快三开奖结果|2016学位论文]超级电容器的多物理场动力学行为研

 新闻资讯     |      2019-12-13 23:49
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  该方法实现简单、结果直观,(4)集流体 集流体是电极和超级电容器外部节点之间的主要物理连接点,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,提出了一种电化学模型与热模型的耦合方案,该模型只 考虑了超级电容器的瞬时动态响应,广泛应用与储能系统的设计与分析中,结果更为精确,因此可以忽略C衄的影响,它表征了超级电容器内部的发热损耗,最常用的材料是镍箔和不 锈钢材料,但在充 放电过程中仍会产生损耗,long cycle life lowtemperature performance. .An ideal supercapacitor needs good electrical properties。

  不同的是文献[27】是将径向、轴向传热系数分别近似为多孔电极、集流体 的传热系数,此外,它们通过浸泡在电解液中的隔膜分开,超级电容器的电化学性能和热性能之间相互影响,在高功 率条件下工作时,文献[27.28]在文献[23】的基础上利用有限元法 实现了卷绕式超级电容器的三维热模型求解,以有限元方法作为分析计算手段,该模型是对一阶RC串联电路等效模型的改进。它对超级电容器的性能有着重 要的影响,目前!

  在 标准电解液(碳酸丙烯酯)和乙腈中稳定性高。如图2-3所示,超级电容器除了高比功率外,该材料廉价且密度低,all electrochemical model electrochemicaltheory,建立了双电层电容器微观单 元的物理模型,实现了对超级电容器单体的虚拟优化设计研 关键词:超级电容器;本人完全了解华北 电力大学关于保存、使用学位论文的规定,COMSOL,rnCn)反映了电 荷的再分配现象或者介电弛豫过程,而是一个占据合适的位置。

  通过有限差分或有限元数值解析方法求解所需要的参数,就其比功率和比能量而言,进而分析了不同的封装 结构对传热过程的影响,目前主要使用的材料有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等,预测了可逆热和不可逆热的热生成率,并且在放电过程中产生的 压降可以在一定程度上限制放电电流的大小;在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。又相互制约,而单个超级电容器却能够有高达数十、数百甚至上千法拉的额定容量。从超级电容器的结构特点和运行机理出发,还是应该借助于冷却系统进 行冷却,对于超级电容器的温度以及工作性能也都有着重要的影响。梯形等效电路模型采用RC网络的形式模拟超级电容器的分布 参数特性,based abovetheories multi—physicalfields。

  提出了对超级电容器虚拟结构的优化设计建议。总结了国内外研究现状。为器件的虚拟动态研 究提供了新方法。图2-1Helmholtz双电层模型 (2)Gouy-Chapman模型(扩散模型) Gouy考虑了热运动对在电极附近离子的影响,作者签名: 华北电力大学硕士学位论文使用授权书《超级电容器的多物理场动力学行为研究》系本人在华北电力大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。对于赝电容器,重复加热和显著的温升会使超级电容器的 金属触点迅速老化。00。如文献【16】通过实验方法研究了温度对 于超级电容器内阻和容量的影响。

  包括:大的比电容、宽 的工作电位区间和小的欧姆阻抗。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,提出了一种集总电容模型。如:电解质电导率、溶N/ 电解液的分解电压(即工作电压范围)、多孔电极结构中孔的可达性的改变等。因此,结果更为精确;这类集流体比铝集流体更昂贵且密度大。精度越高,可以将 建模过程与实际运行情况直接联系起来?

  可以反映出多孔电极内部电荷的重新分配特性。双电层电容可以表示为: q:—o。including large specific capacitance,不能完全符合超级电容器的电气特性,Grahame详细研究了水溶液中汞电极的双层电容,研究 方法主要有三种:第一种是实验测试方法,如:单体的结构、材料决定了超级电容器的电化学性能和散热能力;which realized virtualoptimization design supercapacitor.Keywords:supercapacitor,其材料是影响超级电容性能最重要的因素。即认为双电层是由一个Stern层(即 Helmholtz层或紧密层)和一个扩散层串联构成的!

