2022年, 第46卷, 第5期　
刊出日期：2022-05-20

  

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编辑部资讯
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  《电源技术》2021年度优秀审稿人

  电源技术. 2022, 46(5): 465-465.

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  《电源技术》2021年度优秀论文

  电源技术. 2022, 46(5): 466-466.

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综述
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  锂离子电池胀气行为及改性策略的研究进展

  石玥, 傅儒生, 刘兆平, 邵光杰

  电源技术. 2022, 46(5): 467-470. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.001

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  电池胀气是电池系统中的一种常见现象。电池胀气是影响锂离子电池性能恶化的重要原因之一,它造成了电池容量的不可逆损失。详细总结了锂离子电池胀气产生的几大主要因素：电解质分解、水含量超标和高温等物理因素;归纳了产气对电池性能的影响,并提出了最新的材料改性、电解液优化和工艺控制等缓解或抑制电池胀气的方法。
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  质子交换膜燃料电池低温启动策略研究进展

  杨小康, 孟海军, 俞红梅, 孙树成, 邵志刚

  电源技术. 2022, 46(5): 471-475. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.0002

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  质子交换膜燃料电池低温快速启动技术是燃料电池汽车商业化应用必须解决的难题。对低温启动策略方面的研究进展进行了总结,按照启动过程中热量的来源将低温启动策略分为两大类,即低温自启动和辅助低温启动。分别从原理、优缺点及实用性角度对各种启动方法进行了较为全面的分析。在此基础上,指出自启动和辅助启动相结合的方法是最具实用前景的低温启动策略。
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  PEO基聚合物-陶瓷复合固体电解质研究进展

  李承斌, 倪艳荣, 杨书廷, 郑先锋, 冀盛亚

  电源技术. 2022, 46(5): 476-479. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.003

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  全固态电池(ASSB)由于能量密度高、热稳定性好、安全可靠而受到广泛关注。固体电解质是其关键部件。聚环氧乙烷(PEO)基聚合物-陶瓷复合固体电解质(CSE)体系具有物美价廉、安全可靠的特点,研究颇为广泛,适用于高性能ASSB。总结了PEO基聚合物-陶瓷CSE的最新进展。从组分、电化学性能、无机陶瓷颗粒结构和离子导电机理进行了分析总结,介绍了PEO基聚合物-无机陶瓷CSE的设计方向、主要挑战和应用前景。
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  合金电极液态金属电池研究进展

  孟潇, 张伟

  电源技术. 2022, 46(5): 480-483. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.004

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  可再生能源快速发展的今天,液态金属电池凭借其长寿命、低成本以及高倍率性能,被认为是潜能巨大的储能体系。不同体系的液态金属电池都得到了大量的研究,其中电极的合金化被证明是能解决单金属电极成本高、利用率低等缺点的方法。重点介绍了各种合金化体系液态金属电池研究成果,总结了合金化电极降低液态金属电池工作温度、增强电极的润湿性、降低活性成分在熔盐中的溶解度等作用。介绍了液态金属电池中存在的腐蚀行为,探索并展望了液态金属电池的未来发展趋势。
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  碳基柔性电极材料及其柔性储能电源

  刘莹, 任晓辰

  电源技术. 2022, 46(5): 484-487. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.005

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  柔性电极是柔性电池的重要组成部分。从碳基材料角度分析介绍了柔性电极研究进展,包括碳纳米管、石墨烯、碳纸/碳纤维布等碳基电极材料。由碳基柔性电极材料制备的柔性储能电源具有高机械稳定性、优异的电学稳定性和生物兼容性好等优点,可广泛应用于生命医学、智能科学等诸多领域。可以预见,多学科交叉是未来柔性储能器件的发展方向。如何制备出综合性能优良的材料并最终实现产品化、产业化是今后需要持续攻克的问题。
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  单兵班组供电保障装备建设发展研究

  于广洲, 单文龙, 鲁文涛, 贾晓磊, 潘云剑

  电源技术. 2022, 46(5): 488-491. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.006

