CN115329703B - 基于车载超级电容热的管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于车载超级电容热的管理系统，包括试验平台搭建模块和超级电容热管理模块，所述试验平台搭建模块用于根据超级电容结构与工作原理建立电化学‑热耦合模型以及搭建超级电容实验平台，所述超级电容热管理模块用于设计风冷热管理系统与耦合热管理系统对所设计的热管理系统控温和均温性能进行评估，所述试验平台搭建模块与超级电容热管理模块电连接，所述超级电容热管理模块包括参数选择模块、控温和均温性能评估模块、影响程度分析模块和热管理优化模块，所述参数选择模块与控温和均温性能评估模块网络连接，所述影响程度分析模块与热管理优化模块电连接，本发明，具有提高电气性能和延长使用寿命的特点。
Description
技术领域
本发明涉及车载电容管理技术领域，具体为基于车载超级电容热的管理系统。
背景技术
超级电容作为辅助电源，以其功率密度高、耐低温性能优、快速充放电、环保等优点广泛应用于有轨电车中，为有轨电车动力输入提供便利的同时也带来了一些问题，在大幅度波动的工况或高温等极端环境下工作的超级电容会产生热效应，内部热量聚集造成温度在短时间内迅速升高，而超级电容正常工作的温度范围为233.15～343.15K，一旦温度超过这个范围，器件本身的电气性能和使用寿命将会严重受损，温度是影响超级电容输出性能的重要参数。
超级电容内不同单元和模块之间的温度差异会加剧超级电容的内阻和产热的不一致性，长期积累会使部分单体存在过充或过放的现象，从而对超级电容的使用寿命和性能造成不利影响，而且复杂沉重的热管理系统给超级电容增加了额外的功耗，散热效率低，与轨道交通轻量化的发展趋势相悖，解决有轨电车用超级电容器的热管理问题对整车动力系统的安全性、稳定性和经济性有着重要的意义，因此，设计提高电气性能和延长使用寿命的基于车载超级电容热的管理系统是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供基于车载超级电容热的管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于车载超级电容热的管理系统，包括试验平台搭建模块和超级电容热管理模块，所述试验平台搭建模块用于根据超级电容结构与工作原理建立电化学-热耦合模型以及搭建超级电容实验平台，所述超级电容热管理模块用于设计风冷热管理系统与耦合热管理系统对所设计的热管理系统控温和均温性能进行评估，所述试验平台搭建模块与超级电容热管理模块电连接，所述超级电容热管理模块包括参数选择模块、控温和均温性能评估模块、影响程度分析模块和热管理优化模块，所述参数选择模块与控温和均温性能评估模块网络连接，所述影响程度分析模块与热管理优化模块电连接；
所述参数选择模块用于采用敏感性分析方法对超级电容模组热管理系统参数的铭感度进行分析，所述控温和均温性能评估模块用于从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，所述影响程度分析模块用于通过一灵敏度和全局灵敏度分析热管理系统参数对最高温度和最大温差的影响，所述热管理优化模块用于通过对输入参数进行优化进一步优化热管理系统。
根据上述技术方案，所述试验平台搭建模块包括直流充放电设备端、PC控制端、无纸记录仪模块、超级电容模组模块和恒温箱模块，所述直流充放电设备端与PC控制端电连接，所述无纸记录仪模块、超级电容模组模块与恒温箱模块电连接，所述直流充放电设备端用于选取两通道电池测试系统对超级电容进行直流充放电，所述PC控制端为通过工控计算机控制整个试验台的步骤流程，所述无纸记录仪模块用于通过具有多个输入通道的无纸记录仪记录实验平台产生记录的温度数据，所述超级电容模组模块用于按设定要求进行模组接线并完成平台试验，所述恒温箱模块用于通过选用高低温交变试验箱并制定模拟温度范围。
根据上述技术方案，所述基于车载超级电容热的管理系统的管理运行方法包括以下步骤：
步骤一：建立超级电容电-热耦合模型；
步骤二：搭建超级电容试验平台；
步骤三：制定热管理系统的最优与最劣目标；
步骤四：对热管理系统控温和均温性能进行评估；
步骤五：基于联合仿真的优化方法对影响模型输出结果的参数进行优化。