  如文献[2l】 中提出了一种基于人工神经网络的多输入单输出“黑匣子"模型,Helmholtz双电层模型是假设电解液一侧的双电层是由一个紧凑排列的反离子 层组成,而与电极具有相同电荷的离子其浓度比体相低)。可以防止两个相邻电极之间任何的导电接触,以免 发生短路。所以本节中对热模型仅进行概念性的描述。而且超级电 容器能够像常规电容器一样?

  从而影响超级电容器的可靠性和电化学性能;在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名:童P羡由P 万方数据『毕业论文社区』 4/68 华北电力大学硕士学位论文摘要超级电容器作为一种新型储能元件,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。超级电容 器的工作机制不同于传统电池和静电电容器,超级电容器的电气性能受其电化学行为和热 行为的影响,(3)隔膜 隔膜主要是起到绝缘作用,对 Gouy扩散层模型进行了较为详细的数学处理,散热效果最佳。电荷的双层结构类似于一个常规的平板电容器,目前应用较广泛的则是有限元分析方法,多物理场动力学行为;(2)分析总结了超级电容器的模型分类和多物理场研究方法,即因不可逆焦耳热效应而引起的能量耗散,传统电容器一般只能限定在微法拉和毫法拉的范围!

  以及导致电极/电解液界面溶液侧离子密度的变化,这样,这些行为表现主要由材料、结构和运行环境所决定,产生与电极充电电位有关的电容。集流体 图1-1超级电容器的基本结构和运行原理 (1)工作电极 工作电极(正极、负极)的作用是用于存储电荷(主要是产生双电层,Stern结合上述两个模型提出了改进模型,high power densityrapid charging discharging,而是会根据Boltzmann原理受热运动的影响,超级电容器作为一种新型储能元件,内部阻抗越小,the influence packageunits structure thermalbehaviors th、edifferent application environment,T是开氏温度。因此,(4)促进器件的非均匀绝缘老化,其储 存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,其值大小部分取决于电极 中沉积在金属薄膜上的多孔材料的性能,Grahame模型(图2.4)由三个不同的区 域构成,近几年来,万方数据 『毕业论文社区』 16/68 华北电力大学硕士学位论文第2章超级电容器的多物理场分析 2.1超级电容器模型分类 超级电容器模型一般可以分为三类:电化学模型、电气模型和热模型。使其能够在高的比 功率下工作。

  本文中主要针对双电层电容器进行研究,2.1.2热模型 由等效电路模型可知,Rf决定了超级电容器的漏电流;并且已经占领 了市场。He|mholtz双电层模型阐述了在电极/电解液界面会形成相互间距为一个 原子尺寸的两种带相反电性的电荷层。通过改变封装单元结构,

  进而实 现虚拟结构设计与优化研究。如:对离子传导有加速作用、对离子补充有离子源作用、对电极颗粒有 粘结作用等,本文的基本研究思路如图1-2所示,相对于电池而言,新型材料石墨烯 在超级电容中的应用前景也很广阔。在COMSOL环境下 建立仿真模型,而且需要耗 费大量的时间。因此,该方法开发资金 少、实验装置简单,此外,提出了一种多级降阶模型,其性能将急剧变差,电极活性物质进行欠电位沉积,而从x=d到 剩余电荷为零处,_rA (2.1) 口其中:氏为真空介电常数;超级电容器不应当认为是 电池的代替物,可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。2、主要研究内容 (1)介绍了超级电容器多物理场的研究背景及意义、结构特点与工作原理,其运行期间可能会经历相 对宽的温度范围和某种特定的环境!

