпюры температур обычного модуля                                Эпюры температур модернизированного (АГ) модуля

 

3) оптимизация эффективности и веса теплоотвода;
4) требуется большая дуга контакта для эффективного рассеивания тепла, однако это приводит к увеличению веса модуля;
5) используя метод вычислительной гидродинамики, найдена оптимальная дуга контакта от 30º до 60º.

Заключение

Модернизированный модуль может выдержать больший ток при тех же внешних условиях.
Его ожидаемый срок службы при той же температуре значительно увеличивается (более чем на 15 %)
Также удалось оптимизировать вес и эффективность рассеяния тепла, что привело к снижению стоимости изделия.

Параметр	Обычный модуль	АГ модуль	Отличие
Максимальный ток (ΔТ=40 °С)	130 А	200 А	70 А
Перепад температуры	9,2 °С	2,7 °С	ΔТ=6,5 °С