超级电容器恒流充放电热行为分析

3048

第34卷第12期2008年  12月

高 电 压 技 术

HighVoltageEngineering

Vol.35No.12

  

Dec. 2009

超级电容器恒流充放电热行为分析

祁新春1,2,齐智平1,韦统振1,赵艳雷3

(1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100039;

3.山东理工大学电气与电子工程学院,淄博255049)

摘 要:从混合动力汽车到电力系统等领域,超级电容器作为储能器件被应用在储能单元中。器性能受温度影响的现象,提出了一种超级电容器的三维热模型,电容器恒流充放电过程中的热行为,,结果,。从而可知,在常温下,用中小电流对超级电容器充放电°,。关键词:超级电容器;;;;中图分类号::100326520(2009)1223048206

ofSupercapacitorinConstantCurrent

ChargeandDischargeMode

QIXin2chun1,2,QIZhi2ping1,WEITong2zhen1,ZHAOYan2lei3

(1.InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;

2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;

3.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:Electrochemicalcapacitorsarealsocalled‘electricdoublelayercapacitors’.The‘supercapacitors’or‘ult2racapacitors’storestheenergyintheelectricfieldoftheelectrochemicaldouble2layer.Inordertostudythesuperca2pacitorperformanceinfluencedbythetemperature,asupercapacitor3Dthermalmodelwasproposedtostudythesu2percapacitorthermalbehaviorunderthenormaltemperatureconditioninconstantcurrentchargeanddischargemodeinthearticle.Atfirst,thetransientstateandthestablestatetemperaturefieldsweresimulatedwiththefiniteele2mentmethod,thentheinternaltemperatureofsupercapacitorweremeasuredwiththethermalresistanceduringcharginganddischargingprocessundernormaltemperature.Theresultsindicatethismodelcanaccuratelysimulatethesupercapacitorthermalbehaviorunderthesmallormoderatecurrentcharginganddischargingcondition.Thus,thesupercapacitorchargesanddischargeswiththesmallormoderatecurrentunderthenormaltemperature,thetemperatureriseofsupercapacitorisnothigherthan15°C,anditsperformanceisreliable.

Keywords:supercapacitor;thermalbehavior;model;constantcurrent;thermalresistance;finiteelementmethod

0 引言

超级电容器是一种新型的储能器件,它具有功率密度大,使用寿命长等优点,被应用在混合动力汽车[128]、可再生能源[9212]、军事[13]等领域。在-30°C~50°C之间,超级电容器性能受温度变化的影响很小,超出这个温度范围之外,超级电容器的性能急剧变差。本文提出了超级电容器的三维热模型,结合超级电容器在电机节能方面的应用,研究恒流充放电条件下超级电容器的内部温度瞬态和稳态的温度场分布情况。

本文研究的超级电容器是国内某公司生产的非

基金资助项目:国家自然科学基金(50807052;50807034)。

ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50807052,50807034).

对称型超级电容器,该超级电容器由外壳、核心区以及空气区3个部分组成。外壳由厚度为3.5mm工程塑料构成;而核心区为叠片型的结构,是由电解液浸泡过的正负极片和正负极片之间的隔膜构成;空气区位于壳体内壁和核心区之间,超级电容器的外型尺寸为146mm×79mm×32mm(包括极柱部分的高度)。

1 超级电容器有限元建模

运用等效串并联热阻原理[14],对超级电容器的模型进行简化。具体简化过程如下:将相邻的3层隔膜和1片正极片进行了合并和简化,同理,将相邻的3层隔膜和3片负极片进行合并和简化。未简化之前,超级电容器内部是由6组负极片(每组有3片极片)和5组正极片,以及正负极片之间的绝缘隔膜

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