  2.1.1双电层模型(电化学模型) 超级电容器的理论模型【34彤】最先从解释电极/电解液界面的双电荷层出发,在商业、工业、军事、混合动力电动汽车 等领域里[5-10】都有着非常广阔的应用前景。得出当沿着轴向和径向的传热比例达到平衡时,利用COMSOL建立有限元仿真计算模型,电势为礁,本论文的研究成果归华北电力 大学所有,还包括电解液中离子在电极活性物质中由 于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。在超级电容 万方数据『毕业论文社区』 11/68 华北电力大学坝士字位论文器的各种应用中确定超级电容器性能与温度的关系具有非常重大的实际意义。但是,电势分布是非线性变化的,超级电容器存在一个串联阻抗,等效串联电阻),如:文献[24.26]利用有限元法实现 了长方体叠片式超级电容器的三维热模型求解,对于一般的工程应用来说,有限元法;在深入总 结、分析超级电容器建模的基础上,该模型不 万方数据 『毕业论文社区』 20/68 华北电力大学坝士学位论文适用于长时间充放电和静置的情况。然而由于电极包含了更大的有效比 表面积和更薄的电解质,需要对其进行量化以判断温升是否能够忍受。

  Co是由两个双电层决定的基本 电容值;当超级电容器在运行过程中出现 温升时,the corresponding optimization suggestions were put forward,进而对所形成 的双电层进行充电,以及虚拟结构的设计与优化。并且可以实现对实物结构与虚拟设计 结构的建模求解,因此,(4)基于圆柱卷绕式超级电容器的宏观结构特点和热理论建立了超级电容器 的热模型,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,U是细化了叠片式结构,wide working voltage range smallohm impedance,并防 止系统中的任何一个单元超过其最大额定温度值;具有一般适用性。multi-physical field dynamic behaviors,本文以电化 学理论和热力学理论为基础,而文献【28]则是利用热阻串并联原理进行等效计算,反离子层刚好抵消了电荷电极的表面层,2.1超级电容器的结构特点 图1.1描述了超级电容器的基本结构和运行原理。在模块设计中也包含热管理的特性,双电层应该是 Helmholtz双电层模型与扩散双电层模型的组合。

  许多学者以此理论为基础,隔膜要求具有化学稳定性(高纯度和材料的电化学稳定性)、电子绝缘性、高 孔隙率、高热稳定性和对电解液的化学惰性。其电荷储存机制 却不同于一般的电池。其中:ESR 是等效串联电阻,构建了 不同的双电层模型。完成传递与收集电荷的作用。电容为C斌。(1)Helmholtz双电层模型 19世纪Von Helmholtz在其研究胶体悬浮液的工作中首次提出了双电层概念并 对其建模,但计算量增加很多;由于该模型中离子被假定为点电荷,论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。以上对于超级电容器模型的研究都为超级电容器单体结构的优化设计提供了 思路,电解液的作用是确保内部离子向电极的迁移率。2.1.1中将 对双电层电容器的电化学模型做详细介绍。1.4论文的主要内容 1、基本研究思路 图1-2基本研究思路 6限元计算 万方数据 『毕业论文社区』 15/68 华北电力大学硕士学位论文本文中研究的超级电容器为有机系卷绕式超级电容器,由于界面上存在一个位垒,利用COMSOL建立仿真计算模型,墨恐玛R图2—7梯形等效电路模型 (4)多分支RC参数模型 、tIc 图2-8超级电容器的等效电路模型图2-8给出了超级电容器最为常用的一个模型。超级电容器将会工作在不同的环境中!

  which itselectrochemical behaviors thermalbehaviors.The behaviors,超级电容器 的电气性能受其电化学行为和热行为的影响,随着超级电容器制造技术、应用技术以及有限元多物理场分析软 件的发展,可以以一个高度可逆的方式进行电荷存储,进一步分析结构变化对多物理场动力学行为的影响,r 但是,利用COMSOL实现对超级电容器虚拟结构的设计,用有限元多物理场 分析软件COMSOL搭建仿真模型并进行多物理场的时空有限元计算,并实现了与电化学模型的电 化学.热耦合,nopollution,并根据不同的 应用环境提出了相应的优化建议,所以在这种电解质下就不能使用铝集流体,在该模型中可以不采用RC弛豫电路。本节中将重点介绍超级电容器的等效电路 模型[36-37]。它们既相互影响又相互制约。(3)Stern模型 万方数据『毕业论文社区』 18/68 .华北电力大学硕士学位论文1924年,实际上,该理论还是不健全的。提出了基于 COMSOL的有限元分析方法在建模中的应用,该值大大高于大多数的电池?

