摘 要

超级电容器作为新型储能元件，活性电极材料的研究是新能源领域的热点之一。而二氧化锰作为一种过渡金属氧化物得到了广泛的应用，它作为一种传统的电极材料，价格便宜非常适合用来做超级电容的电极材料。本文采用一些现代物理测试方法对制备的样品进行验证，通过电化学性能测试，研究了二氧化锰材料的制备方法及后处理条件对电容特性的影响。以高锰酸钾为氧化剂，乙酸锰为还原剂，采用水热法合成了Mn02型粉体，完成超级电容器的设计。并以超级电容器为原材料，用串并联的方式对其进行组装，形成超级电容器模组，然后以此为动力，完成客车的部分动力性仿真，研究其能量回收损耗的多少来确定最佳的超级电容器的动力参数。用此超级电容器作为动力，完成在客车上的仿真。

关键词：二氧化锰；超级电容器；SOC；simulink仿真

Abstract

As a new type of energy storage element, the research of active electrode material is one of the hot spots in the field of new energy. Manganese dioxide, as a transition metal oxide, has been widely used as a traditional electrode material. In this paper, some modern physical test methods are used to verify the prepared samples. Through the electrochemical performance test, the effect of the preparation method and post-treatment conditions of manganese dioxide on the capacitance characteristics is studied. MnO2 powder was synthesized by hydrothermal method with potassium permanganate as oxidant and manganese acetate as reducing agent. The supercapacitors are assembled in series and parallel connection to form the supercapacitor module. Then, taking the supercapacitors as the power, part of the bus's power performance simulation is completed and the energy recovery loss is studied to determine the optimal power parameters of the supercapacitors. Using the supercapacitor as power, the simulation on the bus is completed.

Key words：Manganese dioxide; Supercapacitor; SOC；The simulink simulation.

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究的内容和方法 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 采用的方法和措施 3

第二章 超级电容器的介绍 4

2.1超级电容器简介 4

2.2超级电容器的工作原理和结构 5

2.2.1 超级电容器的结构 5

2.2.2 工作原理 5

2.3 本章小结 6

第三章 超级电容器制备和SOC仿真 7

3.1 基于MnO₂的超级电容器制备 7

3.2 超级电容器的电化学性能研究 7

3.2.1单个超级电容器的SOC估算 7

3.2.2 模型数据的确定 9

3.2.3 仿真结果 10

3.3 本章小结 12

第四章 客车的动力性仿真 13

4.1 超级电容器系统的确定 13

4.2 客车上超级电容器的动力性仿真 15

4.2.1 行驶阻力计算 15

4.2.2 建立模型 16

4.2.3 仿真结果 16

4.3 本章小结 18

第五章 总结和展望 20

5.1 总结 20

5.2 展望 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

如今，许许多多的电子仪器都很积极迅速的向轻量化的方向发展，因此体积相对较小、充放电速率快、电池使用寿命较长等特点的超级电容器作为一种新生的储能器件，已经十分广泛的用在了各种备用电源之中。我们日常生活用到的笔记本电脑，液晶电视、手机等运用的都是超级电容器的技术，不仅如此，超级电容器因为其功能，被用作辅助电源，在一些音频设施，通讯和视频设备及家中常用的电器中都有它的身影。超级电容器与新能源电池，燃料电池电池以及星空电池等二次电池联合使用行程成复合电源，用作混合动力来发挥作用，在军事领域也可见到超级电容器的身影，它多被用来和电池进行结合，成为飞机，坦克，火箭，导弹，卫星，航天器航天器和潜艇的点火或启动动力。自1982年以来，美国研究所对超级电容器进行开发，采用双层原理并应用于导弹，火箭发射器，电磁发射器，激光器和微波武器系统，以提供MW级的超级启动电源。

超级电容所涉及的领域是在是不胜枚举，在工业设备也被广为应用，X光机以及风能和太阳能发电系统都有超级电容器的功能。

随着石油储量越来越少，环境污染日益严重，新能源汽车开始被提上台面，成了大势所趋，而在新能源汽车的储电设备中，超级电容器无疑成为最具吸引力的储能元件。目前，超级电容器在新能源电动汽车的应用还在研究当中。由于科技的发展进步，在现在的市场中，传统的燃油车和普通的电动车都有着自己致命的缺陷，比如充放电的时间过长，但是相应的行驶里程很短，使用寿命也比较短，制造的成本还很高。针对这个问题，一些研究工作人员提出了一种称为“负载平衡”的技术，其中电池在正常驱动期间提供相对低的功率值，而超级电容器的作用则是提供汽车的启动，加速，爬坡等所需的功率。但是，这些都不足以九诀真正的问题。为了真正完全的解决这些电动汽车在实际生活中的应用问题，将超级电容器的功能进一步开发指日可待，可以将超级电容器的组成系统（CBS）与高能量密度电源相结合，用来支持特殊条件,例如车辆启动，加速和爬升。 CBS对所需功率所拥有的的优势如下：