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  单兵班组供电保障装备主要采用小型高效发电、储能和配电管理技术,涉及到化学电池、燃料电池、太阳电池、动能发电、配电及电源管理等诸多技术体制。面向当前及未来一段时间的单兵班组,论证其供电保障装备军事需求,构建了单兵班组供电保障装备技术体系。借鉴美军相关装备及技术发展情况,初步设计了有人无人协同班组供电保障建设的方案,并对下一步发展趋势进行了展望。
研究与设计：化学电源
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  造孔剂对流延法制备的阳极支撑SOFC性能的影响

  夏美荣, 田丰源, 颜晓敏, 邹高昌, 刘江

  电源技术. 2022, 46(5): 492-495. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.007

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  采用流延法分别制备了以可溶性淀粉、石墨和玉米淀粉为阳极造孔剂的阳极支撑型SOFC。以8%(摩尔分数)氧化钇稳定的氧化锆(ZrO)_0.92(Y₂O₃)_0.08 (YSZ)为电解质材料,Ni∶YSZ为1∶1(质量比)的金属陶瓷(Ni-YSZ)为阳极,Ag-GDC为阴极,在电解质和阴极之间制备一层GDC为过渡层。采用加湿 H₂ [H₂O含量3%(体积分数)]作为燃料气,进行电化学测试。结果表明：800 ℃下,玉米淀粉的功率密度845 mW/cm²为最大,远高于石墨(422 mW/cm²)和可溶性淀粉(312 mW/cm²)的功率密度。通过阻抗谱、扫描电镜和孔隙率测试对不同造孔剂制备的阳极微观结构与电池性能之间的关系进行了表征和分析。
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  几种氟化碳材料的特性及其应用研究

  阳晓霞, 白宝生, 张冠军, 周江

  电源技术. 2022, 46(5): 496-499. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.008

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  采用SEM、XRD、BET、热重分析方法和电性能表征手段,全面对比了传统氟化碳和两种新型氟化碳材料的特性,揭示了材料的构效关系,指出不同材料在实际应用中的优缺点。实验分析了新型氟化碳存储性能差的原因和对电解液的兼容性,为新材料的开发和应用研究提供了参考。
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  锂电池极片的电解液浸润速率研究

  黄海宁, 曹恋

  电源技术. 2022, 46(5): 500-503. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.009

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  通过设计悬挂法研究电解液在极片内的爬升速率。爬升速率可反馈电解液在电池里面浸润的速度。系统研究了电芯设计和工艺参数对电解液浸润速率的影响：不同的正负极压实密度,不同的集流体类型,不同的电解液配方和不同的浸润温度。对于研究电解液浸润速率与电芯和极片设计之间的关系具有重要的指导意义。
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  陶瓷支撑型SOFC组件的耦合残余应力分析

  卓亮辉, 谭义勇, 崔伟, 郑淞生, 王兆林

  电源技术. 2022, 46(5): 504-508. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.010

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  残余应力是固体氧化物燃料电池(SOFC)成功制备的关键因素。基于COMSOL Multiphysics对3% (摩尔分数)Y₂O₃掺杂ZrO₂(TZP)支撑型管式SOFC建立二维轴对称模型,分析各层组件厚度和阳极组成对其残余应力和失效概率的影响。结果表明,由于SOFC中各组件之间的热膨胀差异性,在研究的所有组件厚度组合中,阳极较易因裂纹、分层的产生导致失效;阳极中Ni的体积分数的降低可减小其失效概率,当Ni的体积分数低于0.193 1时,阳极失效概率低于10^–6。研究结果对陶瓷支撑型固体氧化物燃料电池(CS-SOFC)的高温烧结制备具有实际指导意义。
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  PEMFC冷却流道数值模拟及实验研究

  徐鑫, 王珊, 韩冬林, 周江东

  电源技术. 2022, 46(5): 509-513. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.011

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  温度是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作性能的主要因素之一,为了使燃料电池的温度更加均匀并提升电堆综合效率,设计了一种新型冷却流道,通过 CFD 模拟与传统的平行流道和蛇形流道进行对比,采用表面最大温差、温度均匀指数和冷却液压降评估冷却流道性能。基于新型冷却板,装配1 kW电堆进行膜电极单体电压稳定性实验。结果表明：新型冷却板可以在降低冷却液循环耗能的基础上,保证电堆膜电极的电压均衡性,平均电压波动在±0.003 762 V,进而可进一步提升电堆综合发电性能。
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  VRLA浮充寿命衰减机理及其试验研究

