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2022年, 第46卷, 第1期 
刊出日期:2022-01-20
  

  • 全选
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  • 电源技术. 2022, 46(1): 1-1.
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  • 综述
  • 张洒洒, 周旭峰, 刘兆平, 刘引烽
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    锂金属负极具有较高的理论比容量(3 860 mAh/g)和较低的还原电势(-3.04 V vs. 标准氢电势),被誉为最具发展潜力的负极材料,但是锂金属负极中的枝晶、死锂等问题阻碍了锂金属电池的商业化发展。针对锂金属负极中出现的问题,研究人员提出了大量的解决方案,其中,三维集流体不仅可以降低电流密度,缓解枝晶生长,还可以容纳锂沉积/溶解过程中发生的体积变化。而碳基三维集流体更是因其稳定的化学性质和较小的密度受到了极大的关注。从碳基三维集流体的制备、改性以及对锂沉积/溶解的影响进行介绍,并对其发展进行了展望。
  • 研究与设计:化学电源
  • 方苏捷, 陈安勇, 高洪涛, 金永成
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    高镍正极材料形貌受合成体系中Mn和Al的影响比较大。采用简单的共沉淀方法合成出正极材料前驱体[Ni0.8Co0.15](OH)1.9,在烧结过程中同时引入不同比例的Al、Mn离子,以其协同作用共同实现材料的稳定层状结构,提高材料循环稳定性,从而改善材料的电化学性能。结果显示:在800 °C烧结条件下,当Mn和Al的掺杂量同为0.025时,制备出的锂离子电池正极材料Li(Ni0.8Co0.15Mn0.025Al0.025)O2电化学性能最佳。具体体现为:在0.1 C放电比容量达到190.3 mAh/g,在20 C放电比容量达到100.2 mAh /g。
  • 刘向悦, 吴景林, 孙超
    电源技术. 2022, 46(1): 10-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.003
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    提出了一种采用HCl-H2SO4-(NH4)2SO4体系的溶解样品,利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)同时测量锂离子电池三元正极材料中锆、锶、钇、钛、镁等元素含量的方法,在研究样品的溶解方法、称样量、测定介质浓度、仪器参数的基础上,实现同时准确测定这几种元素。该方法操作简单、化学干扰小、结果重现性好,样品分析结果测量精度(RSD)小于2.0%,对于锂离子电池三元正极材料中添加剂元素的测量研究具有指导意义。
  • 邱诗铭, 蔡敏, 王胜杰, 黄莹莹, 谭义秋
    电源技术. 2022, 46(1): 13-16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.004
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    采用固相法,将不同配比的Nb2O5、二氧化锰及碳酸锂混合后,经高温烧结制备锰酸锂正极材料。Nb2O5分别以0‰、2‰、5‰、7‰、9‰的量(Nb2O5与二氧化锰的质量比)进行掺杂。结果表明:Nb2O5掺杂后,提高了锰酸锂的容量、压实密度和锰酸锂电池的电化学性能;当烧结温度为780 ℃、烧结时间为20 h、Nb2O5掺入的质量分数为5‰时,合成锰酸锂电池的综合性能较好,此时锰酸锂材料的振实密度为2.18 g/cm3,压实密度为3.07 g/cm3,粒度为14.37 μm,比容量为115.69 mAh/g,50次循环容量保持率为96.15%,达到最佳Nb2O5掺杂效果。该研究结果对于锰酸锂正极材料的生产具有一定的参考意义。
  • 于宝军, 周江, 李慧芳, 郭瑞松
    电源技术. 2022, 46(1): 17-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.005
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    相比人造石墨,软碳具有更大的层间距和各向同性的结构特点,有利于电芯倍率放电性能的发挥。在三元/人造石墨-软碳体系中,考察软碳与人造石墨复合负极的倍率放电性能表现。结果显示:与人造石墨(77.89%)相比,软碳与人造石墨(质量比3∶7)复合后,40 C放电能量(40 C/1 C)可提高至82.24%。通过倍率放电曲线分析,软碳与人造石墨复合电芯放电过程中,软碳既在电芯高电压区间支持人造石墨的容量发挥,又在低电压区间主导高倍率放电的可持续性。
  • 王毅杰, 谢平波, 胡鑫