根据上述技术方案，所述步骤一中，建立模型的方法步骤如下：
步骤A1：建立一维电化学模型研究材料属性的充放电过程；
步骤A2：依据物质的传输过程建立用于模拟超级电容器电化学过程的数学模型；
步骤A3：将电-热多物理场导热问题简化为单物理场问题进行求解。
根据上述技术方案，所述步骤二中搭建超级电容试验平台的方法步骤如下：
步骤B1：通过直流充放电设备、PC控制端、无纸记录仪、超级电容模组和恒温箱进行超级电容实验平台的搭建；
步骤B2：自然对流环境下，分别采用100A、200A和工况电流对超级电容单体进行充放电；
步骤B3：仿真计算超级电容在充放电循环过程中的电流-电压曲线；
步骤B4：基于超级电容的电化学特性与热性能，利用实验平台获取计算超级电容电解质浓度的分布曲线以及内阻随温度的变化曲线。
根据上述技术方案，所述步骤B2中，对超级电容进行直流充放电，是通过在充放电设备和超级电容模组之间接入自带18串电芯的电容保护电路板，并使用温度传感器采集实验过程中超级电容的实时温度，由输入通道的无纸记录仪记录上述温度数据，并通过上位机软件输出数据，将贴好热电偶的超级电容模组放置于恒温箱内，完成超级电容模组接线，设置恒温箱温度，并静置2h后对超级电容进行恒流充放电实验，设置充放电电流工况电流。
根据上述技术方案，所述步骤三中，制定热管理系统最优与最劣目标的方法步骤如下：
步骤C1：针对高温高倍率充放电时散热不足的现象制定热管理系统最优、最劣目标；
步骤C2：通过控制进风风速、进风温度、单体距离，将夏季高温环境下超级电容模块的稳态最高温度控制在25℃左右，内部单体之间温差控制在1℃左右，以达到最优目标；
步骤C3：最劣目标通过将稳态最高温度控制在45℃以内，即最高温升控制在5℃以内，单体之间温差控制在5℃以内。
根据上述技术方案，所述步骤四中，基于已制定的热管理系统的最优和最劣目标，从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，分析获取风冷热管理系统以及耦合热管理系统的控温性能和均温性能是否达到了最优、最劣目标，根据分析结果评估判断系统均温性能和控温性能的好坏，以此更好的进行优化。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过设置有试验平台搭建模块和超级电容热管理模块，根据超级电容结构与工作原理建立电化学-热耦合模型，针对电-热耦合模型在热管理系统优化时计算复杂度高、耗时久的问题,提出一种电-热耦合模型简化方法，搭建实验平台，分析超级电容的电化学特性与热性能，得到了充放电过程中电解质浓度的变化和温度对内阻的影响曲线，且基于已制定的热管理系统的最优和最劣目标，从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，分析获取风冷热管理系统以及耦合热管理系统的控温性能和均温性能是否达到了最优、最劣目标，根据分析结果评估判断系统均温性能和控温性能的好坏，更好的进行进一步优化。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的系统模块组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：基于车载超级电容热的管理系统，包括试验平台搭建模块和超级电容热管理模块，试验平台搭建模块用于根据超级电容结构与工作原理建立电化学-热耦合模型以及搭建超级电容实验平台，超级电容热管理模块用于设计风冷热管理系统与耦合热管理系统对所设计的热管理系统控温和均温性能进行评估，试验平台搭建模块与超级电容热管理模块电连接，超级电容热管理模块包括参数选择模块、控温和均温性能评估模块、影响程度分析模块和热管理优化模块，参数选择模块与控温和均温性能评估模块网络连接，影响程度分析模块与热管理优化模块电连接；
参数选择模块用于采用敏感性分析方法对超级电容模组热管理系统参数的铭感度进行分析，控温和均温性能评估模块用于从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，影响程度分析模块用于通过灵敏度和全局灵敏度分析热管理系统参数对最高温度和最大温差的影响，热管理优化模块用于通过对输入参数进行优化进一步优化热管理系统。
