面向Yuasa LIM50锂离子模块的紧凑型PCB互连热—电性能实验评估

《Next Energy》：Experimental thermal and electrical evaluation of a compact PCB-based interconnect for Yuasa LIM50 lithium-ion modules

　　

本研究考察Yuasa LIM50锂离子模块在新印刷电路板（PCB）基设计改型下的热与电性能。该改型以采用Würth连接器和集成热电偶（thermocouple）传感点的紧凑高电流PCB互连替代12个串联单体电池之间的传统布线。实验在自然对流（natural convection）条件下，以1 C、2 C和3 C充/放电倍率对原始模块与PCB安装模块进行测试。结果表明两种配置之间的电性能无显著差异。在匹配放电阶段，平均单体电池温升也实际上相同：2 C时为13.2 °C（原始）对13.0 °C（PCB），3 C时为18.0 °C对18.4 °C，且每循环能量损失差异在6%以内。能量平衡与阶跃电阻（step-resistance）分析表明，互连焦耳热（Joule heating）仅占模块总产热的小部分，这解释了为何互连设计对单体电池温度影响很小。因此，PCB基设计在降低布线复杂度和简化装配的同时，达到原始布线的热与电性能，是未来电池包设计的有前景方案。

锂离子电池（LiBs）因能量密度高、效率高和循环寿命长而成为电动汽车（EVs）、便携电子产品和固定式储能系统的主导储能技术，但产热与热行为相关的安全风险和退化过程仍限制其广泛应用；温升和热量分布不均直接影响寿命、能效与可靠性，过高温度可加速电解质分解、产气、电极机械应力，极端时诱发热失控。模块内即使小温度梯度也可能导致老化不均、容量失衡和荷电状态分布不均，因此维持均匀且适中温度对性能与安全均关键。既有电池热管理系统（BTMSs）包括主动、被动和混合方案，但多单体模块的均匀散热仍是持续挑战；同时，集流体、母排和单体间连接器配置会显著影响局部产热与散热，接触电阻和电流不均可能形成局部“热点”。已有PCB集成母排与传感架构主要用于电互连和电池监测，其热效应多由设计意图推断，而非在同一单体上与常规线束直接测量比较；尤其尚不清楚模块热量中有多少来自互连而非单体，以及互连重设计能在多大程度上影响单体温度。为此，研究人员将带有高电流压接连接器和集成电压、温度传感的改装PCB互连应用于商用Yuasa LIM50模块，并在1 C、2 C和3 C下以匹配放电阶段将其电、热行为与同一模块类型的原始线束直接比较，同时以能量平衡、阶跃电阻测量和传热路径建立热收支，以区分互连损耗与单体产热。研究得出，PCB互连在测试倍率下复现原始模块电行为，匹配放电阶段平均单体温升无显著差异，互连焦耳热至多为模块总产热的小部分；其意义在于实现与原始线束相当的热、电性能，同时降低布线复杂性、简化装配，并为未来电池包设计提供有前景的集成路径。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员使用同一测试台、电源、数据记录仪、K型热电偶（K-type thermocouple）和热像仪，对商业Yuasa LIM50模块（12串、50 Ah）的原始布线与PCB改型进行自然对流、去盖、同位置同朝向的1 C、2 C、3 C充放电测试；PCB为1.6 mm FR-4（阻燃型环氧玻璃纤维基板）、2 oz铜层，采用Würth压接连接器（接触电阻<200 μΩ、额定500 A），温度每2.05 s记录，六支热电偶精度±0.5 °C；并以能量平衡和阶跃电阻分析区分互连损耗与单体产热。

研究结果：5.1 1 C测试结果：通过原始与PCB模块1 C充放电测试比较电流、电压和温度记录；PCB 1 C放电平均温升为7.8 °C（16.2 °C至24.0 °C），原始1 C温度记录不可用于匹配阶段分析，故热比较基于2 C和3 C。5.1.1 原始1 C与PCB 1 C电流、电压图：通过对比1 C充放电电流与电压趋势，未观察到差异。5.1.2 原始1 C与PCB 1 C温度图：通过热电偶记录比较温度行为，原始1 C记录不可用于匹配分析，PCB 1 C放电平均温升7.8 °C，热比较转至2 C和3 C。5.1.3 原始1 C与PCB 1 C热像图：通过红外热像定位顶面温暖区域，最暖区域位于母排和端子连接处并随C-rate升高；图像采用自动色标，颜色不可跨图比较，定量比较基于热电偶。5.2 2 C测试结果：通过原始与PCB模块2 C充放电测试比较电、热行为；匹配2 C放电平均温升为13.2 °C（原始）对13.0 °C（PCB），差0.2 °C小于±1.0 °C的差值不确定度。5.2.1 原始2 C与PCB 2 C电流、电压图：通过对比2 C充放电电流与电压趋势，未观察到差异。5.2.2 原始2 C与PCB 2 C温度图：通过从满充开始的匹配2 C放电比较，平均单体温升13.2 °C对13.0 °C，二者不可区分；PCB充电阶段起始温度10.3 °C，故不与原始放电峰值比较；全记录中TC1和TC6存在测量伪影。5.2.3 原始2 C与PCB 2 C热像图：通过2 C放电与充电顶面热像定位热区，图像用于定位而非定量比较。5.3 3 C测试结果：通过原始与PCB模块3 C充放电测试比较电、热行为；匹配3 C放电平均温升为18.0 °C（原始）对18.4 °C（PCB），差异在±1.0 °C测量不确定度内；PCB绝对峰值较高（排除TC6为48.8 °C对43.6 °C）源于其放电起始温度31.3 °C高于原始24.6 °C。5.3.1 原始3 C与PCB 3 C电流、电压图：通过对比3 C充放电电流与电压趋势，未观察到差异。5.3.2 原始3 C与PCB 3 C温度图：通过匹配3 C放电比较，平均温升18.0 °C对18.4 °C，互连未改变单体温升；3 C充电因原始记录在充电结束后约25 min才开始而不可比；排除可疑通道后，放电末ΔT_max在2 C为0.9 °C（原始）对5.3 °C（PCB），3 C为3.6 °C对4.2 °C，未显示PCB改善温度均匀性；因仅六支热电偶置于12个单体中的6个，结果仅描述监测单体。5.3.3 原始3 C与PCB 3 C热像图：通过3 C热像及sp1、sp2点温定位顶面热区，热像仅记录顶面并用于定位，单体温度比较基于热电偶。5.4 产热与传热分析：通过能量平衡得到2 C总产热199 Wh（原始）对203 Wh（PCB）、3 C为248 Wh对236 Wh，对应2 C约10–11 W/单体、3 C约15 W/单体；往返能效2 C为91.5%对91.4%，3 C为89.7%对90.1%；通过阶跃电阻得到95 A时12.95 mΩ对10.02 mΩ、143 A时10.15 mΩ对9.52 mΩ；即使将全部差异归因于互连，焦耳热至多约I²ΔR≈26 W（95 A）和13 W（143 A，全模块），远小于120–180 W产热；FR-4导热率约0.3 W m^?1 K^?1，横向散热仅经薄铜层，示例100 mm长、20 mm宽、70 μm厚铜层热阻约180 K W^?1，自然对流系数约5–10 W m^?2 K^?1，放电初始升温速率相近，呈近绝热加热，故互连设计不显著改变单体温度。

