超级电容器的热模型分析方法

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：精确地定义超级电容器的热模型比较困难，因为这需要准确掌握器件的内部结构，而这往往是生产厂商不愿提供的。鉴于已知了超级电容器的运行机理和各组成部分，可以由每个部分的热容估算器件的整体热容。图9-5 超级电容器的热模型在这个实例中，三个超级电容器放置于同一块印制电路板上，并装在一个两边开口的碳纤维盒子里。同时，对每只超级电容器进行循环充放电，使充放电电流在串联阻抗上产生的损耗达到1.13W，每个充放电循环周期为2400s。

由等效电路模型可知，超级电容器存在一个串联阻抗，虽然其值很小，但在充放电过程中仍会产生损耗，即因焦耳效应而导致的能量耗散。因此，超级电容器在运行过程中会出现温升，需要对其进行量化以判断温升是否能够忍受，还是应该借助于冷却系统进行冷却。

精确地定义超级电容器的热模型比较困难，因为这需要准确掌握器件的内部结构，而这往往是生产厂商不愿提供的。在用户的要求下，厂商应该会提供专门的工具来计算器件的发热量。但是，这些工具往往是封闭的，并且基于不公开的数学模型。因此，在大多数情况下，我们只能立足于“黑匣子”模型，用厂商提供的少量参数来估算那些没有给出的参数。他们提供的参数包括器件的热导率及其密度（体积密度与质量密度），一般不包括器件的热容，不过这可以通过适当的测量或者估算得到。

鉴于已知了超级电容器的运行机理和各组成部分，可以由每个部分的热容估算器件的整体热容。例如，对于一个含有65%铝（900J/kg/K）、25%碳（900J/kg/K）和10%（4180J/kg/K）电解质的器件，经计算可以得到其整体热容为1203J/kg/K。

因此，通过有限元数值分析软件计算热导率、成分密度与热容，可以确定超级电容器器件的热性能。图9-5给出了一个二维仿真实例。

图9-5 超级电容器的热模型

在这个实例中，三个超级电容器放置于同一块印制电路板上，并装在一个两边开口的碳纤维盒子里。盒子顶部受到阳光照射（1kW/m²），空气以恒定的速度（0.5m/s）从左向右吹过。同时，对每只超级电容器进行循环充放电，使充放电电流在串联阻抗上产生的损耗达到1.13W，每个充放电循环周期为2400s。

图9-5中的结果给出了三个器件的发热过程，但这种通过测量器件表面温度的方法不够准确，因为其内部的温度会更高。

需要注意的是，上面这个模型只不过是一个全局模型。其前提是器件内部的损耗均匀分布，而器件本身也被认为是匀质的。虽然严格意义上并非如此，但这样一个模型已经很接近器件的真实特性了。

超级电容器的热模型分析方法

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