發電?儲能一體化柔性電源系統結構熱特性仿真研究

陸鳴雷，張 圳，周麗華，王小順，葉曉軍，李紅波，孫利杰，吳勇民，靳 洋，劉世超

（1.華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237；2.上海空間電源研究所 空間電源技術國家重點實驗室，上海 200245）

0 引言

近年來，月球探測已成為各國空間探索的熱點，月球探測技術手段從月球飛躍探測、環繞探測，逐步過渡到建立月球基地、載人登月和無人月球車方向發展［1］。隨著未來科學探測活動的不斷深入，探測任務范圍擴大，宇航員、無人月球車等的活動半徑將不斷拓寬，活動時間大幅延長，由此對便攜式應急能源的需求迫在眉睫。而基于柔性薄膜砷化鎵GaAs 太陽電池［2］、全固態薄膜鋰電池（Thin Film lithium Battery，TFB）［3］，以及柔性管理電路組成的發電-儲能結構一體化電源系統，可滿足月球工作環境、探月任務特點等對應急電源的系統形態、性能等要求。

由于月球表面的日夜溫差大，一體化電源系統內部不同材料之間會產生很大的熱應力，破壞相關結構，導致電源系統失效。本文結合電源系統在月球表面的工作環境，通過仿真模擬，掌握太陽電池工作狀態，得到電池組件溫度場和熱應力場的分布，進而對一體化電源系統結構進行優化。本文仿真采用ANSYS 有限元分析軟件［4］，通過軟件對實體系統建模，網格劃分構建有限元模型，分析計算電源系統在工作條件下的穩態溫度場分布；并且耦合分析應力場分布，得到電源系統內部等效應力與熱形變，完成不同結構電源系統在實際工作下的狀態評估。

1 一體化電源系統結構設計

1.1 參數化電源系統結構建模

發電-儲能一體化電源系統按功能與結構分層，主要分為11 層（如圖1 所示），從上到下依次為透光耐候層、光學黏結層、光伏電池電路層、過渡材料層、氧化物SiO2絕緣層、鋁Al 沉積襯底層、過渡材料層、SiO2絕緣層、儲能電池電路層、隔熱黏結層、基底層，整體厚度約200 μm 左右。

圖1 一體化電源系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated power system

圖中，透光耐候層、黏結膠膜（光學黏結、隔熱膠接）使用含氟塑料（Ethylene Tetra Filo Ethylene，ETFE）以及熱熔膠膜（Ethylene-α-Olefin Copolymer，POE）材料，背面封裝材料選用柔性聚酰亞胺（Polyimide，PI）膜。光伏電池電路層包含多結GaAs 電池與銀導線部件。多結GaAs 電池各層材料相近，密度取為5.307 g/cm3，厚度設計為15 μm。過渡材料層由多層金屬材料組成，靠近GaAs 電池側的材料結構為鈦Ti（0.1 μm）+金Au（1 μm）+鈦Ti（1 μm）+模擬備選材料（本文將鉻Cr 與鎳Ni 作為備選材料），靠近TFB 一側的過渡材料層同樣需要模擬計算進行篩選。TFB 本身結構較為復雜，本文視作整體進行簡化處理。其整體的物理性質按照正極/電解質/負極材料的膜厚作加權平均計算獲得，整體厚度為7 μm，密度為2.990 g/cm3。依據鍵合結合的制作方法，層與層之間設置為不發生相對滑移的綁定模式。

GaAs 與TFB 通過銀電極互聯，中間串聯芯片實現智能化管理。本文模擬重點為過渡層材料和電池分布方式對整體結構的熱應力影響，故不對電極、電池以及電池與管理芯片的局部熱應力分布情況進行研究，電極與電池的接觸方式在本文中簡化為相鄰緊密接觸，按照綁定方式進行模擬，如圖2所示。