讨论部分总结：成本与可制造性方面，PCB互连为内部设计，物料清单交由外部制造商采购、装配和电测，原型量（2021年价格）约￡250/模块，不含内部设计工作；该一次性数量下不比手工传感线束便宜，其优势是作为单个已测试单元交付、压接安装无需手工布线或压接、可整体拆卸而不扰动单体；PCB制造成本随产量下降而线束成本受人工主导，故量产时可能具成本竞争力，量产成本分析与资格测试列为未来工作。不确定度与测量精度方面，K型热电偶±0.5 °C，热像仪±2 °C或±2%，Delta PSU电压±0.1%、电流±0.5%，Rigol M300数据采集±0.1%；单次温升不确定度约±0.7 °C，两配置温升差不确定度约±1.0 °C，能量相对不确定度约±0.5%（约±16 Wh）；观察到的0.2 °C和0.4 °C温升差、4 Wh和12 Wh产热差均在不确定度内；每条件仅测试一次，不能量化运行间变异或进行t检验；TC1噪声滞后、TC6电流切换阶跃干扰，排除后2 C放电温升14.8 °C对13.1 °C、3 C为18.0 °C对18.1 °C；热像受发射率和视角影响，去盖可能增强自然对流但两配置条件相同。局限与未来工作方面，每条件单次、两配置相隔三周、相序和起始温度不同，仅放电阶段可同比且不能量化运行间变异；仅六/十二单体测温，热像仅顶面，可能漏检热点；短期测试未评估长期可靠性；FR-4吸湿、玻璃化转变温度约130–140 °C，长期湿热和热循环可降低绝缘电阻、促进导电阳极丝生长，热循环应力焊点和镀通孔，压接连接器长期振动可能微动腐蚀并增加接触电阻；成本为原型尺度初步估计。未来需每条件重复n≥3并在气候箱中匹配起始温度和相序、以均值±标准差报告；在全部12个单体布置热电偶并直接测单体和互连电压降；开展PCB湿热和温度循环测试（如IEC 60068-2-78和IEC 60068-2-14）及连接器振动测试（如IEC 60068-2-64或ISO 16750-3）；建立经验证的热模型；延长循环寿命测试；开展工业规模生产成本分析。

研究结论翻译：由本研究可得出结论，PCB基互连在所有测试C-rate下再现原始Yuasa LIM50模块的电行为，电压和电流性能无显著差异。在实验室自然对流条件下、匹配放电阶段，平均单体温升在2 C为13.2 °C（原始）对13.0 °C（PCB），3 C为18.0 °C对18.4 °C，每循环能量损失差异在6%以内。监测单体间的温度均匀性未改善。引言中提出的假设——PCB基互连在1 C和2 C下将最高单体温度至少降低5 °C——在2 C未获支持，在1 C无法评估，因为原始1 C测试温度记录不可用。能量平衡和阶跃电阻分析表明，互连焦耳热至多为模块内120–180 W产热的小部分，这解释了为何更换线束不会可测量地改变单体温度。因此，PCB设计达到与原始线束相当的热和电性能，表观电阻相当或略低。其实际优势在于装配和集成：互连作为单个已测试单元交付并集成电压传感，通过压接安装而无需手工布线或压接，并可在不扰动单体的情况下拆卸。原型数量下PCB不比所替代线束便宜，但由于PCB成本随产量下降而线束成本由人工主导，该方法对电动汽车和固定式储能中的锂离子模块是有前景方向。本研究限于每条件单次测试且配置间起始温度不同。未来研究应包括匹配起始条件下的重复测试、延长循环测试、机械振动和湿热评估、量产成本分析，以及与先进电池管理系统（BMS）集成以评估该设计的长期耐久性和大规模适用性。