2022年, 第46卷, 第3期　
刊出日期：2022-03-20

  

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综述
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  水系锌离子电池无枝晶锌金属负极研究进展

  唐波, 樊贺飞, 刘乾锋, 燕召, 王二东

  电源技术. 2022, 46(3): 221-225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.001

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  水系锌离子电池由于具有较高的能量密度、成本低廉、安全性高和环境友好等优势,因此在智能硬件、小型电动车、大规模储能等领域具有广阔的应用前景。然而,锌金属负极存在的枝晶问题导致电池循环寿命缩短,严重制约了其实际应用。通过分析锌负极的沉积/溶解过程及其可能出现锌枝晶的路径,从人工界面层构筑、基底结构设计及电解液优化三个方面综述了无枝晶锌金属负极的近期研究进展,系统阐述了其主要设计策略及作用机制。最后,对锌金属负极未来发展方向进行了展望。
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  高电压钴酸锂电池的研究进展

  程梅笑, 万广聪, 申海鹏, 郭营军, 李新丽

  电源技术. 2022, 46(3): 226-229. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.002

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  在各种锂离子电池正极材料中,钴酸锂因具有出色的循环性能、高比容量和高工作电压而受到高度关注,并广泛应用到便携式电子产品领域。介绍了高电压钴酸锂材料改性方法(掺杂和包覆)及适配电解质体系(溶剂和添加剂)的研究进展。
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  电力储能用锂离子电池状态评估研究进展

  王德顺, 薛金花, 鲁千姿, 魏海坤

  电源技术. 2022, 46(3): 230-232. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.003

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  锂离子电池的状态评估对其充放电策略、运维管理和安全预警等都至关重要。已有文献研究主要聚焦在单体电池的状态评估,电力储能用大规模锂离子电池的装机规模和传输数据量巨大,目前研究成果相对较少。将锂离子电池的SOC和SOH状态评估方法归纳为数学解析法、电化学模型法、等效电路法和数据驱动法,其中数据驱动法是电池状态评估研究的发展方向;进一步地,从特征选取方法、数据挖掘方法2个角度分析了电力储能用锂离子电池系统的一致性评估,前者主要采用统计学方法、数据变换法和自动提取法,后者主要采用回归方法和聚类方法,从大规模、高维度的海量复杂数据中挖掘有效的特征信息,实现电力储能用锂离子电池的状态评估。
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  锂硫电池的研究现状及进展

  徐雁波, 张强, 张姗姗, 张圣景

  电源技术. 2022, 46(3): 233-236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.004

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  电池作为新能源体系中的重要一员,已成为替代化石燃料等不可再生能源的主力军,越来越多应用在汽车上。锂硫电池因具有高理论比容量、高能量密度、价格低廉等优点受到广泛关注。从锂硫电池目前的研究展开综述,重点综述锂硫电池的工作原理、研究瓶颈、电池正极、负极以及电解质现状,并对锂硫电池未来的研究提出建议和展望。
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  差压式质子交换膜电解制氢技术研究进展

  叶青, 宋洁, 邓占锋, 李宝让

  电源技术. 2022, 46(3): 237-239. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.005

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  差压式质子交换膜(PEM)电解制氢技术是国际上电解制氢的研究热点,是适合可再生能源制氢的先进技术。综述了差压式制氢与常压制氢以及均压式制氢相比所具有的优势。以差压式制氢结合机械压缩的模式对外高压供氢,从综合效率最优角度,综述了差压式制氢最优压力的选择。针对差压式制氢存在氢气渗透影响运行安全与效率的问题,从质子交换膜抑制氢渗透改性、在氧侧增加催化手段两个方面综述了氢气渗透的缓解策略。
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  DC-DC电源模块寿命评估技术综述

  雷鑫, 高成, 李嘉, 黄姣英, 杨达明

  电源技术. 2022, 46(3): 240-246. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.006

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  DC-DC电源模块使用寿命长、应用范围广,其内部结构复杂,器件种类繁多,对其进行寿命评估的方法也十分丰富。目前针对DC-DC电源模块进行寿命评估的方法可以分为两大类：针对薄弱环节的寿命评估方法和其它类型的寿命评估方法。对常见的寿命评估方法进行了简要的总结和概括,梳理了CETRM法、温度循环强化应力法、基于分布间距的PHM寿命评估法、虚拟可靠性评估法和虚拟鉴定法等方法的操作流程,针对各方法需要的时长、成本、数据量进行了分析,总结了各种方法的优缺点供研究人员参考,研究成果可用于现有DC-DC电源模块寿命评估工作之中。
研究与设计：化学电源
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  片状外延结构Co₃O₄刺球的合成及其性能研究