圖2 銀電極與GaAs 電池及TFB 的連接方式Fig.2 Schematic diagram of connection among GaAs cells，silver electrodes，and TFBs

隔熱黏結層與基底層可以實現隔熱、支撐以及平滑彎曲變形的功能作用。針對不同的應用設備，可以靈活更換基底材料。本文將一體化電源系統視為獨立運行器件，PI 薄膜直接暴露在空間環境中。

1.2 熱模擬環境分析

飛行器在月球表面工作，使用環境溫度為-180～180 ℃［5］，模擬使用的太陽能光譜為AM0，假設工作時間段太陽光譜保持不變，考慮熱量主要來源為GaAs 電池和TFB，熱量在系統內部以固體傳導形式擴散。層與層之間通過鍵合的方式緊密接觸，因此，不考慮額外的接觸熱阻。熱損失途徑為一體化電源前表面ETFE 層與后表面PI 層面向環境的紅外輻射損失。

2 電池組件的產熱計算

2.1 熱數學模型的建立

在系統正常充電過程中，太陽光輻射的能量由于反射與透射而未被光伏電池所吸收，則實際可以吸收的能量Eabsorb為

式中：α（λ）為材料對光譜能量的吸收率，可以通過分光光度計測試獲得的反射率R（λ）與透射率T（λ）間接計算獲得；Acell為光伏電池面積；E（λ）為光線按波長分布的能量密度，本文特指AM0 光譜。

GaAs 多結電池的光電轉化效率在良好散熱的情況下可以達到35%以上，而高溫環境下，半導體本征載流子濃度增大，電池輸出電壓的減小導致電池轉化效率下降［6］，本文假設電池轉化效率恒定為30%，簡化了溫度對熱學模型的反饋作用。由于封裝材料對短波長的光也有吸收作用，假設實際到達電池表面的波長將大于380 nm，而多結電池的截止波長可以達到1 700 nm，則實際被光伏電池吸收轉化為電能的大小Eelectricty為

其余能量轉化為熱能qcell：

根據文獻［3，7-9］，電池充電效率與電池本身的荷電狀態和充電速率有關，鉛酸閥控電池的充電轉化效率為95.6%～99.6%，鎳氫電池為75%～80%，鎘鎳電池為80%～85%，以此作為估計TFB 的充電轉化效率的依據，估算電轉化效率為95%，則由固態鋰電池引起的熱流密度qcharge為

式中：Abattery為TFB 的面積。

除了上述的兩種主要熱量產生途徑以外，另外還有一些次要因素引起的熱量，如未覆蓋光伏電池的器件區域對光的吸收、器件背面對地面反射光的吸收等因素，本文簡化為對AM0 光譜EAM0剩余能量的二次利用，記為qelse：

X記為次要因素對單位面積照射剩余能量的利用率，在前期的模擬結果比較中得知，X從0 到1 的取值會影響器件最高溫度變化最大約22 ℃，最低溫度變化最大約12 ℃。因此，X在本文的模擬工作取0.5，作為次要因素對模擬結果的貢獻。另外，瞬態模擬分析表明，當環境溫度發生變化時，作為薄膜化一體系統可以快速恢復穩態，故實驗結果主要展示穩態溫度場與應力場。

在月球表面，物體主要以熱輻射的形式耗散熱量，耗散的熱流密度記為qrad，參照ETFE 材料的熱輻射率測試結果，假定前背表面都為0.8，則模型穩態時的整體熱流量公式為

2.2 組件產熱計算

將多結砷化鎵電池樣品進行分光光度計測試，吸收率α（λ）結果如圖3 所示。

圖3 GaAs 電池吸收率曲線Fig.3 Absorption rate curve of GaAs cell

在圖3 中，未測試部分1 310～1 700 nm 波段估算平均吸收率為13%，1 700 nm 以上假設無吸收。根據ASTME-490 的標準光譜數據，按波長區段進行數值積分，結果見表1。

