电池－散热器互连的典型结构

为了正确理解电池的冷却问题，必须详细分析热从电池到最终环境的路径，这个路径称为热链。点聚焦系统和类似菲涅尔聚焦系统都存在热链。热能通过汇聚的光线携带，简单来讲，就是照射到电池上不能转换为电能的那一部分光能，决定了热负荷的大小(在开路状态，匹配负载的电池比无负载电池经受的热负荷低)。

汇聚的光线被电池吸收并且产生“热”载流子(“热”载流子是指超出带隙的载流子能量，过剩的能量几乎立刻以热的形式释放出来)。在硅电池中，波长小于0.5μm的光不能被有效地转换成电能，因此，呈现很高的热负荷，并以波长小于5μm的光能释放。在薄膜电池中，所有的辐射能都被结构衬底顶部的薄的电池层所吸收，最终转化成热负荷。在上述两种情况下，从传热学的角度分析可知，电池的上表面可被看做是热源。适当的散热设计的目的是减小电池装配的总热阻，进而降低电池的工作温度。

通常电池的前表面有一个电极，背面有一个相反的电极(交叉背接触电池是个特例，它的两个电极都在电池的背面)。无论如何，电池的背面必须连接到其他电池的前表面(对于串联连接)或者连接到外电路中(通常情况下)。然而，由于许多电池通常都被安装在同一块基板上，因此，有必要让电池的背面与临近的电池绝缘。这和电子印刷电路板有很多相通的道理，如在印刷电路板上的SMD元器件必须被正确地连接并由导热良好的基板支撑，而且这种基板上必须没有任何短路才行。

因此，可以在结构基底上通过使用一层绘有图案的铜层将电池互连，结构基底既能导热又能绝缘。图7.3给出了导热体PCB的一个实例，焊锡已经沉积在待放电池的绘有图案的铜层上了。

基于电力电子设备的现状，主要有两种途径可以解决上述问题:太阳电池直接粘接到铜基板(DBC)上或绝缘金属基板上(IMS)。首先，也是最普遍的方法，就是在高温条件下将陶瓷板(通常为氧化铝)的两面粘接一层25～200μm厚的铜层。通过选择性化学蚀刻在上面的铜层(此技术同样适用于FR-4印刷电路板)上绘制电池互连所需的图案。下面的铜层通常是用于将其焊接到散热片或者换热器上的。

热阻主要集中在与电池材料热阻不匹配的陶瓷层。对硅基太阳电池来说，氧化铝作为陶瓷基底是一个很好的选择。在DBC中使用的材料包括以下几种。

(1)氧化铝(Al2O3)，由于价格便宜，因而使用最广泛，但其缺点是质脆、易碎且不是最优的导热材料。

(2)氮化铝(AlN)，价格较贵，但具有良好的导热性能。

(3)氧化铍(BeO)，导热性好，但有毒。

IMS是一种较好的选择，它主要是由覆盖着的一层很薄的绝缘层(通常是环氧树脂)和一层铜的金属基板(通常是铝)构成。尽管IMS结构简单，但是引入了约为100 μm厚的绝缘环氧树脂层，相比DBC来说其热阻较高。

电池背面(金属覆盖)和绘有图案的铜层间连接通常是在铜基板相应位置上焊接电池引线，采用的方式与SMD元器件非常相似。计算机辅助挑选和放置电池，元器件自对准和再流焊技术使得电池装配达到了产业化阶段。根据无铅法规条例，217℃的软焊操作需要对电池的热稳定性进行评估。

图7.3　导热印刷电路板基板的详图

此处绘有图案的铜表面已经为电池的焊接阶段做好准备(感谢意大利Muggio的Hybritec)

图7.4给出了采用氧化铝DBC的最终装配效果。DBC和换热器或者散热器间的连接或许会引起一些其他的问题，这主要是由于换热器通常是用铝材制作的，而铝不能直接焊接到铜上，所以在进入焊接阶段前，首先要镀上一层可焊的材料，如镍。另外一种方法就是选用铜或者不锈钢材质的换热器。

图7.4　带有串联电池的直接粘接铜基板的装配效果

假如换热器可以焊接到DBC的背面，但由于换热器本身具有尺寸和质量，这又会引起新的问题。一般情况下，在工业化生产过程中使用标准的机器可以将电池焊接到标准的DBC基板上。因此，在第二个阶段就是将DBC焊接到换热器上(许多DBC将被放置到相同的散热板上)，此时由于熔炉尺寸以及热质又会有新的问题出现。而且无铅法规会让问题变得更复杂，若采用含铅焊料，在第二个阶段很可能会使用熔点只有179℃的化合物Sn62Ag2Pb36，采用无铅化合物来焊接，其焊接温度高达217℃。这样可使电池互连免受第二阶段焊接的影响。无法使用含铅焊料极大地限制了温度变化的范围，无铅焊接对温度的要求更加苛刻。为符合参数要求，高质量、大尺寸的换热器需要特殊的炉子和控制设备。如果可以证明电池在高温条件下的热稳定性，那么另外一种方法就是使用硬钎焊化合物(在更高的温度下)用于电池的互连。如果无法直接焊接换热器，那么必须根据DBC和换热器的机械接触来考虑使用其他的解决方法。理论机械压力可以让粗糙度不同的表面获得良好的热接触，但是实际情况并非如此。这主要是由于真实的表面并非绝对的“平整”和光滑，两个“平”表面间实际上只是存在有限个点的接触，这极大地影响了它们之间的导热性能(很明显是向不好的方向影响的)。

正是因为如此，在大功率电子器件相应的散热装置之间有必要采用机械软界面层。这一界面层在压力作用下起着传热桥梁的作用，并可匹配元器件与散热装置对应的粗糙度。但是，软界面层又引入了额外的传热界面，它可能成为长期运行时发生故障的原因所在。

因为DBC的前面完全由电池覆盖和DBC本身采用易碎的陶瓷基底，所以采用施加恒定压力获得良好热接触的做法有可能出现问题——DBC很难承受得住诸如螺母紧压带来的强大的集中应力。

一种可行的解决方案是将电池焊接在DBC的前面，同时在DBC的背面焊接一层厚的铜层，然后通过一些插入金属层的机械手段(比如螺母)将其与换热器互连。