    电源技术. 2022, 46(1): 21-24. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.006
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    硅负极由于其高比容量(4 200 mAh/g)成为新型负极材料的主要选择。为获得电化学性能良好的纳米硅负极材料,以金属硅粉为原料,乙炔黑作为包裹材料,与人造石墨通过机械研磨工艺和原位包覆工艺合成了硅碳复合材料,组装成电池并测试材料的电化学性能。使用XRD、SEM、EDS、XPS分析表征了复合材料的结构和组成,使用激光粒度分析对制备的纳米硅颗粒的粒径进行表征,并用红外光谱分析分散剂在颗粒表面的原位包覆效果。将复合材料制备成纽扣电池进行测试,在1 C(900 mA/g)的充放电倍率下经过100个循环,仍然具有590.8和649.1 mAh/g的放电比容量。
  • 臧玉莉, 石琨, 邹雷, 金鑫, 张卫新
    电源技术. 2022, 46(1): 25-28. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.007
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    通过对类聚环氧乙烷(PEO)交联聚合物进行纳米复合改性,制备了3D交联复合结构凝胶聚合物电解质(C-GCPE)。详细表征了该电解质膜的微观形貌、物相组成和分子结构等性质,同时深入考察了其离子电导率、锂离子迁移数等基础电化学性能,并完成磷酸亚铁锂准固态锂离子电池组装测试。结果表明,C-GCPE电解质膜具有显著提高的吸液率、离子电导率以及锂离子迁移数。所组装的准固态锂离子电池在2 C电流密度下最高放电比容量达到132.5 mAh/g,且容量保持率高达97.2%(循环700圈)。
  • 孙子元, 邹晗, 赵建永, 王军, 王法泽
    电源技术. 2022, 46(1): 29-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.008
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    低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFC)极具商业化应用前景,而低温工作状态下高性能电解质材料仍是巨大的挑战。基于n型氧化锌和p型氧化镍构建PN半导体异质结材料体系,并将其作为固态电解质应用于LT-SOFC,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对材料进行了实验表征。实验研究了不同质量比例ZnO-NiO电池的性能,其中最佳组分7ZnO-3NiO在550 ℃开路电压为0.964 V,瞬时最大功率密度为644 mW/cm2。结合半导体异质结和能带理论从机理上解释了该电池的性能表现,半导体异质结的应用和能带设计对未来低温燃料电池的研究应用具有重要的价值。
  • 朱明, 胡冉, 王超, 王士瑞, 越云博
    电源技术. 2022, 46(1): 33-35. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.009
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    面向新一代小型化轻量化武器装备对热电池电源的实际需求,通过流延涂布工艺制备了正极-电解质一体化复合薄膜极片。所制备的一体化薄膜具有良好的机械强度,极片厚度仅为180 mm,远小于传统粉末压片工艺制得极片的厚度。将一体化薄膜极片与锂硼负极组装成单体电池进行放电,放电结果表明,在100 mA/cm2的电流密度下,450 ℃时单体电池的峰值电压为2.01 V,截止电压1.0 V时,放电时间达到125 s,对应比容量可达1 806 A·s/g;同时,单体电池内阻也相对较低,仅为40 mΩ。
  • 马骏, 苏冬云, 褚岩, 孟祥康
    电源技术. 2022, 46(1): 36-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.010
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    采用循环伏安法电化学沉积聚苯胺和电化学还原氧化石墨烯,得到层层自组装石墨烯/聚苯胺复合材料。通过扫描电子显微镜、透射电镜对物相结构进行了表征,通过测试不同组装层数下石墨烯/聚苯胺纳米复合电极材料的比电容优化制备工艺,并利用电化学工作站测试其电化学性能。结果表明:制备的聚苯胺/石墨烯复合材料具有优异的赝电容性能,当电流密度为2 mA/cm2时,比电容达到4.78 F/cm2,具有优异的倍率性能(电流密度20 mA/cm2对应的比电容为4.12 F/cm2),且具有优异的循环性能(2 mA/cm2电流密度下循环5 000次的比电容保持率为97.6%)。
  • 郭勇明, 黄淳
    电源技术. 2022, 46(1): 39-42. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.011