  徐旭升, 史家远, 杨清华, 吴宁宁, 王庆杰

  电源技术. 2022, 46(3): 247-250. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.007

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  通过采用不同钴源制备Co₃O₄材料,对材料进行物相和形貌表征,并了解不同结构Co₃O₄材料在锂硫电池正极材料中的作用。结果表明,具有片状外延结构的Co₃O₄刺球与S/C材料结合以后,能够增强正极材料在电化学反应中对多硫化锂的吸附,提升电池比容量、首次库仑效率及其循环稳定性。将S@C/Co₃O₄复合材料作为锂硫电池正极材料组装的电池在0.05 C下放电比容量达到了1 294.89 mAh/g。通过电化学阻抗谱和循环伏安法测试,对比了两种Co₃O₄对锂硫电池性能的影响,结果表明以硝酸钴为钴源制备的锂硫电池正极材料具有更好的电化学活性。
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  石墨烯基柔性电极材料制备及性能研究

  周雄, 陈安国, 申曼, 班霄汉, 石斌

  电源技术. 2022, 46(3): 251-254. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.008

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  通过电化学沉积法和水热还原法分别将聚苯胺(PANI)和石墨烯(rGO)原位生长在功能化碳纤维(FCC)表面,成功制备出石墨烯包裹的PANI纳米线阵列修饰功能化碳布(FCC-PANI-rGO)复合材料。研究表明,在碳纤维表面形成的PANI阵列呈现有序的纳米结构,可以有效降低复合材料的阻抗,聚苯胺和石墨烯对碳布共同修饰后大大提高了电极材料的循环稳定性,循环8 000次后容量没有明显衰减,1 A/g电流密度下比电容达到了684 F/g。基于FCC-PANI-rGO复合材料组装的柔性固态超级电容器成功点亮LED灯,在柔性储能器件的新领域具有很大的实际应用潜力。
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  PTFE含量及热处理对铝空气电池正极性能的影响

  马齐林, 曾建强

  电源技术. 2022, 46(3): 255-258. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.009

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  研究了铝空气电池空气电极正极中的PTFE含量及煅烧热处理对其使用寿命、放电电压和功率密度的影响。研究表明,PTFE含量过低时电极使用寿命较差,过高时电极放电电压及功率密度较低。催化层中的PTFE含量为25%,防水层中PTFE含量为60%时,空气电极的综合性能最佳。160 mA/cm²电流密度下放电中压达到1.16 V,使用2 500 h后仍能达到0.92 V。240 mA/cm²电流密度下功率密度达到峰值,为227 mW/cm²。催化层与防水层复合后采用340 ℃热处理效果最佳,能显著提升空气电极的使用寿命,同时不会造成放电电压及功率密度下降。
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  添加剂及固化对蓄电池正极性能的影响

  杨广福, 李晨旗, 翁伟, 赵杰, 王丹

  电源技术. 2022, 46(3): 259-261. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.010

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  通过对铅膏中添加4BS“晶种”添加剂和过硼酸钠,分别在55和83 ℃、98% RH、3 h的条件下固化后形成的生极板进行SEM分析、XRD分析、目视板栅腐蚀情况,并对装配样品蓄电池进行性能测试。结果表明：在83 ℃的固化条件利于铅膏中四碱式硫酸铅(4 BS)的形成;正极膏中加入0.25%过硼酸钠和1%的4BS“晶种”添加剂,有利于提升蓄电池容量、低温起动、循环耐久Ⅱ性能。
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  退役三元电池健康状态在线估算方法研究

  耿萌萌, 惠东, 刘汉民, 杨凯, 史学伟

  电源技术. 2022, 46(3): 262-266. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.011

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  为了准确获得退役电池在梯次利用过程中的健康状态,以退役三元锂离子电池单体为研究对象,提出一种无损、快速的动态阻抗测试方法,通过测试电池在充放电过程中的动态阻抗,建立合适的等效电路模型,对动态阻抗谱进行拟合。拟合结果表明,电池的欧姆内阻和电荷转移内阻与健康状态成负相关,弥散系数与健康状态成正相关,感抗与电池健康状态无直接联系;电荷转移内阻与健康状态的多项式曲线拟合结果表明,60%荷电状态下的电荷转移内阻与电池健康状态相关性最强,可用于健康状态预测,预测误差为0.21%。
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  微型管道与相变材料结合的锂离子电池热管理

