前言：研究表明溫度對(duì)儲(chǔ)能器件的性能有重要影響，溫度過高造成電解液分解，性能衰退，壽命縮短，溫度過高甚至?xí)龤骷?。另外在?shí)際使用中，多以串并聯(lián)多個(gè)單體的形式組成較大的電池包，內(nèi)部因較差的散熱性能造成熱量迅速積累，導(dǎo)致溫度迅速升高，引發(fā)安全問題。因此研究鋰離子電容器的熱特性對(duì)其未來廣泛應(yīng)用具有重要意義。

（來源：微信公眾號(hào)“儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)” ID：esst2012 作者：張耀升）

研究背景

隨著汽車保有量的增加，傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭，引發(fā)的能源問題和氣候問題已成為各國(guó)亟待解決的問題，為此各國(guó)大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，極力推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展。而儲(chǔ)能裝置作為電動(dòng)汽車的核心部件，近年來成為研究熱點(diǎn)，其中鋰離子電池因具有較高的能量密度已被廣泛地應(yīng)用到電動(dòng)汽車上。超級(jí)電容器因具有超高的功率密度、良好的安全性能和長(zhǎng)循環(huán)壽命而被廣泛用在特種航天、特種科技等領(lǐng)域，然而其低的能量密度仍不能滿足電動(dòng)汽車的需求。鋰離子電容器（LIC）是近年來發(fā)展起來的一種混合型儲(chǔ)能器件，兼具傳統(tǒng)超級(jí)電容器長(zhǎng)壽命、高功率密度和鋰離子電池高能量密度、低自放電率的特點(diǎn)，其能量密度是雙層電容器的3～5倍，功率密度可達(dá)20 kW/kg，因此在新能源電動(dòng)汽車、低溫啟動(dòng)電源、風(fēng)力發(fā)電、城市軌道交通、制動(dòng)能量回收、智能電網(wǎng)、UPS不間斷電源等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

研究表明溫度對(duì)儲(chǔ)能器件的性能有重要影響，溫度過高造成電解液分解，性能衰退，壽命縮短，溫度過高甚至?xí)龤骷?。另外在?shí)際使用中，多以串并聯(lián)多個(gè)單體的形式組成較大的電池包，內(nèi)部因較差的散熱性能造成熱量迅速積累，導(dǎo)致溫度迅速升高，引發(fā)安全問題。因此研究鋰離子電容器的熱特性對(duì)其未來廣泛應(yīng)用具有重要意義。

創(chuàng)新點(diǎn)及解決的問題

作為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)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(chǎng)分布具有重要意義。通過建立三維有限元模型，利用workbench 有限元軟件對(duì)不同環(huán)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(chǎng)進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明，在放電過程中溫度逐漸升高且最高溫度出現(xiàn)在電芯的中心區(qū)域，放電倍率越高溫升越大；鋰離子電容器單體的內(nèi)部溫差受外部環(huán)境溫度影響較小。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，表明此生熱模型能較好地反映鋰離子電容器在實(shí)際放電過程中的溫升情況，有助于其性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

通過對(duì)鋰離子電容器進(jìn)行HPPC測(cè)試，獲得不同溫度條件下的開路電壓和歐姆內(nèi)阻，通過采用Bernardi生熱模型確定鋰離子電容器的生熱率；然后根據(jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)的知識(shí)建立三維熱效應(yīng)模型，利用有限元軟件對(duì)鋰離子電容器進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：

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

（2）放電結(jié)束后，鋰離子電容器單體內(nèi)部溫差隨著放電倍率增大而增大，當(dāng)放電倍率相同時(shí)，不同環(huán)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(zhǔn)確地展示了鋰離子電容器放電過程的溫度場(chǎng)分布。

作者：

張耀升, 劉志恩, 孫現(xiàn)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(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 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(biāo)題:軟包鋰離子電容器放電過程熱模擬