表1 按AM0 各波段計算產熱熱量結果Tab.1 Generated heat results of AM0 at different wavelengths

380 nm 以下屬于紫外光波段，該波段極其容易被物體吸收，可以認為光在到達組件的電池電路層之前，紫外光波段能量已經ETFE 層和POE 層所吸收，轉化為熱能。由于能量占總能量的百分比為6.23%，占比較少且接近GaAs 電路層，因此，將這部分熱量匯總到GaAs 層進行模擬。380～2 000 nm 屬于近紫外光-可見光-近紅外光區域，該波段可以大部分透過組件表面物質層到達電池電路層并轉化為電能與熱能。2 000 nm 以上屬于遠紅外波段，該波段能量占比較少，視為全部反射，無熱能吸收。

GaAs 電池的總面積與TFB 保持一致時，TFB在充電時的熱流量密度為410.4×（1-0.95）=20.5 W·m-2，由于位置的特殊性，因此，需要作為第2 種熱流源進行模擬。最終產生的總體熱流密度qtotal估算結果為

3 穩態溫度場的模擬分析結果

假設一體化電源模塊基本單元的尺寸為10 cm×12 cm，柔性多結GaAs 電池和TFB 的分布圖如圖4 所示。在模擬過程中，對管理芯片區域用封裝材料進行填補。

圖4 TFB、GaAs 電池與電極分布圖Fig.4 Distributions of TFBs，GaA cells，and electrodes

TFB 由鈦酸鹽與鈷酸鋰組成正負電極，鈷酸鋰的彈性模量可以達到172 GPa［10］，鑭系鈦酸鹽的彈性模量在140～189 GPa［11］。以此為依據，結合各層材料膜厚加權平均估算TFB 的彈性模量約179 GPa 左右，大于本系統中大部分材料，僅次于GaAs 電池的彈性模量。GaAs 電池的彈性模量以GaAs 強度為依據，設置為9 100 GPa［12］，可見GaAS電池與TFB 的分布方式將極大程度影響器件熱應力分布情況。

不同分布方案模擬過程中選用的過渡層材料為鎳，其彈性模量大于TFB，為209 GPa［13］，厚度為2 μm。當環境溫度為0 ℃時，ANSYS 的溫度場分布模擬結果如圖5 所示。

圖5 環境溫度0 ℃時，分布方案a 中TFB 的溫度場分布（單位：℃）Fig.5 Distribution of the temperature field of the TFB in Scheme a when the ambient temperature is 0 °C（unit：°C）

由于兩種分布方案中TFB 的厚度與總面積保持不變，產熱量一致，模型的溫度場分布趨勢不變。溫度的極值隨分布方案變化差值小于1 ℃。系統溫度極值隨環境溫度變化的結果見表2。

表2 一體化系統的極值溫度隨環境溫度變化Tab.2 Extreme temperatures of the integrated system at different ambient temperatures

觀察形變模擬結果，兩種分布方案的最大形變在不同環境溫度下都出現在GaAs 層靠近管理芯片處的電極處，其次是TFB 層靠近管理芯片處的電極處，見表3，分布方案a 在極端溫度的使用條件下的電極形變量相對較小。

表3 不同方案在不同環境溫度下的電極最大形變量Tab.3 Maximum deformation results of electrodes in different schemes at different ambient temperatures

GaAs 電池層到固態鋰電層之間的各層材料的形變隨溫度變化相對不大，過渡層的形變分布位置隨分布方案變化明顯，如圖6 所示。

圖6 環境溫度0 ℃時，不同方案的過渡材料層形變示意圖（單位：m）Fig.6 Deformation diagrams of the transition material layer in different scheme at the transition material layer of 0 °C（unit：m）