  尚文斌, 张峻霞, 朱曰莹, 付弘历

  电源技术. 2022, 46(3): 267-270. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.012

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  针对电动车辆锂离子电池在放电过程中温度过高的问题,设计了不同的锂离子电池液冷板,研究微型管道数以及冷却液流量对锂离子电池温度分布的影响。同时采用微型管道和PCM相变材料相结合的方式来控制电池的温差,研究PCM的相变温度以及热导率对锂离子电池温度分布一致性的影响。结果表明：增加微型管道数和冷却液流量可以降低电池表面最高温度,当微型管道数为5、冷却液流量为1.5×10^–3 kg/s时电池表面最高温度为44.3 ℃,温差7.6 ℃;使用PCM可以有效控制电池的温差,PCM的相变温度为308.15 K、热导率为0.6 W/(m·K)时,电池表面最高温度为39.56 ℃,温差2.71 ℃,一致性良好。
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  锂离子电池模组液冷散热设计

  沈华平, 竺玉强, 杨梓堙, 杨桃, 栗欢欢

  电源技术. 2022, 46(3): 271-275. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.013

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  为了提高电池模组的散热效果,建立了电池模组的液冷散热模型,并且在常用的蛇形流道和并行流道的基础上对流道结构进行改进。利用Fluent软件仿真技术分析对比在不同结构下电池模组的散热效果,选定最佳流道结构。研究分析在不同冷却液进出口位置、流量、初始温度以及流道结构参数下模组的散热性能,结果表明：两侧液冷板的冷却液进口位置分别设计在电池上下端时的液冷散热效果相对较好;增大冷却液流速能够显著改善模组的散热效果;冷却液的初始温度降低能使模组的最高温度变小,但模组的温度均匀性会变差;流道结构参数对模组最大温差有一定程度的影响,对模组最高温度影响较小。
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  通信基站智能磷酸铁锂电池应用模式概述

  陈威, 张育红, 陈建, 苑景春, 张巡蒙

  电源技术. 2022, 46(3): 276-279. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.014

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  随着5G时代的到来,通讯基站面临着容量不足、电池池化难等难题,为高效、低成本地解决上述难题,设计了一款智能磷酸铁锂电池,可以有多种工作模式,如自适应电池特性模式、智能磷酸铁锂电池优先放电模式、升压远供模式等。智能磷酸铁锂电池既可以作为普通的后备电源使用,又可与不同放电功率、不同容量、不同新旧程度、不同品牌电池进行混配,亦可升压远供,满足当前5G基站扩建或增容的需求。
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  仿猪笼草结构的质子交换膜燃料电池流道设计

  刘旺玉, 何芋钢, 罗远强, 黄光文

  电源技术. 2022, 46(3): 280-283. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.015

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  模仿猪笼草口缘表面特殊的周期性鸭嘴形微腔结构,设计了一种具有定向液体输运功能的新型质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道。通过数值模拟研究发现,带有新型仿猪笼草结构流道的PEMFC比带有传统光滑流道的PEMFC的性能显著提高。同时还与几种带有类似结构的流道进行了对比,结果表明,带有仿猪笼草结构的新型PEMFC流道除了能增强气体燃料在流道内的传质作用外,还能加快阴极流道内水分的排出,防止发生使PEMFC性能降低的“水淹”现象。
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  微型燃料电池内传输数据模型建立及实验研究

  孙刚, 王晓辉

  电源技术. 2022, 46(3): 284-288. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.016

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  微流体燃料电池其阳极侧燃料传质的控制技术直接决定了电池的整体性能。以强化燃料传质的微射流方法作为研究对象,建立空气自流动微流体燃料电池的三维数学模型,对微射流的物理形状与燃料传输和微电池性能的关系进行分析。结果表明,将射流孔设计在中下部位能够强化燃料传输效果;增加射流孔数量能扩大微射流的作用区域,但会降低射流速度,此时燃料传输与电池性能呈现先提高后降低的趋势;扩大射流孔面积会降低射流速度,在一定程度上降低微电池性能。
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  18650NCA型单体电池电热特性的实验与仿真研究

  张宇, 杨文, 陈星, 李康群, 周飞

  电源技术. 2022, 46(3): 289-293. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.017