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    电池在快速充电下仍可以保持足够的容量,对目前的应用领域如可再生能源的电力储存和传输是具有高度吸引力的。设计一种能够方便地传输锂离子和电子的电极结构,是提高电池在快速充放电速率下容量保持率的有效途径。报道了一种应用内部开发的新型冷冻涂敷(FTC)技术得到的定向孔状阴极结构。探究了电极在不同固含量下的微观结构和电化学性能,并得到了最优化的定向电极结构。该电极在0.1 C和15 C下实现了有竞争力的放电比容量,分别为123.5和41.3 mAh/g,15 C代表~4 min完成充放电。对比之下,弯曲孔状结构的传统涂敷电极容量在15 C的快速充放电倍率下已经下降到几乎可以忽略的地步。
  • 白云飞, 谢凡, 许乐
    电源技术. 2022, 46(1): 43-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.012
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    介绍了极片涂布闭环控制中需要微小区域测量的实际需求,阐述了微斑X射线面密度测量仪的测量原理、微射线束的实现方法,以及在微斑条件下提高测量系统性能的技术手段。在闭环控制系统中通过加装湿膜测量仪,测量仪与闭环器反馈联动等措施,极片的纵向面密度极差降低至2 mg,横向10 mm区域面密度极差降低至2.5 mg,涂布质量的一致性显著提高。应用表明,微斑面密度测量具有较好的使用效果和重要的应用意义。
  • 李妙妙, 丁世云, 周旭峰, 刘兆平
    电源技术. 2022, 46(1): 46-49. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.013
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    将石蜡与膨胀石墨、高导热石墨膜进行复合制成片材封装在铝塑袋中,制备出不易泄露、使用安全的相变复合材料。根据软包电池模组的结构,采用铝加热板模拟电池发热,建立软包电池模组模拟系统。将2 mm厚的相变材料应用于模拟系统中,研究相变材料对加热板温升速率、不同加热板之间的温差以及同一加热板不同点温差的影响,结果表明:当加热功率≤322.5 W时,相变材料可以降低加热板表面温升速率,尤其当加热功率≤143.5 W时,相变材料还可降低各加热板之间的温差,但加热功率高于575.0 W时,相变材料反而起到保温作用。
  • 蔡蓓茹, 杜晓钟
    电源技术. 2022, 46(1): 50-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.014
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    研究电池组的温度场对于电池系统设计和热管理设计具有十分重要的意义。实验研究了18650磷酸铁锂电池单体的基本性能,测量了不同温度和放电倍率下电池表面温升情况。根据实验结果及已有的生热模型和传热模型,利用Fluent仿真软件研究电池单体在不同温度和放电倍率下的温度场。构建了电池组热分析模型,模拟分析了电池组存在单体差异(内阻差异)时串联或并联情况下的温度场变化,结果表明:内阻不一致会使电池组温度升高,不利于电池组的安全、性能及寿命。
  • 吴逸飞, 专祥涛, 黄柯
    电源技术. 2022, 46(1): 54-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.015
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    针对锂离子电池提出了一种自适应充电策略,该策略可以减少锂离子电池充电过程中的能量损耗,并且能够应用于各个充电区间。对锂离子电池的充电过程和能量损耗进行了建模。构建以最小充电损耗为目标的优化问题,利用拉格朗日乘数法将其转化为无约束优化问题求解。根据得到的最优充电电流曲线和电池内阻的关系,提出一种基于电池内阻的自适应充电策略。通过仿真实验验证,该方法可以应用于各个充电区间,与传统恒流充电方法相比,能够有效降低电池的充电损耗。
  • 乔海英, 杨贺菊
    电源技术. 2022, 46(1): 59-62. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.016
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    对微流燃料电池阴极内相关物质的传输性能进行研究,通过对阴极扩散层进行模型重构,得到其扩散系数及渗透率。通过建立电池阴极边界处的二维模型,得到了孔隙率大小、过电位高低对组分的浓度分布和反应速度的影响。研究表明,利用Buggeman公式计算得到的氧气扩散系数偏高,电池阴极物质的传输快慢受扩散层孔隙的影响较大,当孔隙率降低时会增大传输阻力,使得氧气的浓度和反应速度同时下降,也使水蒸气的浓度上升。
  • 杨睿, 张向文
