本文關(guān)鍵詞：超級電容器的多物理場動力學行為研究

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【摘要】：超級電容器作為一種新型儲能元件,有著非常廣闊的應用前景。超級電容器的工作機制不同于傳統(tǒng)電池和靜電電容器,它具有超高電容量、高功率密度、快速充放電、無污染、循環(huán)壽命長、低溫性能越優(yōu)等優(yōu)點。一個理想的超級電容器需要具備良好的電氣性能,包括：大的比電容、寬的工作電位區(qū)間和小的歐姆阻抗。超級電容器的電氣性能受其電化學行為和熱行為的影響,這些行為表現(xiàn)主要由材料、結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境所決定,它們既相互影響又相互制約。本文針對卷繞式超級電容器單體的結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境進行研究,在深入總結(jié)、分析超級電容器建模的基礎上,利用有限元多物理場分析軟件COMSOL Multiphysics對其電化學模型和熱模型進行建模與耦合,深入分析其多物理場動力學行為。本文首先建立了以電化學理論為基礎的電化學模型,在COMSOL環(huán)境下建立仿真模型,利用有限元法計算分析其不同恒流充放電狀態(tài)下的電化學場時間-空間分布情況,并通過恒電流循環(huán)技術(shù)計算獲得其電氣性能參數(shù)。該方法可以模擬出超級電容器內(nèi)部的微觀動態(tài)和外部的宏觀表現(xiàn),為器件的虛擬動態(tài)研究提供了新方法。其次,建立了以熱力學理論為基礎的熱模型,并實現(xiàn)了與電化學模型的電化學-熱耦合,利用COMSOL建立有限元仿真計算模型,模擬了超級電容器的溫度場時間-空間分布,分析了電流密度與熱對流系數(shù)對超級電容器溫度場的影響。最后基于以上的多物理場研究理論與方法,通過改變卷繞式超級電容器的封裝單元結(jié)構(gòu),研究了單元結(jié)構(gòu)對其電氣性能和熱性能的影響,并根據(jù)不同的應用環(huán)境提出了相應的優(yōu)化建議,實現(xiàn)了對超級電容器單體的虛擬優(yōu)化設計研究。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 多物理場動力學行為 COMSOL 有限元法 電化學-熱耦合 虛擬優(yōu)化設計
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM53
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 研究背景及意義10-12
• 1.2 超級電容器的結(jié)構(gòu)特點及工作原理12-14
• 1.2.1 超級電容器的結(jié)構(gòu)特點12-13
• 1.2.2 超級電容器的工作原理13-14
• 1.3 超級電容器的多物理場研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 論文的主要內(nèi)容15-17
• 第2章 超級電容器的多物理場分析17-26
• 2.1 超級電容器模型分類17-22
• 2.1.1 雙電層模型(電化學模型)17-20
• 2.1.2 電氣模型20-21
• 2.1.3 熱模型21-22
• 2.2 超級電容器的多物理場研究方法22-24
• 2.2.1 實驗測試技術(shù)22-23
• 2.2.2 模擬預測技術(shù)23-24
• 2.3 COMSOL在超級電容器多物理場研究中的應用與意義24-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第3章 超級電容器電化學模型的有限元建模26-40
• 3.1 超級電容器的電化學理論26-30
• 3.1.1 電中性和電荷守恒理論26
• 3.1.2 電解液質(zhì)量傳輸理論26-28
• 3.1.3 歐姆定律28-29
• 3.1.4 二元電解質(zhì)29-30
• 3.2 恒電流循環(huán)技術(shù)30
• 3.3 電化學模型的有限元建模30-35
• 3.3.1 計算區(qū)域30-31
• 3.3.2 控制方程31-34
• 3.3.3 邊界條件34
• 3.3.4 初始條件34
• 3.3.5 有限元網(wǎng)格劃分與求解計算34-35
• 3.4 超級電容器電化學行為的后處理分析35-39
• 3.4.1 一次恒流充放電(有間歇階段)35-38
• 3.4.2 恒流循環(huán)充放電(無間歇階段)38-39
• 3.5 本章小結(jié)39-40
• 第4章 超級電容器電化學-熱耦合建模40-53
• 4.1 超級電容器的熱生成率40-41
• 4.1.1 焦耳熱生成率40
• 4.1.2 可逆熱生成率40-41
• 4.2 三種基本傳熱方式41-43
• 4.2.1 熱傳導41-42
• 4.2.2 熱對流42-43
• 4.2.3 熱輻射43
• 4.3 傳熱熱阻與熱路分析法43-44
• 4.3.1 傳熱熱阻43-44
• 4.3.2 多層平壁導熱44
• 4.4 圓柱卷繞式超級電容器電化學-熱耦合模型的有限元建模44-49
• 4.4.1 幾何模型44-45
• 4.4.2 產(chǎn)熱過程45-46
• 4.4.3 散熱過程46-48
• 4.4.4 初始條件48
• 4.4.5 電化學-熱耦合48-49
• 4.4.6 有限元網(wǎng)格劃分與求解計算49
• 4.5 超級電容器熱行為的后處理分析49-52
• 4.5.1 最大溫度-循環(huán)次數(shù)曲線50
• 4.5.2 溫度場分布50-51
• 4.5.3 電流密度對最大/最小溫度的影響51-52
• 4.5.4 熱對流系數(shù)對最大溫度的影響52
• 4.6 本章小結(jié)52-53
• 第5章 超級電容器的單體設計優(yōu)化研究53-60
• 5.1 封裝單元結(jié)構(gòu)對超級電容器電氣性能的影響53-56
• 5.1.1 封裝單元數(shù)量的影響53-54
• 5.1.2 單元尺寸的影響54-56
• 5.2 封裝單元結(jié)構(gòu)對超級電容器熱行為的影響56-59
• 5.2.1 封裝單元數(shù)量的影響56-57
• 5.2.2 單元尺寸的影響57-58
• 5.2.3 虛擬優(yōu)化設計58-59
• 5.3 本章小結(jié)59-60
• 第6章 結(jié)論與展望60-62
• 6.1 總結(jié)60-61
• 6.2 展望61-62
• 參考文獻62-66
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果66-67
• 致謝67

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本文編號：728990