一、目的及意义（含国内外研究现状分析）

超级电容器是近些年出来的一种新型的储能元件，介于电池和普通电容之间，属于过渡部件。其具有放电速度快，使用寿命长，功率密度高，工作温限宽，免维护，绿色环保等优点。之前由于超级电容器的比能量过低，放电时间太短，导致其很难应用于汽车领域。随着超级电容器技术的发展，如今它已经成为汽车领域研究和应用的热点。因此，研究超级电容器在客车上的应用很有必要。本文从超级电容器的结构，工作原理出发，研究以MnO2为电极材料的超级电容器的各种化学性能（充电时间，工作范围，充放电效率等），并且依据大客车使用超级电容器的工作条件，使用comsol软件对其工作性能进行仿真测试。

针对超级电容器的设计和性能仿真，国内学者采用的方法和研究现状如下：丰俊，丁晓峰等认为超级电容器是20世纪60年代发展起来的一种新型储能器件,它充电速度快、使用寿命长、低温性能优越、功率密度大等优势吸引着工程师们的兴趣。而随着科技的进步，绿化少污染也成为人们越来越需要考虑的问题。觉得研究超级电容器很有必要^（1）。毕治功,王涵,张谦等人觉得MnO2是一种极具潜力的超级电容器用电极材料，石墨烯具有高电导率和大的比表面积等优良特性，因此将MnO2和石墨烯相结合作为其电极材料，可以提高石墨烯的有效比表面积和比容量,充分利用各自的性能相互补偿^（2）。姜峰等人以泡沫镍为集流体,采用压片法在8MPa压力下制备锰基超级电容器电极材料;分别在1mol/L Na₂SO₄、1mol/LKOH两种电解液中测试了电极材料的循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等电化学性能。研究结果表明,超级电容器中锰基电极材料在KOH电解液中的综合电化学性能高于Na₂SO₄电解液^（3）。崔丽华等人采用水热法在阳极氧化的TiO₂纳米管阵列上修饰MnO₂,制备MnO₂/TiO₂复合物电极,并组装为对称超级电容器。利用FESEM、TEM、XPS和电化学工作站对样品的表面形貌、元素价态和电化学性能进行表征，结果表明，这样既可以减轻超级电容器的质量，又可以提高其效率。^（4）杨泽明等人以Maxwell公司的BCAP0310型号的超级电容器为研究对象,通过理论分析建立超级电容器的等效仿真电路模型,确定该模型的各项参数,完成对超级电容器单体的建模。利用SIMULINK软件对现有的主要超级电容器串联均压方法进行仿真验证及分析,在此基础上提出采用两级均压控制的超级电容器串联分组均压法^（5）。彭信松结合了城轨交通列车在行车过程启动与制动的特点,选择了双向DC/DC变换器作为列车超级电容储能回馈制动系统中主电路的变流器拓扑结构。并且对城市轨道列车在启动和制动过程中释放的能量进行详细的研究,由此来计算储能系统容量大小。通过控制电机的运行方式来模拟城轨车辆的启动和制动,通过对加入车载超级电容前后的电压、电流等仿真波形的分析，得出超级电容储能系统可以起到稳压和节能的要求的结论^（6）。刘卓通过对电动车爬坡加速,匀速行驶以及减速制动的工况进行分析,得到所需电容器模组。对比选择合适的SOC估计方法来估算其荷电量,并利用matlab中的simulink来搭建所需的模型,对超级电容器的充放电特性实验,验证其在小型电动车上单独使用的可行性^（7）。侯智剑在合理的简化和假设后在ANSYS中建立了超级电容器二维电场有限元仿真模型,获得电容器内部整体和局部场强集中处的场强分布,给出最大场强所在路径上的场强分布并对结果进行了理论分析。基于该模型对多孔电极孔型、介电常数、电解液结构参数和材料属性对电容器内部场强分布的影响规律进行了研究,获得了相关参数对电容器内部场强的影响规律^（8）。金翠辰通过对超级电容器储能系统的分析,确定Buck-Boost电路为变流器主电路结构；对其工作过程进行分析,建立数学模型；对超级电容器储能系统通常采用的平均电流控制方式进行分析，分别从系统的结构,系统的控制方式和变流器结构这几方面提出具体的改进方案^（9）。余聪聪采用有限元法，用comsol软件对数值模型进行耦合分析,重点考虑了上述电源体系中的电化学反应、物质传输和电荷传递等过程，研究表明:基于二元电解质浓溶液理论建立的赝电容超级电容器模型,因考虑了金属氧化物颗粒内质子扩散作用和带电粒子不均匀分布对电势的影响,因而相比基于二次电流分布建立的赝电容电容器模型,能更好的描述固相扩散对超级电容器性能的影响,以及金属氧化物颗粒尺寸增加会导致出现放电容量衰减等问题^（10）。

