有轨电车用超级电容热管理研究
发布时间：2022-07-07 13:04
有轨电车以其节能环保、安全快捷等优势,在国内得到大力发展和广泛应用。在有轨电车高牵引功率、高制动功率并频繁大幅度波动的工况及高温等极端环境下,车用超级电容器内部将产生大量的热量使其温度迅速升高,影响性能与寿命,给热管理带来巨大挑战。为了提高间歇式供电有轨电车的使用性能、降低其储能成本,车载储能系统必须工作在适宜的温度和较小的温差范围内。本文依托国家重点研发计划项目（任务）（No.2017YFB1201004-12）,采用理论研究、仿真分析和实验验证相结合的方法,建立了超级电容的电-热耦合多物理场模型,研究了超级电容的基本电化学与温度特性,对面向高功率密度的超级电容模块空间结构进行了优化设计,并通过仿真和实验研究了多种热管理方式在不同工况下的散热特性,通过对比分析不同热管理方式的散热效果与经济成本,验证了热管-散热油-强制风冷热管理方式的实用性,为有轨电车用超级电容热管理优化设计奠定基础。主要研究内容和结论如下:（1）建立了超级电容的一维、三维几何模型与电-热耦合模型,研究了超级电容的欧姆降与电解质浓度极化等电化学特性,分析了不同表面换热系数与不同环境温度对超级电容器内部最高温度的影响。...
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 超级电容在轨道交通中的应用概述
1.3 车载储能热管理技术国内外研究现状
1.3.1 超级电容热行为研究
1.3.2 车载储能热管理技术
1.4 主要研究内容及章节安排
第2章 超级电容电-热耦合模型及特性分析
2.1 引言
2.2 超级电容的数学模型
2.2.1 电化学模型
2.2.2 热模型
2.3 超级电容热物性参数确定
2.4 现代有轨电车对储能系统的要求与功率特性分析
2.5 超级电容器电-热耦合在COMSOL中的实现
2.5.1 一维和三维模型
2.5.2 方程控制界面
2.5.3 初始条件
2.5.4 有限元网格划分与求解计算
2.6 超级电容器电化学性能分析
2.6.1 有轨电车工况下超级电容充放电曲线
2.6.2 超级电容器的欧姆降现象
2.6.3 超级电容器电解质浓度分布
2.7 单体电容温度特性分析
2.7.1 温度随时间变化
2.7.2 温度场分布
2.7.3 热对流系数对单体最高温度的影响
2.7.4 不同环境温度对单体温度的影响
2.8 本章小结
第3章 空间结构对超级电容温度的影响
3.1 引言
3.2 自然风冷下不同空间结构的温度场仿真
3.2.1 模型、网格与边界条件
3.2.2 空间结构的参数设置
3.2.3 结果与分析
3.3 并行风冷下不同空间结构的温度场仿真
3.3.1 模型、网格与边界条件
3.3.2 空间结构的参数设置
3.3.3 结果与分析
3.4 本章小结
第4章 不同冷却方式下有轨电车用超级电容温度特性
4.1 引言
4.2 超级电容模块与冷却介质
4.2.1 超级电容模块特性
4.2.2 直接液冷介质
4.3 超级电容模块直接液冷仿真
4.4 超级电容模块热管冷却仿真
4.4.1 散热系统设计与热管翅片的选用
4.4.2 热管、翅片模型与翅片结构优化分析
4.4.3 超级电容模块热管式冷却仿真
4.5 本章小结
第5章 有轨电车用超级电容的热管理实验与控制策略
5.1 热管理实验系统
5.1.1 热管理实验系统结构
5.1.2 实验设备
5.1.3 热管理系统布置结构
5.2 实验测试方法与条件
5.2.1 实验测试方法
5.2.2 实验工况设计
5.3 实验结果分析
5.3.1 风冷
5.3.2 相变材料冷却
5.3.3 散热油直接液冷
5.3.4 热管-散热油-强制风冷
5.3.5 不同方案的温度效果和经济成本对比
5.4 仿真与实验结果分析
5.5 热管理控制策略
5.6 本章小结
结论与展望
致谢
参考文献
附录
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
本文编号：3656469
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 超级电容在轨道交通中的应用概述
1.3 车载储能热管理技术国内外研究现状
1.3.1 超级电容热行为研究
1.3.2 车载储能热管理技术
1.4 主要研究内容及章节安排
第2章 超级电容电-热耦合模型及特性分析
2.1 引言
2.2 超级电容的数学模型
2.2.1 电化学模型
2.2.2 热模型
2.3 超级电容热物性参数确定
2.4 现代有轨电车对储能系统的要求与功率特性分析
2.5 超级电容器电-热耦合在COMSOL中的实现
2.5.1 一维和三维模型
2.5.2 方程控制界面
2.5.3 初始条件
2.5.4 有限元网格划分与求解计算
2.6 超级电容器电化学性能分析
2.6.1 有轨电车工况下超级电容充放电曲线
2.6.2 超级电容器的欧姆降现象
2.6.3 超级电容器电解质浓度分布
2.7 单体电容温度特性分析
2.7.1 温度随时间变化
2.7.2 温度场分布
2.7.3 热对流系数对单体最高温度的影响
2.7.4 不同环境温度对单体温度的影响
2.8 本章小结
第3章 空间结构对超级电容温度的影响
3.1 引言
3.2 自然风冷下不同空间结构的温度场仿真
3.2.1 模型、网格与边界条件
3.2.2 空间结构的参数设置
3.2.3 结果与分析
3.3 并行风冷下不同空间结构的温度场仿真
3.3.1 模型、网格与边界条件
3.3.2 空间结构的参数设置
3.3.3 结果与分析
3.4 本章小结
第4章 不同冷却方式下有轨电车用超级电容温度特性
4.1 引言
4.2 超级电容模块与冷却介质
4.2.1 超级电容模块特性
4.2.2 直接液冷介质
4.3 超级电容模块直接液冷仿真
4.4 超级电容模块热管冷却仿真
4.4.1 散热系统设计与热管翅片的选用
4.4.2 热管、翅片模型与翅片结构优化分析
4.4.3 超级电容模块热管式冷却仿真
4.5 本章小结
第5章 有轨电车用超级电容的热管理实验与控制策略
5.1 热管理实验系统
5.1.1 热管理实验系统结构
5.1.2 实验设备
5.1.3 热管理系统布置结构
5.2 实验测试方法与条件
5.2.1 实验测试方法
5.2.2 实验工况设计
5.3 实验结果分析
5.3.1 风冷
5.3.2 相变材料冷却
5.3.3 散热油直接液冷
5.3.4 热管-散热油-强制风冷
5.3.5 不同方案的温度效果和经济成本对比
5.4 仿真与实验结果分析
5.5 热管理控制策略
5.6 本章小结
结论与展望
致谢
参考文献
附录
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
本文编号：3656469
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