（1）它能显著提高电源在不同工作运行条件下的能量利用率和效率；

（2）可以保证车辆的能源特性在比较长的使用时间之后不会进一步恶化；

（3）可以很大程度上增强汽车的高效率使用；

（4）可以延长车辆行程，具有较高的能量回收利用率。

20世纪80年代初，固体电解质电化学电容器问世。目前，纯电容电动自行车已经开发出来，价格仅为普通汽车的1/10~1/5。近年来，超级电容器在我国的发展趋势迅猛，很多企业已经卡发出来电动汽车的原型。在奥运期间，超级电容器作为储存能量和动力设备，相应的产品就得到了广泛的应用；在2010年的上海世博会期间，就有接近1000量新能源汽车在此期间进行展示并被使用。这将是零碳排放的超级电容器，纯容量和燃料电池汽车。

1.2 国内外研究现状

针对超级电容器的设计和性能仿真，国内学者采用的方法和研究现状如下：丰俊，丁晓峰等认为超级电容器是一种新型储能器件,它充电快、寿命长、低温性能优越、等优势吸引着工程师。随着科技的进步，绿化也成为人们需要考虑的问题。因此研究超级电容器很有必要^【1】。毕治功,王涵,张谦等人觉得MnO2是一种很有潜力的超级电容器电极材料，其可以提高石墨烯的有效比表面^【2】。姜峰等人采用压片法制锰基超级电容器电极材料;测试了电极材料的循环伏安、恒流充放电等电化学性能。研究结果表明,锰基电极材料在KOH电解液中的电化学性能要比在Na₂SO₄电解液中高^【3】。崔丽华等人采用水热法组装对称超级电容器。利用FESEM、XPS以及电化学工作站对样品的元素价态、电化学性能进行表征，得出结论是既可以减轻超级电容器的质量，又能提高其效率。^【4】杨泽明等人以BCAP0310型号的超级电容器为研究对象,通过建立超级电容器的等效仿真电路模型,确定该模型的各项参数,完成了对超级电容器单体的建模。利用SIMULINK软件对超级电容器串联均压方法进行了仿真验证及分析^【5】。彭信松选择了双向DC/DC变换器作为大型客车超级电容储能回馈系统中主要电路的变流结构。对城市轨道列车在启动过程中释放能量这一过程进行详细的研究,由此来计算超级电容器的储能系统容量大小，得出超级电容储能系统可以起到稳压和节能的要求的结论^【6】。刘卓通过对电动车爬坡加速,匀速行驶以及减速制动的工况进行分析,对比选择估算其荷电量,利用matlab中的simulink来搭建所需的模型,对超级电容器的充放电特性实验,验证其在电动车上的可行性^【7】。侯智剑在ANSYS中建立了超级电容器二维电场有限元仿真模型,获得电容器内部整体的场强分布,给出最大场强所在路径上的场强分布并对结果进行了理论分析^【8】。金翠辰通过对超级电容器储能系统的分析,建立了相应的数学模型；对超级电容器储能系统进行分析，分别从超级电容系统的结构, 变流器结构以及系统的控制方式这几方面提出了具体的优化改进方案^【9】。余聪聪采用有限元法，用comsol软件对数值模型进行耦合分析,得出相比基于二次电流分布建立的赝电容电容器模型,其能更好的描述固相扩散对超级电容器性能的影响和金属氧化物颗粒尺寸会导致放电容量变化等问题^【10】。

针对超级电容器的设计和仿真，国外学者的研究现状如下：Asim Mohammed 以MnO 2为电极材料，合成了柔性全固态超级电容器。通过水热合成法将MnO 2纳米线状结构接枝到活性炭上。通过扫描电子显微镜，得出电压范围gt; 1.6 V时，合成的MnO 2衍生的活性炭杂化复合材料具有独特的结构，在柔性全固态超级电容器中具有相当大的潜力^【11】。Chenglong Hao建立了不对称超级电容器的数学模型。在COMSOL多物理模型中，采用包括电场和浓度场在内的动力学模型，在超级电容器中发现了一种独特的弛豫效应^【12】。Wang XiaoFeng提出了一种混合超级电容器的建模与仿真方法。设计了一种三维电极结构的MEMS混合超级电容器，对其微电极内的反应机理进行了研究^【13】。Mohamed Ali Ben Fathallah从超级电容器有功率密度高等特性，提出了超级电容器的三支路RC模型，通过对Zubeta的实验研究，验证了该模型的良好性能，并与交流电机中的电池进行了比较^【13】。Sang-Hyun Kim讨论了考虑参数变化和自放电的超级电容器等效电路模型的动态仿真。采用等效阻抗对自放电进行建模，建立了自放电的等效阻抗模型。在仿真中引入了对三个R-C并联电路的等效变换。通过与实验结果的比较，验证了该模型的模拟精度^【15】。