针对超级电容器的设计和仿真，国外学者的研究现状如下：Asim Mohammed 以MnO 2为电极材料，以PVA-KOH凝胶为电解质，合成了柔性全固态超级电容器。通过水热合成法将MnO 2纳米线状结构接枝到活性炭上。通过扫描电子显微镜，氮吸附/解吸等温线，X射线衍射，拉曼光谱和X射线光电子能谱技术表征所制备材料的微观结构，得出电压范围gt; 1.6 V时，合成的MnO 2衍生的活性炭杂化复合材料具有独特的结构，在柔性全固态超级电容器中具有相当大的潜力^（11）。Chenglong Hao建立了不对称超级电容器的数学模型。Mn₂O₄电极和活性炭(AC)电极。在COMSOL多物理模型中，采用包括电场和浓度场在内的动力学模型，研究了交流电极厚度对超级电容器性能的影响。通过模拟锂离子的产生、消耗和迁移，得出当电流密度小于200 A/m时，Ragone图中能量密度和功率密度的相对误差小于10%，在超级电容器中发现了一种独特的弛豫效应^（12）。Wang XiaoFeng提出了一种Li Mn_2O_4/C混合超级电容器的建模与仿真方法。对模型的关键参数进行了识别，并采用各种精确的测量方法进行了测量，通过模拟得到了Li Mn_2O_4/C混合超级电容器的精确充放电曲线.表明，模拟和实验得到的充放电曲线拟合良好，充放电时间的相对误差小于5%。然后还设计了一种三维电极结构的MEMS混合超级电容器，并对其微电极内的反应机理进行了研究^（13）。Mohamed Ali Ben Fathallah从超级电容器有功率密度高等特性，提出了超级电容器的三支路RC模型，描述了超级电容器在充放电和静止阶段的不同运行动态。通过对Zubeta的实验研究，验证了该模型的良好性能，并与光伏转换链交流电机中的电池进行了比较^（14）。Sang-Hyun Kim讨论了考虑参数变化和自放电的超级电容器等效电路模型的动态仿真。采用等效阻抗对自放电进行建模，包括恒相元件，并考虑了参数随电压的变化规律。建立了自放电的等效阻抗模型。在仿真中引入了对三个R-C并联电路的等效变换。通过与实验结果的比较，验证了该模型的模拟精度。提出的方法可用于包含超级电容器的系统的开发，并可应用于超级电容器和电力电子系统的综合仿真^（15）。

2. 研究的基本内容与方案

二、设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1 . 设计的基本内容

此次设计围绕MnO2超级电容器，根据超级电容器的结构和工作原理，建立超级电容器在大型客车上的数学模型，并利用simulink/comsol软件进行仿真实验，将其看成一个等效电路，形成可求解的数值模型，利用科学计算方法进行数值模拟计算，并将得到的结果和现有的实验结果相比较，以此验证模型的可靠性。这次设计仿真在充分假设的基础上对现有复杂现象进行简化，以充放电功率和温度等为输入量，以电压，SOC等为输出值的数学模型，最终模拟计算出超级电容器的电化学特性以及在客车的动力性和经济性。

2．研究（设计）的目标

（1）了解超级电容器在大客车上的应用以及设计流程。

（2）学习超级电容器的结构和工作原理， 以MnO2为电极材料，组装超级电容器并进行电化学测试其性能，并完成相应图纸工作。

（3）学会使用simulink/comsol等软件对超级电容器进行仿真。

3. 拟采用的技术方案及措施

（1）查阅关于超级电容器的文献资料，学习超级电容器的结构和工作原理，了解超级电容器的关键技术，了解超级电容器在汽车上的应用和发展前景，了解我国在超级电容器利用领域的发展现状，了解国际上关于超级电容器的最新研究进展。

（2）以MnO2为电极材料，对超级电容器进行组装，完成设计之后对其进行电化学性能的测试。。