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,由此可见温度是影响超级电容输出性能的重要参数,一个合理的热管理系统可以保证超级电容在有轨电车稳态运行和动态牵引制动下的热稳定性,提升超级电容的电气性能,延长使用寿命。因此,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。为了保证超级电容工作在适宜的温度和较小的温差范围内,通过分析超级电容的结构与工作原理,建立了超级电容电化学-热耦合模型,对其电化学性能和热特性进行仿真分析,针对其热行为设计了风冷热管理系统和耦合热管理系统,并利用COMSOL与MATLAB联合对影响散热效果的参数进行了优化,提高了热管理系统的控温和均温性能,对提高超级电容的电气性能和使用寿命具有重要的现实意义。本文依托国家重点研发计划任务(NO.2017YFB1201004-12),以Maxwell48V模块为研究对象,采用理论研究、仿真分析与实验相结合的方法对有轨电车用超级电容热管理系统展开研究,论文的主要研究内容和创新点如下:(1)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。相同条件下,简化模型可以将电-热多物理场导热问题简化为单物理场问题求解,计算结果误差不超过0.65%且求解速度得到了有效提升,为接下来热管理系统的优化奠定了基础。(2)搭建实验平台,通过实验验证了模型的准确性,在此基础上分析了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,研究了热对流系数和环境温度对超级电容最高温度的影响,仿真计算了不同空间结构下超级电容的温度场分布,结果表明,考虑冷却效率和均温性能时,立方结构最好;考虑空间利用率和冷却效率时,六边形结构更好。(3)制定热管理最优与最劣目标,对风冷热管理系统与耦合热管理系统的结构进行设计与建模,仿真分析了两种热管理系统的控温和均温性能,风冷热管理系统进行散热后的超级电容模块最高温度为41.9℃,最大温差为14℃,相比自然对流下的超级电容模块稳态温度降低了33.5℃,采用热管-相变材料散热的超级电容模块最高温度为28℃,最大温差为3℃。结果表明,风冷热管理系统的控温性能达到了最劣目标,而均温性能较差,耦合热管理系统的控温和均温性能都较好,但是相比最优目标而言仍需进行优化。(4)对影响热管理系统散热效果的参数灵敏度进行分析,并联合COMSOL与MATLAB对热管理系统参数进行优化,得到Pareto非劣解集,运用理想点法TOPSIS对非劣解进行排序,从而得到最优解。超级电容采用风冷散热,优化后最高温度和最大温差相比未优化前分别减降低了39.5%和86.1%;采用耦合散热,优化后的最高温度和最大温差相比分别减降低了11.4%和20%,优化结果证明了联合优化方法的有效性。