有轨电车用超级电容热管理研究

有轨电车以其节能环保、安全快捷等优势,在国内得到大力发展和广泛应用。在有轨电车高牵引功率、高制动功率并频繁大幅度波动的工况及高温等极端环境下,车用超级电容器内部将产生大量的热量使其温度迅速升高,影响性能与寿命,给热管理带来巨大挑战。为了提高间歇式供电有轨电车的使用性能、降低其储能成本,车载储能系统必须工作在适宜的温度和较小的温差范围内。本文依托国家重点研发计划项目(任务)(No.2017YFB1201004-12),采用理论研究、仿真分析和实验验证相结合的方法,建立了超级电容的电-热耦合多物理场模型,研究了超级电容的基本电化学与温度特性,对面向高功率密度的超级电容模块空间结构进行了优化设计,并通过仿真和实验研究了多种热管理方式在不同工况下的散热特性,通过对比分析不同热管理方式的散热效果与经济成本,验证了热管-散热油-强制风冷热管理方式的实用性,为有轨电车用超级电容热管理优化设计奠定基础。主要研究内容和结论如下:(1)建立了超级电容的一维、三维几何模型与电-热耦合模型,研究了超级电容的欧姆降与电解质浓度极化等电化学特性,分析了不同表面换热系数与不同环境温度对超级电容器内部最高温度的影响。(2)基于COMSOL仿真对自然对流和并行风冷的超级电容模块空间进行了结构优化,考察了三维空间中单体间隙(d_x、d_y、d_z)与单体排布方式对自然对流时超级电容模块最高温度(T_(max))和最大温差((35)T_(max))的影响,研究了并行风冷结构中楔形风道倾角θ、楔形风道底部高度b、单体间距d、来流温度T_(inlet)与来流风速V_(in)对并行风冷效果的影响。结果显示:自然对流下d_y对T_(max)和(35)T_(max)的影响最大,d_z对T_(max)的影响最小;2行9列比3行6列排布占用空间稍大,但温度效果更佳;结构参数θ、b、d对并行风冷的影响依次减弱,在一定范围增大参数值能有效降低T_(max)和(35)T_(max);减小T_(inlet)和增大V_(in)均能降低T_(max),但增大V_(in)会造成(35)T_(max)变大,且增大到一定数值后冷却效果减弱。(3)设计了一种适应于48V超级电容模块整体布局的热管翅片散热结构;仿真分析了厚度(d_1)与间距(d_2)对方形翅片散热能力的影响,结果表明d_2的影响程度大于d_1,并将优化后的d_1、d_2值分别取为2mm、1mm;对比研究了相变材料冷却、散热油冷却、热管-散热油-强制风冷三种热管理方案下模块温度变化情况;提出有轨电车用超级电容模块采用热管-散热油-强制风冷热管理方式的方案,此方案具有很强的散热性和均温性,在环境温度40℃、2m/s强制风冷、工况电流循环时可使最高温度和最大温差分别为45℃和1.5℃。(4)搭建了超级电容热管理实验平台,通过实验研究了超级电容单体或模块在不同热管理方式、不同环境温度、不同电流循环下的温度效应;对比实验结果验证了仿真模型;计算了三种热管理方式的经济成本;针对热管-散热油-强制风冷介绍了一种既能保证散热效果也能合理控制风机能耗的控制策略;结果显示:仿真与实验测得的T_(max)最大相对误差在7%左右,(35)T_(max)相差3.179℃,仿真模型具有一定的可行性;环境温度40℃时,自然对流、散热油冷却、相变材料冷却、热管-散热油-强制风冷的散热效果依次增强,后三种热管理方案的成本分别约占超级电容模块价格的3%、30%、13%;热管-散热油-强制风冷方案能够使工况电流或100A电流循环下的T_(max)小于50℃,(35)T_(max)小于2.7℃,具有最好的实用性。