摘 要

超级电容器是一种新型的绿色电化学储能元件，在当今社会的各领域里得到了广泛的使用，但在充放电以及行车过程中超级电容器的温度会发生变化，而其性能受温度的影响较大。

本文简要地对比了几种储能元件的优缺点，并对超级电容器的原理以及常见的等效电路模型进行了分析。在此基础上，借助Matlab/Simulink建模仿真软件搭建了超级电容器的数学建模，得到了恒功率放电和恒电流充电的图形。本文使用ANSYS仿真分析软件建立了超级电容器的三维有限元模型，并进行了热分析，研究了超级电容器内部温度的变化。

另外，本文分别介绍了能量约束法、功率约束法这两种超级电容器模块优化设计的方法，并运用功率约束法进行了超级电容器模块的设计。在文章最后对超级电容器模块的热管理进行了简要设计。

关键词：超级电容器；热分析；优化设计；热管理

Abstract

Supercapacitor is a new type of green electrochemical energy storage element that has been widely used in various fields in today's world. But the temperature of supercapacitor can change in the charge, discharge and driving process, which has a great effect on the performance of supercapacitor .

The advantages and disadvantages of several energy storage components were briefly compared in this paper. And the principle, classification and common circuit models of supercapacitors were analyzed. On this basis, by means of modeling and simulated Matlab / Simulink software, the mathematical modeling of the super capacitor was made. And the graphs of constant power discharge and constant current charging were obtained. By means of simulation software of ANSYS, the finite element model of the supercapacitor was established in this paper, and the temperature of internal material of supercapacitor was studied by thermal analysis.

In addition, this paper introduces two methods of optimizing the design of supercapacitor modules, energy constraint method and power constraint method, and uses the power constraint method to design the supercapacitor modules. At the end of this paper, the thermal management of the supercapacitor module was briefly designed.

Key Words：supercapacitor；thermal analysis；Optimal Design；heat management

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外超级电容器发展现状 1

1.2.1 国外超级电容器发展现状 1

1.2.2国内发展现状 1

第2章 超级电容器的原理及其性能研究 1

2.1 超级电容器的储能原理 1

2.2 超级电容器的主要性能研究 1

2.2.1 静电容量 1

2.2.2内阻特性 1

2.2.3充放电倍率 1

2.2.4自放电率 1

2.2.5充电特性 1

2.2.6 放电特性 1

2.3超级电容器的常见模型 1

2.3.1 RC模型 1

2.3.2 三分支电路等效模型 1

2.3.3传输线电路等效模型 1

2.3.4电化学阻抗谱模型 1

第3章 超级电容器数学模型的建立以及热分析 1

3.1超级电容器的数学模型 1

3.1.1整体模型 1

3.1.2电子负载/充电器模型 1

3.1.3逻辑控制模型 1

3.1.4建模仿真结果 1

3.2超级电容器的几何模型 1

3.3 超级电容器热分析理论 1

3.3.1 热分析基本假设 1

3.3.2 温度分布控制方程 1

3.3.3 热边界条件 1

3.4 超级电容器有限元模型 1

3.5 仿真分析与结果 1

第4章 超级电容器模块的优化以及热管理设计 1

4.1超级电容器模块的优化设计 1

4.1.1能量约束法 1

4.1.2功率约束法 1

4.1.3功率约束法设计实例 1

4.2超级电容器模块的热管理设计 1

4.2.1传热介质的选择 1

4.2.2散热方式的选择 1

4.2.3电池箱结构的设计 1

4.2.5电池系统的加热设计 1

第5章 总结与展望 1

5.1设计总结 1

5.2进一步的研究展望 1

参考文献 1

附录A 1

附A1超级电容器充放电的选择 1

附A2超级电容器充电过程 1

致 谢 1

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

在汽车的发展的100多年里，速度不可不谓之飞速。到2016年年底，全国机动车的保有量有2.9亿辆，在其中汽车占有1.94亿辆。而到2030年全世界的汽车保有量将增加到16亿辆，汽车作为经济高速发展下产生的新式交通或者运输工具，在现代人们的生活中已经必不可少。

但是在汽车工业飞速发展的过程中，一方面促使了经济、社会不断的发展，另一方面对能源可持续发展和环境保护带来了诸多问题。在汽车需求持续增长的情况下，传统汽车所使用的化石燃料也日益增长，而与此相对的是传统的石油资源日益减少。此外，传统汽车在化石燃料的长期使用过程中，内燃机尾气排放对环境也造成了重大的污染，对人的健康状况也带来了较大的影响。

储能技术将可以有效地将这些可再生能源转化为可稳定输出的能源，来匹配人类对能源的需求。现今在动力汽车中常用到的储能元件有锂电池、铅酸蓄电池、镍氢电池以及超级电容器等。常用储能元件的性能指标如表1.1所示^[1]。