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  针对18650NCA型(正极材料为LiNi_0.8Co_0.1Al_0.1O₂)锂离子电池的性能进行了系统性研究,通过实验测得在不同温度、不同倍率下电池的温升。使用以上实验数据在COMSOL软件中建立锂离子单体电池模型。最后进行不同工况(ECE、NEDC)和不同环境温度下的充放电实验,记录电池表面温度,再使用搭建的模型在不同动态工况下和不同放电倍率下仿真,将仿真数据与实验数据对比。研究结果表明：在15、25和35 ℃三种环境温度下,三种恒流工况和两种动态工况下的误差均低于2 ℃,在恒流工况下误差占温升的占比小于5%,在动态工况下小于10%,可以满足预测精度要求。
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  运行参数对全钒液流电池离子跨膜迁移的影响

  李明华, 王保国, 范永生

  电源技术. 2022, 46(3): 294-298. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.018

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  全钒液流电池(all-vanadium redox flow battery,VRFB)是特别适用于大规模储能的二次电池,但在实际应用过程中存在着正负极间不同价态的钒离子、硫酸根离子、氢离子和水的迁移现象。这会引起电解液中各种离子摩尔数的变化、电池容量的衰减和正负极间电解液体积差值的变化。因此,运行一段时间就要打开正负极间设置的联通管阀门混合电解液。针对正负极间电解液中各种离子的摩尔数变化情况建立VRFB的动态模型,分析流量、电流和充电状态(state of charge,SOC)范围等运行参数对正极或负极钒离子总摩尔数、硫酸根离子和氢离子总摩尔数变化的影响。如果SOC的运行范围合适,正负极间钒离子总摩尔数差值就会较小。所建模型与仿真结果将为运行过程中VRFB电解液组分的预测和调节提供有效的依据。
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  基于大数据驱动的集成模型车辆热失控预测

  刘伟霞, 程淑隽, 肖家勇, 常伟, 李源

  电源技术. 2022, 46(3): 299-302. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.019

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  电池故障是新能源汽车热失控的主要威胁之一,开发一种算法预测汽车电池是否以及何时发生热失控,以便及时发送高温预警信息成为迫切需要。热失控的原因复杂而又多面,热失控或触发于动力电池内部,也可由外力触发,通过单纯的物理模型做出精确的预测较为困难。因此,构建了一种集成的机器学习算法,通过分别考虑电压和温度、异常电流、单电池一致性和过充电风险因素,构建集成模型。该集成模型由五个子模型组成,这些子模型与通过网格搜索选择的超参数相关联。为实现更加准确的预测,该方法基于实测大数据进行训练,算法实用且灵活,可预测现实场景中锂电池热失控的可能性。实验结果表明：综合误报率为0.165 6,验证了该方法的可行性。
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  耐压锌银蓄电池隔板结构优化设计与应用研究

  田伟龙, 郭荣荣, 宋海峰, 宋二虎, 蒋彦璞

  电源技术. 2022, 46(3): 303-306. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.020

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  耐压蓄电池在海面工作时摇摆±60°、在深海工作时倾斜±30°,均要满足潜水器的放电需求。而在此摇摆倾斜过程中,电池内部油液分界面会相应发生倾斜,并会造成绝缘油污染极板组或者电解液流出电池,因此结构上需采用隔板来限制油液分界面的倾斜边界。经计算分析可得：在条件允许的情况下尽量增大最上层与最下层隔板的间距;最上层与最下层隔板间距不变的情况下,三层隔板结构比二层隔板更为有效;根据海面与深海下不同的压力情况,相邻隔板的间距范围在20~30 mm之间较合适。并经过验证,蓄电池隔板优化设计合理,满足11 000米潜水器使用要求。
研究与设计：物理电源
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  四结太阳电池I-V测试用滤光片设计

  薛超, 孙强, 张启明, 郭宏亮

  电源技术. 2022, 46(3): 307-310. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.021

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  四结砷化镓太阳电池是未来空间太阳电池发展方向之一。为了满足四结砷化镓太阳电池I-V测试的需求,基于光学滤波片滤波原理,针对四个子电池的光谱响应波段,分别设计了带通和带阻滤光片,并从制备工艺的角度对滤光片的设计进行了讨论。
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  LEO卫星太阳电池阵温度和功率的建模仿真

  闫新庆, 宋梦雪, 尚梦琦, 皇甫中民

  电源技术. 2022, 46(3): 311-314. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.022