由于模型中的GaAs 電池材料的彈性模量遠高于其他材料，在熱應力分布的模擬中，系統的熱應力主要集中在光伏電池電路層。當環境溫度為0 ℃時，兩種TFB 分布方式對熱應力分布影響不大。但在極端溫度條件下，方案a 的應力分布相對更加均勻，最大應力值比方案b 的最大應力值小，如表4 和圖7 所示。

圖7 極端環境溫度下，不同分布方案的砷化鎵層的等效應力圖對比（單位：Pa）Fig.7 Equivalent stress results of the GaAs cell layer in different schemes at extreme ambient temperatures（unit：Pa）

表4 不同方案在極端環境溫度下的最大等效熱應力Tab.4 Maximum equivalent stress results of the GaAs cell layer in different schemes at extreme ambient temperatures

經過模擬結果的對比，分布方案a 在形變和內部等效應力方面與分布方案b 相比有一定的優勢。推測原因是TFB 數量更多的分布方案b 有更多的電極/電池接觸，電極的形變導致熱應力的分布更加集中。

通過在功能材料之間設置熱性能梯度變化的過渡層材料，可以減少不同功能層之間的熱失配問題［14］。本文備選的過渡層材料Ni 與Cr 的熱性能參數在GaAs 與TFB 之間。Cr 相較于Ni，熱膨脹系數更低，但彈性模量較高，導熱系數較低，見表5。其作為過渡層材料的模擬結果見表6。

表5 Ni 與Cr 的物理性能表［14］Tab.5 Physical properties of Ni and Cr［14］

表6 不同厚度、不同過渡層的模擬項目極大值Tab.6 Maximum results of simulated iterms of different transition layers with different thicknesses

當過渡層材料厚度較小時，熱力學緩沖作用不夠明顯，無法體現材料種類之間的差異性。在厚度為6 μm 左右，Cr與Ni都可以獲得相近的溫度極值與最大應力。由于Cr 的熱膨脹系數更低，層與層之間的應變緩沖作用更明顯，從而使電極的形變更小。當過渡層厚度繼續增大，導熱系數更低的Cr 會增加熱量傳導的熱阻，器件的溫度最大值下降更慢。電極的形變會隨著厚度的增加而再次增加，從薄膜器件設計角度考慮，也不宜采用厚度更高的設計方案。

通過增加電極寬度可以減弱電極形變集中的問題。在分布方案a 中，電極寬度改變前后的最大形變量值見表7。將電極寬度從原來的1 mm 增加至4 mm，電極的最大形變量下降。

表7 不同電極寬度在極端溫度下的最大形變量Tab.7 Maximum deformation results for different widths of electrodes at extreme ambient temperatures

銀的導熱系數較大，可達418.6 W·m-1·K-1，與發熱源GaAs 處于同一層平面內，有助于熱量均勻化，因此增寬的電極有效地減小了應力集中的問題。電極集中形變的問題被有效避免后，需要重新評估過渡層材料的種類和厚度對溫度分布和應力分布的影響，在6～10 μm 的厚度范圍內，Ni 比Cr 更具有性能上的優勢。

4 結束語

本文通過建立應用于月球表面環境的光伏-儲能一體化系統的結構模型和熱傳導的數學模型，分析得到系統器件的產熱能量密度為776.6 W·m-2，并仿真獲得器件在極端溫度下穩態工作的溫度分布圖，在此基礎上仿真模擬得到了器件在不同鋰電池分布方式下的材料形變情況與熱應力分布。

模擬結果表明，整體化的TFB 分布設計對于熱應力分布更加友好。器件的形變主要來自于銀電極彎曲，增加電極寬度可以減少電極的集中形變的現象。過渡層材料的選取需要綜合考慮導熱系數、彈性模量等因素對結果的影響。隨著過渡層厚度的增大，原先的積極影響反而會成為失配的原因，需要進行不斷地嘗試才可以獲得最優的設計方案。仿真的結果對于一體化組件的結構優化和工作狀態的掌控具有指導意義，為后續的結構參數選取工作提供參考方案。