超级电容的失效模式分析及设计改进

2019.10Vol.43No.10

收稿日期：2019-02-19

基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFB1201005，2017YFB0308202)；国家工业强基专项项目(0714-EMTC02-5593/5)

作者简介：乔志军(1985—)，河北省人，博士，高级工程师，主要研究方向为储能器件研究及工程化。

通信作者：阮殿波，E-mail ：ruandianbo@https://www.wendangku.net/doc/47386351.html,

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超级电容的失效模式分析及设计改进

乔志军，于学文，袁

峻，郑超，阮殿波

(宁波中车新能源科技有限公司中国中车超级电容储能及节能技术研发中心，浙江宁波315112)

摘要：采用设计失效模式与效果分析(DFMEA)方法分析设计制造过程中超级电容的性能可靠性。通过建立超级电容三大关键指标的故障原因，分析能量密度、功率密度、漏电的失效后果及机制，提出设计制造过程中的修正措施，提高超级电容性能的可靠性。

关键词：超级电容；失效模式；DFMEA ；能量密度；漏电中图分类号：TM 53

文献标识码：A

文章编号：1002-087X(2019)10-1688-02

DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2019.10.030

Failure mode analysis and design improvement of supercapacitors

QIAO Zhi-jun,YU Xue-wen,YUAN Jun,ZHENG Chao,RUAN Dian-bo

Abstract:The design failure mode and effect analysis (DFMEA)method were adopt to analyze the reliability of supercapacitors in the design and manufacturing process.By establishing a fault tree with three key indicators of supercapacitors,the failure consequences and mechanism of energy density,

power density and leakage were

analyzed,

and the corrective measures in the design and manufacturing process were proposed to improve the

reliability of supercapacitors.

Key words:supercapacitors;failure mode;DFMEA;energy density;leakage 超级电容作为一种具有高功率、高安全、长寿命、宽使用温度的储能器件，已经被广泛应用于轨道交通车辆、新能源汽车、节能领域及军工大功率装置等[1-4]。但是超级电容毕竟是一种高能量的储存装置，因此其真实的寿命及安全性是使用者最为关注的，尤其是在车载以及超大功率使用场合。2015年，杭州290路油电混合动力公交车和上海11路超级电容公交车发生起火，虽然起火的原因是由诸多因素造成，但是也说明了超级电容的设计、制造过程没有得到充分的验证，忽略了失效的分析和验证。

设计失效模式和影响分析(DFMEA)是对产品设计中潜在故障的原因和影响进行系统的预防性分析，并贯穿于整个开发过程的一种手段。本文通过超级电容的失效结果，建立超级电容自身的关键失效因素，分析能量密度、功率密度、漏电的失效机制，并采用DFMEA 修正设计制造过程中存在的工艺问题，提高超级电容性能的可靠性。

1超级电容故障

超级电容故障大致分为几种：(1)容量衰减过快，致使储能装置总体储能量降低，车辆续航能力变差；(2)内阻增大，功

率密度降低，单体产热量增加，加速了电极材料与电解液的产气反应及电解液溶剂的挥发，导致单体内部气压过大，最终单体破裂后引燃电解液；功率密度下降，大功率储能装置的放电能力明显下降；(3)漏电(自放电)变大，超级电容节能效果明显下降，同时因均衡板需长时间开启，均衡电流积累热量，容易烧损均衡板，引起储能系统失效；(4)外部充电装备、均衡板、电连接等因素，例如过压、过流、均衡板和电连接失效等导致单体过热，以致发生连锁故障；(5)其他外部环境所致，例如燃烧、振动、撞击等。

综上所述，超级电容由于自身的原因引起故障的三大关键失效因素为容量失效(或能量密度失效)、内阻失效(或功率密度失效)、漏电失效。

2超级电容DFMEA 分析

2.1能量密度DFMEA 分析

能量密度的潜在失效模式为电极失效。电极失效的原因为：(1)电极配方失效；(2)电极密度低；(3)碳材料衰减速度快。

电极配方失效的潜在失效原因为固含量低、浆料粘度低、浆料分散不均匀，现用预防措施主要是严格控制原材料配比，取样检测浆料粘度，依靠浆料粘度判断浆料分散均匀性。采用图1所示的工艺流程，可实现自动化控制原材料配比，粘度的在线监测。在固含量配比(固体∶水)一定的条件下，通过调节搅拌桨的转速，可实现粘度的可调。粘度的一致性，直接影响涂覆层的附着力及碳层厚度和电极密度。由于浆料在电容制