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  太阳电池阵列是LEO(近地轨道)卫星最主要的电力来源,但其光电转化效率受温度的影响。通过分析太阳辐射、地球辐射和地球反射等外热流对太阳电池阵阳极表面(与太阳电池相连的表面)和阴极表面(阳极表面的背面)的影响,并考虑到阳极表面和阴极表面的热传导,建立了太阳电池阵阳极表面和阴极表面的温度模型。进而建立太阳电池的电流模型和电压模型,考虑太阳电池阵的串并联情况建立了发电功率模型,并进行了仿真计算,可以为LEO卫星的供配电系统设计提供参考。
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  基于特征迁移的光伏功率短期预测

  杜仲耀, 陈晓英, 邓宇, 孙丽颖

  电源技术. 2022, 46(3): 315-319. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.023

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  随着国家对可再生能源占比要求的不断提高,新光伏电站的建设需求随之增加。为解决新建光伏电站历史数据不足问题,建立基于特征迁移学习的光伏功率短期预测模型。模型采用日辐照度特征、光伏电池温度和t-SNE算法对气象数据进行特征提取,构建具有泛化能力的高识别度预测模型特征。根据迁移学习理论,将长期运行的光伏电站历史数据用于GRU神经网络预训练,少量本地运行数据对预测模型输出权重进行微调,提升预测精度实现预测模型本地化。
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  基于模糊和声搜索算法的光伏MPPT控制研究

  梁智超, 李梦达, 郑旭彬, 姚林萍

  电源技术. 2022, 46(3): 320-323. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.024

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  针对光伏MPPT算法在对多峰值P-V曲线搜索中的跟踪精度和速度不能兼顾、存在搜索震荡、容易陷入局部极值功率点的问题,提出了一种基于模糊和声搜索(fuzzy harmony search,FHS)算法的光伏MPPT算法,同时引入模糊自适应因子k对音调调节步长BW进行自适应调整,实现高精度跟踪、迅速收敛和高稳定性。通过在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,证明了该算法能在多峰值寻优中快速脱离局部最优,收敛速度和跟踪精度都得到了兼顾,收敛用时短,跟踪精度高,稳定性强。
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  基于蝙蝠与粒子群混合优化算法的光伏MPPT研究

  黄荣赓, 陈路遥

  电源技术. 2022, 46(3): 324-328. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.025

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  在局部遮荫条件下,传统最大功率点追踪(MPPT)算法容易失效,群智能优化算法追踪时间较长。为此,提出了一种基于蝙蝠与粒子群混合优化(BPSHO)的MPPT算法。在算法的前期,采用蝙蝠算法;在算法中后期,采用粒子群优化算法。按照指数规律调节算法的参数,并在算法的中期加入局部搜索机制。仿真与实验结果表明：BPSHO算法能够准确地跟踪到最大功率点,跟踪时间只有粒子群优化算法的一半左右。
研究与设计：系统技术
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  动力电池管理系统设计及SOC实时在线估计方法

  刘耿峰, 张向文

  电源技术. 2022, 46(3): 329-334. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.026

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  针对电动汽车动力电池组的管理需求,设计了一款基于MC9S12XEP100和LTC6804的锂电池管理系统,实现对单体电池电压、电流和温度实时监控、电压均衡管理、热管理、充放电管理、数据存储和上位机显示功能。针对电池荷电状态(state of charge, SOC)估算精度和实时性方面的问题,提出了一种新颖的开路电压和安时积分融合型SOC估算方法,有效减小了开路电压处于平台期造成的误差影响。采用Arbin电池测试设备对上述功能和SOC估计方法进行了测试验证。结果显示,电池电压误差小于0.07 V,温度误差小于1 ℃,SOC估算误差小于1.2%,因此,设计系统可用于实际电动汽车动力电池组管理,实现电池SOC实时在线准确估计。
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  双轴高精度太阳能自适应跟踪系统研究与设计

  吴硕, 赵继忠

  电源技术. 2022, 46(3): 335-339. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.03.027

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  为对太阳能进行精确跟踪采集与开发利用,对太阳能自动跟踪采集技术和太阳能跟踪设备的结构设计和运行机理进行了研究,设计了一种基于PLC视日跟踪和DSP图像采集跟踪之间自动切换的跟踪方法。首先对PLC太阳位置单独控制跟踪方式进行阐述,然后利用图像处理器采集太阳光斑信息,最后通过DSP图像处理算法转换成太阳质心的偏转角度,反馈PLC实施精确跟踪。实验研究表明：该跟踪系统可以在视日跟踪和图像跟踪的开环和闭环之间自动切换,跟踪系统软硬件系统协调配合,技术人员能够随时查阅跟踪系统实时监控数据,跟踪系统精度可达±0.03°,同时为下一步极端天气状况下,设备升级改造奠定良好的基础。