    电源技术. 2022, 46(1): 63-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.017
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    为提高等效电路模型准确性,考虑等效电容分数阶本质和锂电池充放电不同阶段的不同变化特性,采用分数阶微积分理论建立了基于二阶RC模型的电池分段分数阶等效电路模型。用粒子群算法分段辨识分数阶阶数,通过混合脉冲功率特性(HPPC)实验辨识模型参数,使模型更符合电池实际工作状态。实验结果显示,新模型能够更准确地模拟电池充放电特性变化。构造分数阶卡尔曼滤波算法(FOKF)来估计电池荷电状态(SOC),分别与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法、实验参考值进行比较。结果显示,所提算法的估计精度更高,均方根误差为0.95%,比EKF算法减少了45.4%。
  • 汪光, 赵理, 李昆, 客汉宸, 李俊丽
    电源技术. 2022, 46(1): 68-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.018
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    以端电压或荷电状态(SOC)为均衡标准的主动均衡算法,在均衡过程中由于难以准确反映单体之间绝对电量的差异,容易导致能量反复流动、降低均衡效率。针对该问题,提出了一种以单体切换电量作为均衡标准的主动均衡控制算法,该算法以单开关电容为核心构造主动均衡算法的硬件拓扑,利用流挖掘技术获取单体间切换电量的概要信息,通过均衡算法智能控制单体间均衡的顺序,进行不同脉冲信号周期、占空比、电容容量、均衡策略的仿真对比实验。结果表明,所提出的均衡算法能准确定位均衡单体、避免能量反复流动,有效地提高了主动均衡算法的运行效率。
  • 何浩然, 丁稳房, 吴铁洲, 王航
    电源技术. 2022, 46(1): 73-77. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.019
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    针对锂离子电池健康状态(SOH)估算精度低、传统遗传算法(GA)易陷入局部最优、收敛速度慢的问题,为提高锂电池健康状态的估算精度,提出了交叉概率和变异概率自适应的调整策略对传统GA进行改进,在改进遗传算法(IGA)的作用下,使优良个体仍保持较好的进化能力,算法初期搜索范围、后期局部搜索能力以及收敛速度也得到加强。提取间接健康因子,再用改进的遗传算法对BP神经网络的初始参数寻优得到IGA-BP神经网络模型,基于NASA锂电池数据集分别用GA-BP与IGA-BP神经网络算法对SOH进行估算。结果表明:IGA-BP神经网络算法估算精度更高,且具备快速收敛的优势,平均绝对百分比误差和均方根误差分别下降了0.422%和0.412,拟合程度提高了8.1%。
  • 上官玉金, 谢长君, 刘芙蓉, 李浩, 李维波
    电源技术. 2022, 46(1): 78-81. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.020
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    以锂离子电池为储能核心的新能源汽车在行驶过程中,会频繁面临大功率负载的冲击,导致锂离子电池容量衰减加快。提出了超级电容结合锂离子电池构建混合储能系统,通过研究混合储能系统的拓扑结构,优化得到一种计及成本及效率兼优的半主动式拓扑构型。建立锂离子电池和超级电容混合储能系统实验台架,对优化前后的拓扑结构进行实验测试。结果表明,超级电容满足瞬时动态负载需求,锂离子电池的充放电电流限制在标准充放电电流0.3 CA(即30 A)以内,能耗和锂电池损耗成本分别下降0.63%和6.09%。
  • 韩冬林, 闫婧, 冯红岩, 翟晓晗
    电源技术. 2022, 46(1): 82-84. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.021
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    采用LM5170-Q1多相双向电流控制器芯片,在燃料电池-锂离子电池构成的混合动力汽车电控系统中,完成了基于超级电容与燃料电池的双向DC-DC变换器电源的软硬件设计,根据燃料电池和电机驱动单元的实时工况,利用超级电容快速充放电特性,实现了超级电容与燃料电池之间能量优化分配的控制功能。
  • 李伟, 吴靖, 郑伟彦, 陈佩军, 高峰
    电源技术. 2022, 46(1): 85-88. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.022