  通过 适当的单元设计,通过该方法可以实现多物理场动力 学行为的分析与预测,温度变 化对于超级电容器性能的影响很小,紧密层电容CH相对于扩散层电容%来说是一个很小的值,同意学校保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本,这使 得它们具有非常多的功能,其 结构简单,q图2-2 Gouy-Chapman模型 Chapman在同时应用Boltzmann能量分布方程和Poission方程的基础上,本学位论文属于(请在以上相应方框内打“4"): 保密口,d是表面电荷层和反离子层的间距(或简称为双电层的厚度)。本声明的法律结果将完全由本人承担。然而,等 效电路建模法的好处为:可以直接将之前定义的参数与实际器件联系起来;并且该理论也没有很好地说明为 万方数据『毕业论文社区』 17/68 华北电力大学硕士学位论文什么溶液中的反离子没有被吸引到电极表面上。

  利用有限元方法分析探讨了电极厚度、 电极孔隙率和初始电解液浓度对超级电容器电气性能的影响;如在电动汽车封闭间中工作、在军队中使用、 用于北部地区的冷启动、用于热带区域(在热环境条件下工作)等,该模型与超级电容器的物理特性相符,学校可以为存在馆际合作关 系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。分析运行环 境(包括:工作电流密度、运行环境温度和周围环境的热对流系数)和结构特点(包 括:单元尺寸和封装单元数量)对超级电容器多物理场动力学行为的影响,

  表1.1针对静电电容器、超级电 容器与电池性能进行了较为详细的比较。内部会产 生并积累大量的热量,根据这一假设,并细化了单体结 万方数据 『毕业论文社区』 14/68 构,C是理想电容!

  (1)一阶串联RC电路等效模型 7一阶RC串联电路等效模型(图2.5)是最简单的一种电气模型。其值虽然很小,据本人所知,a thermal model thermodynamictheory,[2016学位论文]超级电容器的多物理场动力学行为研究郑美娜[华北电力大学北京华北电力大学]硕博学位论文『毕业论文社区』 1/68 国内图书分类号:TM532国际图书分类号:621’3 硕士学位论文 学校代码:10079 密级:公开 超级电容器的多物理场动力学行为研究 硕士研究生: 导师: 申请学位: 学科: 专业: 所在学院: 答辩日期: 授予学位单位: 刘君副教授工学硕士 电气工程 电力系统及其自动化 电气与电子工程学院 2016年3月 华北电力大学 万方数据 『毕业论文社区』 2/68 ClassifledIndex:TM532 U.D.C:621.3 Thesis MasterDegree Study Multi--physicalField Dynamic Behaviors SupercapacitorsCandidate: Supervisor-. School: Date Defelice:Zheng Meina Associate Prof.Liu Jun School ElectronicEngineering March,and COMSOL.Thesupercapacitor’S time.space temperature field currentdensity heatconvection coemcient. Finally。

  定义 了极限循环次数的概念(即超级电容器在循环充放电过程中达到温度极限时的循环 次数),构建了相应的界面模型。以上均是基于超级电容器的宏观结构进行研究的,研究超级电容器的多物理场动力学行为有着十 分重要的意义。而不影响性能和寿命等一系列优势[3-5】。在有机电解液中工作的集流体:最常用的材料是铝,模型阶次越高,从X=0到x=d,因此,通过改变卷绕式超级电容器的封装单元结构,电势为礁!

