超级电容器的多物理场动力学行为研究

发布时间：2017-08-24 03:37

  本文关键词：超级电容器的多物理场动力学行为研究

  更多相关文章： 超级电容器 多物理场动力学行为 COMSOL 有限元法 电化学-热耦合 虚拟优化设计

【摘要】：超级电容器作为一种新型储能元件,有着非常广阔的应用前景。超级电容器的工作机制不同于传统电池和静电电容器,它具有超高电容量、高功率密度、快速充放电、无污染、循环寿命长、低温性能越优等优点。一个理想的超级电容器需要具备良好的电气性能,包括：大的比电容、宽的工作电位区间和小的欧姆阻抗。超级电容器的电气性能受其电化学行为和热行为的影响,这些行为表现主要由材料、结构和运行环境所决定,它们既相互影响又相互制约。本文针对卷绕式超级电容器单体的结构和运行环境进行研究,在深入总结、分析超级电容器建模的基础上,利用有限元多物理场分析软件COMSOL Multiphysics对其电化学模型和热模型进行建模与耦合,深入分析其多物理场动力学行为。本文首先建立了以电化学理论为基础的电化学模型,在COMSOL环境下建立仿真模型,利用有限元法计算分析其不同恒流充放电状态下的电化学场时间-空间分布情况,并通过恒电流循环技术计算获得其电气性能参数。该方法可以模拟出超级电容器内部的微观动态和外部的宏观表现,为器件的虚拟动态研究提供了新方法。其次,建立了以热力学理论为基础的热模型,并实现了与电化学模型的电化学-热耦合,利用COMSOL建立有限元仿真计算模型,模拟了超级电容器的温度场时间-空间分布,分析了电流密度与热对流系数对超级电容器温度场的影响。最后基于以上的多物理场研究理论与方法,通过改变卷绕式超级电容器的封装单元结构,研究了单元结构对其电气性能和热性能的影响,并根据不同的应用环境提出了相应的优化建议,实现了对超级电容器单体的虚拟优化设计研究。
【关键词】：超级电容器 多物理场动力学行为 COMSOL 有限元法 电化学-热耦合 虚拟优化设计
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 超级电容器的结构特点及工作原理12-14
• 1.2.1 超级电容器的结构特点12-13
• 1.2.2 超级电容器的工作原理13-14
• 1.3 超级电容器的多物理场研究现状14-15
• 1.4 论文的主要内容15-17
• 第2章 超级电容器的多物理场分析17-26
• 2.1 超级电容器模型分类17-22
• 2.1.1 双电层模型(电化学模型)17-20
• 2.1.2 电气模型20-21
• 2.1.3 热模型21-22
• 2.2 超级电容器的多物理场研究方法22-24
• 2.2.1 实验测试技术22-23
• 2.2.2 模拟预测技术23-24
• 2.3 COMSOL在超级电容器多物理场研究中的应用与意义24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 超级电容器电化学模型的有限元建模26-40
• 3.1 超级电容器的电化学理论26-30
• 3.1.1 电中性和电荷守恒理论26
• 3.1.2 电解液质量传输理论26-28
• 3.1.3 欧姆定律28-29
• 3.1.4 二元电解质29-30
• 3.2 恒电流循环技术30
• 3.3 电化学模型的有限元建模30-35
• 3.3.1 计算区域30-31
• 3.3.2 控制方程31-34
• 3.3.3 边界条件34
• 3.3.4 初始条件34
• 3.3.5 有限元网格划分与求解计算34-35
• 3.4 超级电容器电化学行为的后处理分析35-39
• 3.4.1 一次恒流充放电(有间歇阶段)35-38
• 3.4.2 恒流循环充放电(无间歇阶段)38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 超级电容器电化学-热耦合建模40-53
• 4.1 超级电容器的热生成率40-41
• 4.1.1 焦耳热生成率40
• 4.1.2 可逆热生成率40-41
• 4.2 三种基本传热方式41-43
• 4.2.1 热传导41-42
• 4.2.2 热对流42-43
• 4.2.3 热辐射43
• 4.3 传热热阻与热路分析法43-44
• 4.3.1 传热热阻43-44
• 4.3.2 多层平壁导热44
• 4.4 圆柱卷绕式超级电容器电化学-热耦合模型的有限元建模44-49
• 4.4.1 几何模型44-45
• 4.4.2 产热过程45-46
• 4.4.3 散热过程46-48
• 4.4.4 初始条件48
• 4.4.5 电化学-热耦合48-49
• 4.4.6 有限元网格划分与求解计算49
• 4.5 超级电容器热行为的后处理分析49-52
• 4.5.1 最大温度-循环次数曲线50
• 4.5.2 温度场分布50-51
• 4.5.3 电流密度对最大/最小温度的影响51-52
• 4.5.4 热对流系数对最大温度的影响52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 超级电容器的单体设计优化研究53-60
• 5.1 封装单元结构对超级电容器电气性能的影响53-56
• 5.1.1 封装单元数量的影响53-54
• 5.1.2 单元尺寸的影响54-56
• 5.2 封装单元结构对超级电容器热行为的影响56-59
• 5.2.1 封装单元数量的影响56-57
• 5.2.2 单元尺寸的影响57-58
• 5.2.3 虚拟优化设计58-59
• 5.3 本章小结59-60
• 第6章 结论与展望60-62
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66-67
• 致谢67

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘建新;超级电容器在直流电源系统中的应用[J];华东交通大学学报;2002年03期

2 桂长清;新型贮能单元超级电容器[J];电池工业;2003年04期

3 ;超级电容器[J];电源世界;2004年03期

4 文建国,周震涛,文衍宣;超级电容器材料研究的辩证思维[J];东莞理工学院学报;2004年01期

5 李荐,钟晖,钟海云,戴艳阳,温俊杰;超级电容器应用设计[J];电源技术;2004年06期

6 Bobby Maher;;超级电容器简介[J];今日电子;2006年01期

7 王鑫;;超级电容器在汽车启动中的应用[J];国外电子元器件;2006年05期

8 Matt Reynolds;;替代能源中的超级电容器介绍[J];今日电子;2006年07期

9 陈新丽;李伟善;;超级电容器电极材料的研究现状与发展[J];广东化工;2006年07期

10 常建中;;超级电容器串联应用中的均压问题以及解决途径[J];长治学院学报;2006年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 马衍伟;张熊;余鹏;陈尧;;新型超级电容器纳米电极材料的研究[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年

2 张易宁;何腾云;;超级电容器电极材料的最新研究进展[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

3 钟辉;曾庆聪;吴丁财;符若文;;聚苯乙烯基层次孔碳的活化及其在超级电容器中的应用[A];中国化学会第15届反应性高分子学术讨论会论文摘要预印集[C];2010年

4 赵家昌;赖春艳;戴扬;解晶莹;;扣式超级电容器组的研制[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

5 单既成;陈维英;;超级电容器与通信备用电源[A];通信电源新技术论坛——2008通信电源学术研讨会论文集[C];2008年

6 王燕;吴英鹏;黄毅;马延风;陈永胜;;单层石墨用作超级电容器的研究[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集（上册）[C];2009年

7 赵健伟;倪文彬;王登超;黄忠杰;;超级电容器电极材料的设计、制备及性质研究[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

8 张琦;郑明森;董全峰;田昭武;;基于薄液层反应的新型超级电容器——多孔碳电极材料的影响[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

9 马衍伟;;新型超级电容器石墨烯电极材料的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

10 刘不厌;彭乔;孙s，

本文编号：728990