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    针对锂离子电池长期串联使用出现的不一致问题,提出了一种基于双向反激变换器的新型低成本均衡电路。均衡电路以荷电状态为均衡判据,包含采样判定电路、电池选通电路、双向反激变换器三部分。介绍了电路的工作原理和低成本实现方式,针对含有6节单体电池的串联电池组制作了均衡电路样机,实验结果表明,该均衡电路可以有效均衡串联锂离子电池组,并在装置成本方面具有明显优势。
  • 研究与设计:物理电源
  • 杨勇洲, 姚方刚, 王晓鸥, 张月
    电源技术. 2022, 46(1): 89-92. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.023
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    氟塑料薄膜由于其优异的耐紫外老化、耐化学腐蚀等特性,已广泛应用于光伏组件背板的耐候层,是光伏发电实现平价上网的关键基础材料。普通的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜具有横向断裂伸长率低的缺陷,尤其是在老化测试后,其横向断裂伸长率仅为10%左右;随着光伏技术的不断发展,国内PVDF薄膜生产企业通过化学改性、物理改性等方法,改进了薄膜耐老化性能。为了掌握国产氟塑料薄膜最新质量状况,选取国内某公司三代耐低温氟膜,同国产普通PVDF薄膜、进口PVDF薄膜以及PVF薄膜进行耐老化性能比对研究,结果表明改进后的国产薄膜整体耐老化性能表现良好。
  • 龚瑞昆, 刘昊晟, 张堪傲, 邓朋浩
    电源技术. 2022, 46(1): 93-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.024
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    针对WSN节点的光伏电池能量转换效率低,分析局部阴影对光伏电池输出功率产生多峰的影响,以及热斑效应造成功率损失的情况,提出了一种基于PSO-BFO混合算法的最大功率点跟踪(MPPT)优化方法。PSO算法简单、具有记忆能力,利用PSO算法中的粒子群VidXid来替代BFO算法中细菌的C(i)和θi(j, k, l),实现算法结合,在BFO算法复制过程中加速找到最优解,增加细菌驱散过程的全局搜索能力。通过Matlab进行实验仿真,并与BFO算法单独使用做对比,结果表明:混合算法能更加准确地搜索到最大输出功率,减小搜索振荡,收敛速度更快,寻优性能更佳。
  • 研究与设计:系统技术
  • 姜东升, 雷英俊, 张晓峰, 张博温, 何德华
    电源技术. 2022, 46(1): 97-99. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.025
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    针对使用SAR载荷的300 kg量级小卫星公用平台任务特点,提出一种基于最大功率点追踪(MPPT)技术的多母线电源系统供电方案。该方案通过为SAR载荷提供一条不调节母线,为卫星平台设备提供5、±12、30.5 V多条不同电压全调节母线,确保电源系统设计的比功率最优,并保证为整星可靠供电。将其推广应用到大功率脉冲载荷小卫星中,可以降低电源系统的质量,提高电源系统的比功率和比能量,提高卫星平台的承载能力。
  • 郑犁, 李康, 章玄, 姜垚先, 李键
    电源技术. 2022, 46(1): 100-103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.026
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    针对空间能源系统在卫星寿命末期的钝化需求,分析了不同轨道卫星锂电池的温度条件,同时分析了锂电池位置、卫星姿态对其温度的影响。基于上述分析的温度范围,研究了锂电池在钝化后发生热失控的可能性和影响因素,分析得到基于锂电池的空间电源系统钝化需求。在此基础上,提出了4种可行的钝化解决方案,并从受空间环境影响程度、额外增加元器件的情况以及钝化后电路受电流应力情况等方面进行对比,分析结果表明,旁路钝化方案是基于锂离子电池的电源系统钝化的首选方案。
  • 张文爽, 李键, 余文涛, 王利然
    电源技术. 2022, 46(1): 104-107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.01.027
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    卫星电源系统已广泛采用锂离子蓄电池组作为在轨储能装置。介绍了基于新一代电源控制器的锂离子蓄电池组在轨管理策略,重点阐述了新一代电源控制器充电控制方式和新一代能源管理软件的应用。实际获取的卫星在轨数据表明,提出的管理策略,既能对锂离子蓄电池组进行恒流恒压充电,又能满足锂离子蓄电池组在轨控温及均衡需求,有助于延长电池使用寿命。该策略搭配新一代电源控制器比现行的管理策略更适合GEO卫星锂离子蓄电池组的在轨管理。