软包锂离子电容器放电过程热模拟

前言：研究表明温度对储能器件的性能有重要影响，温度过高造成电解液分解，性能衰退，寿命缩短，温度过高甚至会烧毁器件。另外在实际使用中，多以串并联多个单体的形式组成较大的电池包，内部因较差的散热性能造成热量迅速积累，导致温度迅速升高，引发安全问题。因此研究锂离子电容器的热特性对其未来广泛应用具有重要意义。

（来源：微信公众号“储能科学与技术” ID：esst2012 作者：张耀升）

研究背景

随着汽车保有量的增加，传统化石能源日渐枯竭，引发的能源问题和气候问题已成为各国亟待解决的问题，为此各国大力发展新能源产业，极力推动新能源汽车的发展。而储能装置作为电动汽车的核心部件，近年来成为研究热点，其中锂离子电池因具有较高的能量密度已被广泛地应用到电动汽车上。超级电容器因具有超高的功率密度、良好的安全性能和长循环寿命而被广泛用在特种航天、特种科技等领域，然而其低的能量密度仍不能满足电动汽车的需求。锂离子电容器（LIC）是近年来发展起来的一种混合型储能器件，兼具传统超级电容器长寿命、高功率密度和锂离子电池高能量密度、低自放电率的特点，其能量密度是双层电容器的3～5倍，功率密度可达20 kW/kg，因此在新能源电动汽车、低温启动电源、风力发电、城市轨道交通、制动能量回收、智能电网、UPS不间断电源等领域显示出广阔的应用前景。

研究表明温度对储能器件的性能有重要影响，温度过高造成电解液分解，性能衰退，寿命缩短，温度过高甚至会烧毁器件。另外在实际使用中，多以串并联多个单体的形式组成较大的电池包，内部因较差的散热性能造成热量迅速积累，导致温度迅速升高，引发安全问题。因此研究锂离子电容器的热特性对其未来广泛应用具有重要意义。

创新点及解决的问题

作为一种新型的电化学储能装置，锂离子电容器的热性能尚未得到重视，因此研究锂离子电容器在放电过程的温度场分布具有重要意义。通过建立三维有限元模型，利用workbench 有限元软件对不同环境温度与不同放电倍率下软包锂离子电容器放电过程的温度场进行模拟研究。结果表明，在放电过程中温度逐渐升高且最高温度出现在电芯的中心区域，放电倍率越高温升越大；锂离子电容器单体的内部温差受外部环境温度影响较小。通过与实验结果进行对比验证，表明此生热模型能较好地反映锂离子电容器在实际放电过程中的温升情况，有助于其性能优化和结构设计。

结论

通过对锂离子电容器进行HPPC测试，获得不同温度条件下的开路电压和欧姆内阻，通过采用Bernardi生热模型确定锂离子电容器的生热率；然后根据热力学和传热学的知识建立三维热效应模型，利用有限元软件对锂离子电容器进行温度场模拟，并与实验对比验证，结果表明：

（1）锂离子电容器在放电过程中温度逐渐升高，放电结束后电芯中心温度最高，且随着放电倍率增大而增大，而最低温度出现在极耳处。

（2）放电结束后，锂离子电容器单体内部温差随着放电倍率增大而增大，当放电倍率相同时，不同环境温度下单体温差较为接近。

（3）该模型能够较好地模拟锂离子电容器在不同条件下的温度变化以及生热速率变化，准确地展示了锂离子电容器放电过程的温度场分布。

作者：

张耀升, 刘志恩, 孙现众, 安亚斌, 张熊, 马衍伟. 软包锂离子电容器放电过程热模拟[J]. 储能科学与技术, 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.

原标题:软包锂离子电容器放电过程热模拟