• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

不同空间结构的有轨电车超级电容热行为

戴朝华 傅雪婷 杜云 郭爱 陈维荣

戴朝华, 傅雪婷, 杜云, 郭爱, 陈维荣. 不同空间结构的有轨电车超级电容热行为[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(5): 920-927. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190561
引用本文: 戴朝华, 傅雪婷, 杜云, 郭爱, 陈维荣. 不同空间结构的有轨电车超级电容热行为[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(5): 920-927. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190561
DAI Chaohua, FU Xueting, DU Yun, GUO Ai, CHEN Weirong. Supercapacitor Thermal Behavior of Trams with Different Spatial Structures[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(5): 920-927. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190561
Citation: DAI Chaohua, FU Xueting, DU Yun, GUO Ai, CHEN Weirong. Supercapacitor Thermal Behavior of Trams with Different Spatial Structures[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(5): 920-927. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190561

不同空间结构的有轨电车超级电容热行为

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190561
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFB1201003,2017YFB1201004)
详细信息
    作者简介:

    戴朝华(1973—),男,副教授,博士生导师,研究方向为电力系统及其自动化、新能源发电及并网技术,E-mail:daichaohua@ swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V221.3

Supercapacitor Thermal Behavior of Trams with Different Spatial Structures

  • 摘要: 为了减轻有轨电车超级电容模组因温度引起的性能衰减,基于超级电容器的单体结构,研究单体不同空间结构对超级电容模组热行为的影响. 首先,建立超级电容电化学-热耦合模型,并搭建实验平台验证模型的有效性;其次,定义“自然对流换热比表面积”,通过最高温度、最大温差、单体温度波动率和空间利用率4个指标对截面为3 × 6、2 × 9的长方体结构、截面为4 × 4的正方体结构和六面体结构的超级电容模组的温度特性和体积特征进行评估. 研究表明:气流路径的长度、对流换热比表面积以及强制对流换热的单体数量会影响散热的效果,具有短而宽流动路径的空间结构冷却效果更好;正方体结构是冷却效果和均温方面的最优选择;对于空间利用率和冷却效率而言,六面体结构是最佳选择.

     

  • 图 1  超级电容电化学模型

    Figure 1.  Electrochemical model of supercapacitors

    图 2  梯形等效电路

    Figure 2.  Trapezoidal equivalent circuit

    图 3  工作电流与运行电压

    Figure 3.  Working current and operating voltage

    图 4  热电偶布置示意

    Figure 4.  Thermocouple layout

    图 5  空间温度分布柱状图

    Figure 5.  Histogram for space temperature distribution

    图 6  超级电容温度随时间的变化

    Figure 6.  Supercapacitor temperature versus time

    图 7  各个结构的散热方式

    Figure 7.  Heat dissipation for different structures

    图 8  模组区域划分

    Figure 8.  Module area division

    图 9  3 × 6结构温度分布

    Figure 9.  Temperature distribution of 3 × 6 structure

    图 10  2 × 9结构温度分布

    Figure 10.  Temperature distribution of 2 × 9 structure

    图 11  4 × 4结构温度分布

    Figure 11.  Temperature distribution of 4 × 4 structure

    图 12  六面体结构温度分布

    Figure 12.  Temperature distribution of hexagonal structure

    表  1  超级电容仿真参数

    Table  1.   Supercapacitor simulation parameters

    名称恒压热容/
    (J•(kg•℃)−1
    密度/
    (kg•m−3
    导热系数/
    (W•(m•K)−1
    铝壳2 700900238
    空气区1.231 006.430.03
    正负极柱2 700900238
    隔膜9301 9000.38
    电解液2 1411 2050.16
    多孔电极7007005
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真与实验结果对比

    Table  2.   Comparison of simulation and experimental results

    验证方式Tmax/℃ΔTmax/℃
    实验 66.20 16.50
    仿真 67.12 16.65
    相对误差/% 1.38 0.90
    下载: 导出CSV

    表  3  不同结构的温度特性与体积特征

    Table  3.   Temperature and volumetric characteristics of different structures

    排列结构Tmax/℃ΔTmax/℃δ/%Ct/%
    2 × 9 56.64 7.32 65.57 0.11
    3 × 6 54.10 6.60 65.54 0.14
    4 × 4 47.38 3.00 64.83 0.07
    六面体 53.10 7.75 74.52 0.09
    下载: 导出CSV
  • 薛美根,杨立峰,程杰. 现代有轨电车主要特征与国内外发展研究[J]. 城市交通,2008,6(6): 88-91. doi: 10.3969/j.issn.1672-5328.2008.06.016

    XUE Meigen, YANG Lifeng CHENG Jie. Modern trams:characteristics & development both at home and abroad[J]. Urban Transport of China, 2008, 6(6): 88-91. doi: 10.3969/j.issn.1672-5328.2008.06.016
    臧宇,许广鹏,关和宁,等. 国内现代有轨电车车辆发展状况综述[J]. 现代城市轨道交通,2016(2): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1672-7533.2016.02.001

    ZANG Yu, XU Guangpeng, GUAN Hening. Overview of development of domestic modern tramcar vehicles[J]. Modern Urban Transit, 2016(2): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1672-7533.2016.02.001
    王梅. 我国现代有轨电车发展的现状、趋势与思考[J]. 交通与港航, 2017, 4(1): 14-14.

    WANG Mei. The status quo, trends and reflections on the development of modern tramways in China public utilities[J]. Communication & Shipping, 2017, 4(1): 14-14.
    柴适. 有轨电车供电新技术[J]. 交通与港航,2011,25(4): 53-54. doi: 10.3969/j.issn.1001-599X.2011.04.017

    CHAI Shi. New technology for tramcar power supply[J]. Communication & Shipping, 2011, 25(4): 53-54. doi: 10.3969/j.issn.1001-599X.2011.04.017
    陈志雄. 现代有轨电车无接触网技术应用分析[J]. 城市轨道交通研究,2014,17(4): 117-121.