试验平台搭建模块包括直流充放电设备端、PC控制端、无纸记录仪模块、超级电容模组模块和恒温箱模块，直流充放电设备端与PC控制端电连接，无纸记录仪模块、超级电容模组模块与恒温箱模块电连接，直流充放电设备端用于选取两通道电池测试系统对超级电容进行直流充放电，PC控制端为通过工控计算机控制整个试验台的步骤流程，无纸记录仪模块用于通过具有多个输入通道的无纸记录仪记录实验平台产生记录的温度数据，超级电容模组模块用于按设定要求进行模组接线并完成平台试验，恒温箱模块用于通过选用高低温交变试验箱并制定模拟温度范围。
基于车载超级电容热的管理系统的管理运行方法包括以下步骤：
步骤一：建立超级电容电-热耦合模型，进行热管理系统优化时，需要不断改变参数，通过大量复杂的仿真计算来确定热管理系统是否达到了控温和均温的效果；
步骤二：搭建超级电容试验平台；
步骤三：制定热管理系统的最优与最劣目标，设计风冷热管理系统与耦合热管理系统，以稳态最高温度与最大温差为评价，热管理系统的优化旨在降低动力电池的最高温度，提高单位时间内的散热率，使动力电池温度分布更加均匀；
步骤四：对热管理系统控温和均温性能进行评估；
步骤五：基于联合仿真的优化方法对影响模型输出结果的参数进行优化。
步骤一中，建立模型的方法步骤如下：
步骤A1：建立一维电化学模型研究材料属性的充放电过程，超级电容在夏季高温40℃环境温度、自然对流散热条件下的温度场分布，设置仿真开始后先以额定电压放电，初始温度为40℃，额定电压为2.7V，针对超级电容电化学行为和热行为，设置接地、电极电流密度、无通量等边界条件；
步骤A2：依据物质的传输过程建立用于模拟超级电容器电化学过程的数学模型；
步骤A3：将电-热多物理场导热问题简化为单物理场问题进行求解。
步骤二中搭建超级电容试验平台的方法步骤如下：
步骤B1：通过直流充放电设备、PC控制端、无纸记录仪、超级电容模组和恒温箱进行超级电容实验平台的搭建；
步骤B2：自然对流环境下，分别采用100A、200A和工况电流对超级电容单体进行充放电，超级电容在不同环境温度下的温度变化不同，高温环境下，超级电容温升速率快，在短时间内就会超出最佳工作温度范围，因此必须对其进行有效的热管理；
步骤B3：仿真计算超级电容在充放电循环过程中的电流-电压曲线，将超级电容的运行电压变化设置在一定的范围内，主要为了提高储能系统的效率；
步骤B4：基于超级电容的电化学特性与热性能，利用实验平台获取计算超级电容电解质浓度的分布曲线以及内阻随温度的变化曲线。
步骤B2中，对超级电容进行直流充放电，是通过在充放电设备和超级电容模组之间接入自带18串电芯的电容保护电路板，可以起到均衡电压、防止过充和过电流以及短路保护的作用，并使用温度传感器采集实验过程中超级电容的实时温度，由输入通道的无纸记录仪记录上述温度数据，并通过上位机软件输出数据，将贴好热电偶的超级电容模组放置于恒温箱内，完成超级电容模组接线，设置恒温箱温度，并静置2h后对超级电容进行恒流充放电实验，设置充放电电流工况电流。
步骤三中，制定热管理系统最优与最劣目标的方法步骤如下：
步骤C1：针对高温高倍率充放电时散热不足的现象制定热管理系统最优、最劣目标，加入热管理系统的目的是为了同时实现对超级电容的控温和均温作用；
步骤C2：通过控制进风风速、进风温度、单体距离，将夏季高温环境下超级电容模块的稳态最高温度控制在25℃左右，内部单体之间温差控制在1℃左右，以达到最优目标；
步骤C3：最劣目标通过将稳态最高温度控制在45℃以内，即最高温升控制在5℃以内，单体之间温差控制在5℃以内。
步骤四中，基于已制定的热管理系统的最优和最劣目标，从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，分析获取风冷热管理系统以及耦合热管理系统的控温性能和均温性能是否达到了最优、最劣目标，根据分析结果评估判断系统均温性能和控温性能的好坏，以此更好的进行优化。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于车载超级电容热的管理系统，包括试验平台搭建模块和超级电容热管理模块，其特征在于：所述试验平台搭建模块用于根据超级电容结构与工作原理建立电化学-热耦合模型以及搭建超级电容实验平台，所述超级电容热管理模块用于设计风冷热管理系统与耦合热管理系统对所设计的热管理系统控温和均温性能进行评估，所述试验平台搭建模块与超级电容热管理模块电连接，所述超级电容热管理模块包括参数选择模块、控温和均温性能评估模块、影响程度分析模块和热管理优化模块，所述参数选择模块与控温和均温性能评估模块网络连接，所述影响程度分析模块与热管理优化模块电连接；