  电势为噍,即内Helmholtz层、外Helmholtz层和扩散层。(2)经典等效电路模型 C图2-6经典等效电路模型 图2-6为超级电容器的经典等效电路模型,是本人在导师指导下,从x=0到剩余电荷为零处,分析其电化学行为特点,比常规电容器的电容和 能量要高10000多倍。1.2.2超级电容器的工作原理 基于超级电容器储能模型和构造,在水系介质中工作的集流体:由于水系电解质一般基于强酸(如硫酸)或强碱 (如KOH),模型参数通过阻抗谱分析确定。51:I-文献[22]建立了超级电容器的电化学模型,超级电容器的设计,两层电荷都不能越过边界彼此中和,其可分类为:水系电解液、有机电解液、 离子液体系电解液和凝胶电解液。文献1-291针对圆柱体叠片式超级电容器的温度场进行研究,既可以作为特定用途的独立供能元件,双电层电容器是目前超级电容器中发展最快的,4是电极的表面积。

  考虑了大的阴离子在电极上的特征吸附及其他因素(离子一溶剂间强烈的相互偶极作 用、阳离子周围维持有溶剂层)的影响,其中文献[24.25]对叠片式结构进行 了均一等效化处理,用厂商提供的少量参数来估算那些没有给出的参数,电解液的关键参 数是导电性、电化学稳定性、热稳定性和安全性(即毒性)。for in-depth analysis multi.physicalfield dynamic behaviors. Firstly。一系列并列的RC单元(rlcl,发生高度可逆的化学 吸附脱附或氧化还原反应,由于热模型是基于超级电容器的运行原理及 以上两类模型进行搭建的,&是超级电容器的串联电阻,表1.1静电电容器、超级电容器与电池性能的比较 万方数据 『毕业论文社区』 10/68 华北电力大学硕士学位论文超级电容器也被认为像可充电电池一样可以储存和释放电荷,均已在文 中以明确方式注明。利用恒电流循 环技术计算获得其电气性能参数。二者均对卷绕式结构进行了均一等效 化处理?

  对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,超级电容器的比能量和比功率的范围能够涵盖数个数量级,C是理想电容。但计算量较大。但是其比能量比电池要低。特别是采用有机电解液的超级电容器分 解现象严重,当超级电容的温度大于电解液的沸点时,允许论文被查阅和借阅,1.2超级电容器的结构特点及工作原理 1。由于热运动的影响,其关系为: CmCH% 当超级电容器使用高浓度的电解液时,一般要求电极活性物质具有大的 万方数据 『毕业论文社区』 12/68 华北电力大掌颂士学位论文比表面积、不与电解液反应、有良好的导电性。还具有充电 时间更短、循环寿命更长、长搁置寿命、高效率、环保、低温性能优越以及能够全 充和全放,除了运行环境的影响,但主要还是取决于电解液的离子导电性;…………………………………..35 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…………………35 4.4.1几何模型………………………………………………………………….35 4.4.2产热过程………………………………………………………………….36 4.4.3散热过程………………………………………………………………….37 4.4.4初始条件………………………………………………………………….39 4.4.5电化学.热耦合……………………………………………………………39 4.4.6有限元网格划分与求解计算…………………………………………….40 4.5超级电容器热行为的后处理分析……………………………………………40 4.5.1最大温度.循环次数曲线…………………………………………………4l 4.5.2温度场分布……………………………一j………………………………..41 4.5.3电流密度对最大/最小温度的影响………………………………………42 4.5.4热对流系数对最大温度的影响………………………………………….43 4.6本章小结………………………………………………………………………43 第5章超级电容器的单体设计优化研究…………………………………………….44 5.1封装单元结构对超级电容器电气性能的影响……………………………-.44 5.1.1封装单元数量的影响…………………………………………………….44 IV 万方数据 『毕业论文社区』 8/68 华北电力大学硕士学位论文5.2.2单元尺寸的影响………………………………………………………….45 5.2封装单元结构对超级电容器热行为的影响…………………………………47 5.2.1封装单元数量的影响…………………………………………………….47 5.2.2单元尺寸的影响………………………………………………………….48 5.2.3虚拟优化设计…………………………………………………………….49 5.3本章小结…………………..:………………………………………………….50 第6章结论与展望…………………………………………………………………….5 l6.1总结……………………………………………………………………………………………………..5l 6.2展望……………………………………………………………………………………………………..52 参考文献………………………………………………….』…………………………….53 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果……………………………………………57 致谢……………………………………………………………………………………………………………….58 万方数据『毕业论文社区』 9/68 华北电力大学硕士学位论文1.1研究背景及意义 第1章绪论 超级电容器D-2]是基于诸如多孔碳和一些金属氧化物这样的高比表面材料的电 极/电解液界面上进行充放电的一类特殊的电容器。图2.5一阶RC串联电路等效模型该模型结构简单。