1.3 论文研究的内容和方法

1.3.1 研究内容

此次设计围绕MnO₂超级电容器，根据超级电容器的工作原理和其结构，建立起超级电容器在某城市大型客车上的数学模型，并利用simulink软件进行仿真实验，主要是用超级电容器作为动力系统，在simulink上面进行动力性能的仿真。这次设计仿真在充分假设的基础上对现有复杂现象进行简化，模拟计算出超级电容器的电化学特性以及在客车的动力性。

1.3.2 采用的方法和措施

（1）查阅关于超级电容器的文献资料，在此期间同时学习超级电容器的结构以及其工作原理，了解超级电容器的有关技术以及超级电容器在电动汽车上的应用和发展前景，进一步了超级电容器领域在国内和国外的发展现状，了解国际上关于超级电容器的最新研究进展。

（2）以MnO₂为电极材料，对超级电容器进行组装，完成设计之后对其进行电化学性能的测试。

（3）通过阅读相关书籍和观看视频，认真学习simulink软件，练习相关例子熟习这些软件的操作，通过模拟超级电容器在大型电动客车上的使用，进行动力性仿真实验，由此得到超级电容器的电化学特性的变化曲线和客车的动力性仿真。

第二章 超级电容器的介绍

2.1超级电容器简介

超级电容器是一种电化学电容器，作为一种新型储能装置，同时具有充电时间短，效率高和循环寿命长等特点。将三者的性能进行比较，结果可见表2.1.

表2.1普通电容器、电池以及超级电容器的性能比对表

图2.1为三者的恒定电流特性曲线。由图2.1可知，超级电容器和普通电容器的放电曲线均为直线，电压则随电荷不同呈现线性变化。与这两种电容器不同，电池的放电曲线较为平坦并且电压保持恒定。

图2.1

超级电容器一经问世便迅速占据了市场地位，由于他可以在短时间内大功率放电，得到了广泛的应用，其独特的性能具有不可替代的作用。它的出现填补了传统静电电容器和电池在在储能方面的空白部分。因此，超级电容器的某些优点和是普通电容器和电池无法相提并论的:

1. 超级电容器的充电不同于传统电容器充电，其充电速度非常快的原因在于它是双层充电和放电的物理过程，除此之外，它在电极活性材料的表面上可以快速发生可逆的电化学过程，这样的特点就使得其充电过程大大缩短，最快几十秒，最慢几分钟，带来全新的快速充电感。

（2）超级电容器的能量密度高，完全可以取代普通电容器应用在能量密度需求胶高的技术上面。

（3）超级电容器有一个明显可见的优势在于其低温性能良好，在充放电过程中，大部分的电荷转移进行在电极活性材料的表面，随着温度的变化，衰减的容量很小，对比电池在低温下大容量衰减，超级电容器是它的十分之一左右。

（4）是环保的，特别是以活性炭作为电极材料的电容器，其成本低并且可以是真正的绿色环保的电源。

2.2超级电容器的工作原理和结构

2.2.1 超级电容器的结构

如图2.2所示，超级电容器主要是由电极，电解液、集体流等组成。

图2-2 超级电容器的基本结构

（1.集流体；2.电极；3.电解液；4.隔离膜；5.外壳）

2.2.2 工作原理

对于准电容器，其化学吸附和解吸机理，一般的过程是:电解液中的离子(一般为H30或Na10、K10、Li10等)施加电场。电化学反应从溶液到电极/电解质界面，然后通过界面：

⇌ （2-1）

上述就是准电容器的充放电机理公式。其充放电机理为:超级电容器的活性物质在电极上发生了氧化还原反应。在此过程中，有外加电压时正负电极分别存储正负电荷，在电解液界面上形成相反的电荷，用来平衡电容器内部的电场。当极板间的电势低于电解液电位时，电容器就会开始工作。

法拉第准电容与电双层电容的区别在于，法拉第准电容比双层电容具有更高的比电容和能量密度。因此，这就是法拉第准电容在相同电极面积的情况下比电双层电容高的原因，甚至可以高达10-100倍。

2.3 本章小结

本章主要讲述了超级电容器的结构和工作原理以及他的优点和应用，得出以下结论：

（1）超级电容器主要由电极，电解液，隔膜等组成，其工作原理的利用双垫层，有外加电压时正负电极分别存储正负电荷，在电解液界面上形成相反的电荷，用来平衡电容器内部的电场。当极板间的电势低于电解液电位时，电容器开始工作。

（2）超级电容器有能量密度高，充放电快，环保等优点，因而被学者和设计师们所青睐。

第三章 超级电容器制备和SOC仿真

3.1 基于MnO₂的超级电容器制备

在制备以二氧化锰（另一个活性电极材料为石墨稀）为一个电极的超级电容器时，为了使电极活性材料得到充分的利用，正负电极活性材料的最大承载电量应当均等。烟瘾是因为如果两者的最高电量不均等的话，超级电容器在进行充电时，正负电极中某极的活性材料完全反应后，整个超级电容器久会停止反应，但是此时另外一极仍有部分活性材料未发生反应，这样无异于是浪费材料，而超级电容器的容量与容量最低的电极相关，所以一定有：

(3-1)

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：