所述参数选择模块用于采用敏感性分析方法对超级电容模组热管理系统参数的铭感度进行分析，所述控温和均温性能评估模块用于从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，所述影响程度分析模块用于通过灵敏度和全局灵敏度分析热管理系统参数对最高温度和最大温差的影响，所述热管理优化模块用于通过对输入参数进行优化进一步优化热管理系统；
所述试验平台搭建模块包括直流充放电设备端、PC控制端、无纸记录仪模块、超级电容模组模块和恒温箱模块，所述直流充放电设备端与PC控制端电连接，所述无纸记录仪模块、超级电容模组模块与恒温箱模块电连接，所述直流充放电设备端用于选取两通道电池测试系统对超级电容进行直流充放电，所述PC控制端为通过工控计算机控制整个试验台的步骤流程，所述无纸记录仪模块用于通过具有多个输入通道的无纸记录仪记录实验平台产生记录的温度数据，所述超级电容模组模块用于按设定要求进行模组接线并完成平台试验，所述恒温箱模块用于通过选用高低温交变试验箱并制定模拟温度范围。
2.根据权利要求1所述的基于车载超级电容热的管理系统，其特征在于：所述基于车载超级电容热的管理系统的管理运行方法包括以下步骤：
步骤一：建立超级电容电-热耦合模型；
步骤二：搭建超级电容试验平台；
步骤三：制定热管理系统的最优与最劣目标；
步骤四：对热管理系统控温和均温性能进行评估；
步骤五：基于联合仿真的优化方法对影响模型输出结果的参数进行优化。
3.根据权利要求2所述的基于车载超级电容热的管理系统，其特征在于：所述步骤一中，建立模型的方法步骤如下：
步骤A1：建立一维电化学模型研究材料属性的充放电过程；
步骤A2：依据物质的传输过程建立用于模拟超级电容器电化学过程的数学模型；
步骤A3：将电-热多物理场导热问题简化为单物理场问题进行求解。
4.根据权利要求3所述的基于车载超级电容热的管理系统，其特征在于：所述步骤二中搭建超级电容试验平台的方法步骤如下：
步骤B1：通过直流充放电设备、PC控制端、无纸记录仪、超级电容模组和恒温箱进行超级电容实验平台的搭建；
步骤B2：自然对流环境下，分别采用100A、200A和工况电流对超级电容单体进行充放电；
步骤B3：仿真计算超级电容在充放电循环过程中的电流-电压曲线；
步骤B4：基于超级电容的电化学特性与热性能，利用实验平台获取计算超级电容电解质浓度的分布曲线以及内阻随温度的变化曲线。
5.根据权利要求4所述的基于车载超级电容热的管理系统，其特征在于：所述步骤B2中，对超级电容进行直流充放电，是通过在充放电设备和超级电容模组之间接入自带18串电芯的电容保护电路板并使用温度传感器采集实验过程中超级电容的实时温度，由输入通道的无纸记录仪记录上述温度数据，并通过上位机软件输出数据，将贴好热电偶的超级电容模组放置于恒温箱内，完成超级电容模组接线，设置恒温箱温度，并静置2h后对超级电容进行恒流充放电实验，设置充放电电流工况电流。
6.根据权利要求5所述的基于车载超级电容热的管理系统，其特征在于：所述步骤三中，制定热管理系统最优与最劣目标的方法步骤如下：
步骤C1：针对高温高倍率充放电时散热不足的现象制定热管理系统最优、最劣目标；
步骤C2：通过控制进风风速、进风温度、单体距离，将夏季高温环境下超级电容模块的稳态最高温度控制在25℃左右，内部单体之间温差控制在1℃左右，以达到最优目标；
步骤C3：最劣目标通过将稳态最高温度控制在45℃以内，即最高温升控制在5℃以内，单体之间温差控制在5℃以内。
7.根据权利要求6所述的基于车载超级电容热的管理系统，其特征在于：所述步骤四中，基于已制定的热管理系统的最优和最劣目标，从控温性能和均温性能两方面对热管理系统的有效性进行评估，分析获取风冷热管理系统以及耦合热管理系统的控温性能和均温性能是否达到了最优、最劣目标，根据分析结果评估判断系统均温性能和控温性能的好坏，以此更好的进行优化。
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