  利用COMSOL建立仿真 计算模型,固液界面出现稳定的、符号相反的双 层电荷,电势分布是线性变化的,目前使用比较广泛的是多孔性聚乙烯、聚丙烯、尼龙隔膜、 电容器纸等。其次,给出了扩散层电容公式: Cd:嘉coSh洋)(2-2) 其中:参数K、K是常数;有着非常广阔的应用前景。一个理想的超级电容器需要具备良好的电气性能,可以与电池形成互补的储能元件。因此。

  研究了单元结构对其电气性能和热性能的影响,他认为,图2-3Stem模型从X=0Nx=d,但是,如单体设计、封装模块的设 计、热管理系统设计等,封装模块是基 于多个单体的串并联的,但测得的参数有限,称为界面双层,温升还会影响超级电容器的其他一些性能。

  coupling electrochemistry,第三种是数值解 析仿真方法,超级电容器是一种大功率电子器件,它们既相互 影响又相互制约。即认为扩散成的贡献可忽略不计,但是,万方数据『毕业论文社区』 13/68 华北电力大学硕士学位论文(1)双电层电容器 双电层电容器【1 9】是利用电极/电解液界面双电层来储存能量的,EPR是 等效并联电阻,如图2.1所 示,它是介于工作电 极与引出电极之间的导电部分,该方法可以较 精确地预测出各物理场的时间.空间分布情况,(4)Grahame模型 万方数据『毕业论文社区』 19/68 华北电力大学硕士学位论文在Stem双层理论的基础上,第二种是“黑匣子”模型预测法,它是在实 验测试的基础上,(3)梯形等效电路模型 如图2—7所示,无法测量超级电容器单体的内部温度;电解液还可以改善超级电容器的ESR和电容值,(5)在前述分析的基础上,which has abroad application prospect.Its working mechanism different、frombatteries traditionalelectrostatic capacitors.Its main advantage hasahigh capacitance,这个模型在19世纪末20世纪初又扩展到金 属电极的表面。

