軟包鋰離子電容器放電過程熱模擬

前言：研究聲明溫度對儲能器件的性能有緊要影響，溫度過高造成電解液分析，性能衰退，壽命縮短，溫度過高甚至會燒毀器件。另外在實際使用中，多以串并聯多個單體的形式組成較大的電池組，內部因較差的散熱性能造成熱量迅速積累，導致溫度迅速升高，引發安全問題。因此研究鋰離子電容器的熱特性對其將來廣泛使用具有緊要意義。

（來源：微信公眾號“儲能科學與技術” ID：esst2012 作者：張耀升）

研究背景

隨著汽車保有量的增加，傳統化石能源日漸枯竭，引發的能源問題和氣候問題已成為各國亟待處理的問題，為此各國大力發展新能源產業，極力推動新能源汽車的發展。而儲能裝置作為電動車的核心部件，近年來成為研究熱點，其中鋰電池因具有較高的能量密度已被廣泛地使用到電動車上。超級電容器因具有超高的功率密度、良好的安全性能和長循環壽命而被廣泛用在航空航天、國防科技等范疇，然而其低的能量密度仍不能滿足電動車的需求。鋰離子電容器（LIC）是近年來發展起來的一種混合型儲能器件，兼具傳統超級電容器長壽命、高功率密度和鋰電池高能量密度、低自放電率的特點，其能量密度是雙層電容器的3～5倍，功率密度可達20 kW/kg，因此在新能源電動車、低溫啟動電源、風力發電、城市軌道交通、制動能量回收、智能電網、UPS不間斷電源等范疇顯示出廣闊的使用前景。

研究聲明溫度對儲能器件的性能有緊要影響，溫度過高造成電解液分析，性能衰退，壽命縮短，溫度過高甚至會燒毀器件。另外在實際使用中，多以串并聯多個單體的形式組成較大的電池組，內部因較差的散熱性能造成熱量迅速積累，導致溫度迅速升高，引發安全問題。因此研究鋰離子電容器的熱特性對其將來廣泛使用具有緊要意義。

創新點及處理的問題

作為一種新型的電化學儲能裝置，鋰離子電容器的熱性能尚未得到重視，因此研究鋰離子電容器在放電過程的溫度場分布具有緊要意義。通過建立三維有限元模型，利用workbench 有限元軟件對不同環境溫度與不同放電倍率下軟包鋰離子電容器放電過程的溫度場進行模擬研究。結果聲明，在放電過程中溫度逐漸升高且最高溫度出今朝電芯的中心區域，放電倍率越高溫升越大；鋰離子電容器單體的內部溫差受外部環境溫度影響較小。通過與試驗結果進行對比驗證，聲明此生熱模型能較好地反映鋰離子電容器在實際放電過程中的溫升情況，有助于其性能優化和結構設計。

結論

通過對鋰離子電容器進行HPPC探測，獲得不同溫度條件下的開路電壓和歐姆內阻，通過采用Bernardi生熱模型確定鋰離子電容器的生熱率；然后依據熱力學和傳熱學的知識建立三維熱效應模型，利用有限元軟件對鋰離子電容器進行溫度場模擬，并與試驗對比驗證，結果聲明：

（1）鋰離子電容器在放電過程中溫度逐漸升高，放電結束后電芯中心溫度最高，且隨著放電倍率增大而增大，而最低溫度出今朝極耳處。

（2）放電結束后，鋰離子電容器單體內部溫差隨著放電倍率增大而增大，當放電倍率相同時，不同環境溫度下單體溫差較為接近。

（3）該模型能夠較好地模擬鋰離子電容器在不同條件下的溫度變化以及生熱速率變化，準確地展示了鋰離子電容器放電過程的溫度場分布。

作者：

張耀升, 劉志恩, 孫現眾, 安亞斌, 張熊, 馬衍偉. 軟包鋰離子電容器放電過程熱模擬[J]. 儲能科學與技術, 2019, 8(5): 922-929.

ZHANG Yaosheng, LIU Zhien, SUN Xianzhong, AN Yabin, ZHANG Xiong, MA Yanwei. Thermal simulation for lithium-ion capacitor during disge process. Energy Storage Science and Technology, 2019, 8(5): 922-929.

原標題:軟包鋰離子電容器放電過程熱模擬

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