    CHEN Zhixiong. Analysis of catenary-free technology applied in modern trams[J]. Urban Mass Transit, 2014, 17(4): 117-121.
    陈宽,阮殿波,傅冠生. 轨道交通用超级电容器研发概述[J]. 电池,2014,4(5): 296-298. doi: 10.3969/j.issn.1001-1579.2014.05.015

    CHEN Kuan, RUAN Dianbo, FU Guansheng. Research and development summary of supercapacitor used in rail transit[J]. Battery Bimonthly, 2014, 4(5): 296-298. doi: 10.3969/j.issn.1001-1579.2014.05.015
    马丽洁,廖文江,高宗余. 城轨列车车载超级电容储能控制策略研究[J]. 电工技术学报,2015(增刊1): 63-68.

    MA Lijie, LIAO Wenjiang, GAO Zongyu. Research on AC side series supercapacitor regenerative braking[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015(S1): 63-68.
    赵军,范晓云. 超级电容有轨电车供电系统研究[J]. 电力电子技术,2017(6): 86-88.

    ZHAO Jun, FAN Xiaoyun. Research on the power supply system for the supercapacitor tramcar[J]. Power Electronics, 2017(6): 86-88.
    张婷婷,张伟先,胡润文. 基于超级电容的有轨电车储能电源系统介绍[J]. 技术与市场,2016,23(5): 98-99. doi: 10.3969/j.issn.1006-8554.2016.05.044

    ZHANG Tingting, ZHANG Xianwei, HU Runwen. Introduction of rail electric energy storage power system based on supercapacitor[J]. Technology & Market, 2016, 23(5): 98-99. doi: 10.3969/j.issn.1006-8554.2016.05.044
    顾帅,韦莉,张逸成,等. 超级电容器不一致性研究现状及展望[J]. 中国电机工程学报,2015,35(11): 2862-2869.

    GU Shuai, WEI Li, ZHANG Yicheng, et al. Review of nonuniformity research and analysis on supercapacitor[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(11): 2862-2869.
    GUALOUS H, BOUQUAIN D, BERTHON A, et al. Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature[J]. Journal of Power Sources, 2003, 123(1): 86-93. doi: 10.1016/S0378-7753(03)00527-5
    顾帅, 韦莉, 张逸成, 等. 超级电容器老化特征与寿命测试研究展望[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(21): 145-153.

    GU Shuai, WEI Li, ZHANG Yicheng, et al. Prospects of ageing characteristic and life test research on supercapacitors[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(21): 145-153.
    李岩松,郑美娜,石云飞,等. 卷绕式超级电容器封装单元结构对其热行为影响的研究[J]. 中国电机工程学报,2016,36(17): 4762-4770.

    LI Yansong, ZHENG Meina, SHI Yunfei, et al. Study on thermal behavior influences of spiral wound supercapacitors with package units structure[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(17): 4762-4770.
    张莉,宋金岩,邹积岩. 混合型超级电容器的封装结构及其温度场研究[J]. 电子元件与材料,2005,24(11): 30-32. doi: 10.3969/j.issn.1001-2028.2005.11.011

    ZHANG Li, SONG Jinyan, ZOU Jiyan. Investigations on packaging structure and temperature field of hybrid supercapacitors[J]. Electronic Components & Materials, 2005, 24(11): 30-32. doi: 10.3969/j.issn.1001-2028.2005.11.011
    VOICU I, LOUAHLIA H, GUALOUS H, et al. Thermal management and forced air-cooling of supercapacitors stack[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 85: 89-99. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.04.003
    NEWMAN J, TIEDEMANN W. Porous-electrode theory with battery applications[J]. AIChE Journal, 1975, 21(1): 25-41. doi: 10.1002/aic.690210103
    张兴磊,王文,华黎,等. 恒流充放电过程中双电层电容器温度特性[J]. 化工学报,2016,67(4): 1207-1214.

    ZHANG Xinglei , WANG Wen , HUA Li, et al. Temperature characteristic of electric double layer capacitor under galvanostatic cycling[J]. CIESC Journal, 2016, 67(4): 1207-1214.
    SCHIFFER J, LINZEN D, SAUER D U. Heat generation in double layer capacitors[J]. Journal of Power Sources, 2006, 160(1): 765-772. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.12.070
    郑美娜. 超级电容器的多物理场动力学行为研究[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2016.
    YVES B. 储能技术[M]. 唐西胜, 译. 北京: 机械工业出版社, 2013: 177-178.
    张莹,刘开宇,张伟,等. 二氧化锰超级电容器的电极电化学性质[J]. 化学学报,2008,66(8): 909-913. doi: 10.3321/j.issn:0567-7351.2008.08.013

    ZHANG Ying, LIU Kaiyu, ZHANG Wei, et al. Electrochemical performance of electrodes in MnO2 supercapacitor[J]. Acta Chimica Sinica, 2008, 66(8): 909-913. doi: 10.3321/j.issn:0567-7351.2008.08.013
    WANG T, TSENG K J, ZHAO J, et al. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies[J]. Applied Energy, 2014, 134: 229-238.
  • 加载中
图(12) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  611
  • HTML全文浏览量:  326
  • PDF下载量:  13
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-19
  • 修回日期:  2019-10-23
  • 网络出版日期:  2020-07-23
  • 刊出日期:  2020-10-01

目录

    /

    返回文章
    返回