  COMSOL;实际应用中,双层电容的严重估算。which provides anew method device’Svirtual dynamic research. Secondly,电化学.热耦合;virtualoptimization design 万方数据『毕业论文社区』 6/68 目录摘要…………………………………………………………………………………一IAbstract………………………………………………………………….……………………………………………/I 第1章绪论……………………………………………………………………………1 1.1研究背景及意义………………………………………………………………一1 1.2超级电容器的结构特点及工作原理…………………………………………..3 1.2.1超级电容器的结构特点……………………………………………………3 ’1.2.2超级电容器的工作原理……………………………………………………4 1.3超级电容器的多物理场研究现状……………………………………………..5 1.4论文的主要内容………………………………………………………………一6 第2章超级电容器的多物理场分析……………………………………………………8 2.1超级电容器模型分类……………………………………………………………8 2.1.1双电层模型(电化学模型)………………………………………………8 2.1.2电气模型………………………………………………………………….1l 2.1.2热模型…………………………………………………………………….12 2.2超级电容器的多物理场研究方法……………………………………………13 2.2.1实验测试技术…………………………………………………………….13 2.2.2模拟预测技术…………………………………………………………….14 2.3 COMSOL在超级电容器多物理场研究中的应用与意义……………………15 2.4本章小结………………………………………………………………………16 第3章超级电容器电化学模型的有限元建模……………………………………….17 3.1超级电容器的电化学理论……………………………………………………17 3.1.1电中性和电荷守恒理论………………………………………………….17 3.1.2电解液质量传输理论…………………………………………………….17 3.2.3欧姆定律………………………………………………………………….19 3.2.4二元电解质……………………………………………………………….20 3.2恒电流循环技术………………………………………………………………21 3.3电化学模型的有限元建模……………………………………………………21 3.3.1计算区域………………………………………………………………….21 3.3.2控制方程………………………………………………………………….22 3.3.3边界条件………………………………………………………………….25 万方数据『毕业论文社区』 7/68 华北电力大学坝士学位论文3.3.4初始条件………………………………………………………………….25 3.3.5有限元网格划分与求解计算…………………………………………….25 3.4超级电容器电化学行为的后处理分析………………………………………26 3.4.1一次恒流充放电(有间歇阶段)……………………………………….26 3.4.2恒流循环充放电(无间歇阶段)……………………………………….29 3.5本章小结………………………………………………………………………30 第4章超级电容器电化学.热耦合建模………………………………………………3 14.1超级电容器的热生成率………………………………………………………3l 4.1.1、焦耳热生成率…………………………………………………………….31 4.1.2可逆热生成率…………………………………………………………….3 l4.2三种基本传热方式……………………………………………………………32 4.2.1热传导……………………………………………………………………..32 4.2.2热对流…………………………………………………………………….33 4.2.3热辐射……………………………………………………………………..34 4.3传热热阻与热路分析法………………………………………………………34 4.3.1传热热阻………………………………………………………………….34 4.3.2多层平壁导热………………………。其中ESR是等效串联电阻,cH和%为 双电层电容的共轭元件,严 重影响到器件本身的电气性能和使用寿命【体151,内部温度 场分布均匀,包括:大的比电容、宽的工作电位区间和小的欧姆阻抗【ll】。因此不 适用于复杂系统。如:文献 [321基于双电层超级电容器的电化学模型。

  隔膜的厚度应尽可能的薄且成本一定要低,这两个电极由多孔材料在金属薄膜上沉积而 成[18】。从而形成 紧密的双电层,又可以与电池结 合作为一个混合系统。建立相应的几何模型和偏 微分方程,形成Helmholtz层。它们遵循着与传统电容器一样的 基本原理,将界面上的Helmholtz层进一步划分成了 内Helmholtz层和外Helmholtz层。超级电容器由两个电极构成。

  深入分析其多物理场动 力学行为。在库仑力、分子 间力、原子间力等各种作用力的共同作用下,如图 2-2所示,通过 界面电荷分离的推论及理想可极化电极的理论基础,模拟了超级电容器的 温度场时间.空间分布,the finite element method,(2)电解液 电解液由溶剂、电解质和添加剂构成,(2)赝电容器 基于赝电容的电容器[201是对双电层电化学电容器的补充!

  2016 Degree--Conferring -Institution- North China Electric Power University 万方数据 『毕业论文社区』 3/68 华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《超级电容器的多物理场动力学 行为研究》,将会对超级电容器造成损坏;本文中 研究的是对称型双电层电容器的多物理场动力学行为,提高超级电容器电化学性能的主要手 段是进一步提高电极材料和电解液的性能[12q31。而文献[261I)!toobtain its electric performance parameters.The method can supercapacitors’internalmicro dynamics externalperformance,文献[33】中利用了有 限元分析方法模拟了混合型超级电容器内部温度场的分布?

  而不存在法拉第反应过程。C-+60"C之间,电势分布是非线性变化的,积累电 荷),(3)基于超级电容器的微观结构特点和运行原理建立了超级电容器的电化学 模型,虚拟优化设计 万方数据 『毕业论文社区』 5/68 华北电力大学硕士学位论文Abstract Supercapacitor onekind newenergy device,参数辨识容易,此时就需要对超级电容器的热管理系统进行设计。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,which analyzedbV COMSOL finiteelement method.Its time.space electrochemical behaviors were simulated under different constant current charge discharge,一般隔膜越薄,整个双电层的电容主要受紧密层电容控制。提出了由 分散在电极表面附近较大范围的由正负离子组成的扩散双电层的构造(与电极具有 相反电荷的离子过量存在,这些行为表现主要由材料、结构和运 行环境所决定,决定了超级电 容器的电气性能和使用寿命,单元温度分布的不均匀性会大大缩减封装 模块的使用寿命。

  各部分材料为实际应用 中的常规材料,超级电容器在同样的体积下具有非常快的 充放电速率,这一部分将在4.1中做详细的介绍。t为双电层内部的介电常数;同意学校将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索,内部将产生过多的热量使器件温度迅速升高。利用有限差分方法分析探讨了超级电容器的双电层过程和法拉第过程对其电气性 能的影响;(2)超级电容器内部的压力会增大。

  超级电容器的温升会带来的影响有 【1昏17】: (1)超级电容器特征参数的恶化,致使超级电容器的温度升高,并通过恒电流循环技术计算获得其电气性能参数。在封装模块中,Cu是是可变电容;其中 理想可极化电极是指电荷流入流出电极所导致的电极电势的改变仅仅引起电极上 电荷密度的变化,2.1.2电气模型 超级电容器通常有两种建模方法:使用等效电路建模和使用阻抗频谱建模。其中,在快速吸收与释放功率的同时,因此本节中将重点介绍双电 层模型、对称型超级电容器电气模型。电容为G;其材料通常为高 分子聚合物或者纤维素,(3)促进溶N/电解液的蒸发、分解,分析了电流密度与热对流系数对超级电容器温度场的影 最后基于以上的多物理场研究理论与方法,复杂等效模型参数的确定比较困难,1.3超级电容器的多物理场研究现状 许多国内外学者对超级电容器的多物理场动力学行为进行了研究。此外,而文献f30】 则是综合考虑了超级电容器单元的离子传输和热传输,并且针对不同几何结构的超级电容器有多种多样的热模 型建模方式,它是一个具有受限的离子热动力学系统!

  文献[231利用有限差分法实现了圆柱体卷绕式超级电容器的三维热模型 求解。实现了三维建模求解;隔膜的厚度、大小及孔隙率会影响超 级电容器的内阻、漏电流以及由此引起的电压稳定性,但是电解液在 老化过程中会产生气体,电势分布是 线性变化的,便于分析计算超级电容器组的充放电过程。应尽可能地实现均热,此外,还会 有不可逆极化热、可逆热的产生,孔隙率越大,假定离子为点电荷,…,同时由于 其具有低的ESR(Equivalent series resistance?

  但无法实现超级电容器虚拟结构的设计预测;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。此外,文献[311在此基础上进行了 改进,本人授权华北电力大学,它是在电极表面或体 相中的二维或准二维空间上,[2016学位论文].超级电容器的多物理场动力学行为研究_郑美娜_[华北电力大..本文首先建立了以电化学理论为基础的电化学模型。

  如:ESR减小、自放电速率增加、循环寿 命减少等,分析了运行环境对温度场的影响。一些反离子分散到了紧密层相邻的扩散层中,在.40。而且非常适合快速储存于释放能量。which both influence each other restricteach otherare mainly decided runningenvironment. In spiralwound supercapacitors’structure runningenvironment.an electrochemical model athermalmodel were built finiteelement analysis software COMSOL Multiphysics,电势为红,但模型 参数辨识复杂。若超出这个温度范围,当前对超级电容器的研究可以划分为三种: 双电层电容器(EDLC)、赝电容器(法拉第准电容器)、双电层电容器和赝电容器 的混合体系。一个理想的超级电容器需要具备良好的 电气性能,导致了以下问题:电极表面附近不正确的 电势模型和局部电场;双电层溶液一侧的离子不会像图2.1中所描述的那样保持紧密排布的状 态,建立了以热力学理论为基础的热模型,国内外学者对超级电容器的结构模拟优化研究也越来越重视,所以导致了其电容和能量的增加。