  杜旭浩, 李秉宇, 贾伯岩, 王磊

  电源技术. 2022, 46(5): 514-517. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.012

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  阀控式铅酸蓄电池(VRLA)作为变电站备用直流电源时,其大部分运行时间处于浮充备用状态。大量数据显示,在变电站中做备用电源使用的一部分VRLA浮充寿命为6年左右,远低于10~12年的设计寿命。VRLA的提前失效,严重影响着变电站的正常安全运行。从变电站工况下VRLA运行状态和运行特性出发,探究VRLA浮充寿命衰减机制;根据阿伦尼乌斯公式推演VRLA高温加速浮充耐久性试验内在机理,以此为基础拓展VRLA高温加速浮充耐久性试验方案;进行VRLA高温加速浮充耐久性试验,定义质量损失率、24 h开路电压(OCV)损失倍率和内阻增长倍率,探究质量、开路电压和内阻与VRLA浮充寿命衰减的关系。
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  一种基于温度变化的动力电池智能充电策略

  郭剑成, 王惜慧, 岑海林

  电源技术. 2022, 46(5): 518-522. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.013

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  针对动力电池在快速充电中容易发生温度过高、温度变化过大甚至导致热失控的问题,提出了一种基于温度变化的动力电池智能充电策略。分析了Reflex快速充电策略原理及其优点,针对动力电池的充电特性,采用模糊控制系统对Reflex快速充电策略进行优化设计;对电池单体进行脉冲放电实验确定电池参数,并在Simulink中搭建电-热耦合模型进行仿真。仿真结果表明：当Reflex正脉冲电流为1 C时,充电时间最长、充电初期温升最小但中期温度变化明显;当Reflex正脉冲电流为2 C时,充电时间为1 C的54%,但电池初期温升最大且温度超过安全充电温度;当采用智能充电策略,充电温升明显减弱、充电过程中温度变化减小且充电时间比2 C仅增加13%。根据智能充电策略进行实验,在0~2 200 s智能充电策略电池温度变化符合仿真预期,证明该充电策略有效可行。
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  储能电池模组的风冷散热优化设计研究

  祝德春, 王新春

  电源技术. 2022, 46(5): 523-527. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.014

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  基于流体动力学和传热学原理,建立了电池单体对流换热的关系准则数学模型,获得了电池单体间距设计区间范围内的换热能力变化规律;提出了边界温度和流速条件对电池单体散热的影响度评价方法,结合基于电池单体间距优化仿真模型的电池单体温升和冷却空气温升及平均流速,获得了电池单体间距的较优数值。设计了某型105 Ah/7.8 kWh磷酸铁锂电池模组,计算了该型电池模组的温度场和流场,验证了电池单体温升和电池单体间温差均分布规律以及电池模组的散热性能,证明了所提出优化方法的正确性。研究结果表明,该方法对指导电化学储能电池模组的工程化设计具有一定的参考意义。
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  串联锂电池分层式主动均衡研究

  于仲安, 熊莹燕

  电源技术. 2022, 46(5): 528-531. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.015

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  针对传统Cuk斩波电路只能对相邻电池进行均衡的缺点,设计了基于Cuk电路的分层式均衡拓扑。底层均衡电路和顶层均衡电路分别采用Cuk电路和基于电感的均衡电路,该拓扑可以减少均衡过程中能量传递的路径,减少能量损耗,加快均衡速度。顶层均衡策略采用基于电池荷电状态(SOC)以及电压的K-means聚类分析将电池分为两类,进行相应的均衡操作。Matlab/Simulink仿真结果证明,所设计的均衡拓扑和均衡策略有效提高了均衡效率和均衡速度。
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  基于卷积-双向长短期记忆网络的电池SOC预测

  陈继斌, 李雯雯, 孙彦玺, 许静, 张单

  电源技术. 2022, 46(5): 532-535. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.016

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  锂电池的预测性维护是电池应用的重点,实现它的关键是有效地预测锂电池的荷电状态(SOC )。随着信息技术和深度学习网络算法的发展,深度学习法在SOC预测方面显示出很好的潜力。提出了一种基于卷积-双向长短期记忆网络(CNN-BiLSTM)的SOC预测方法,利用卷积神经网络(CNN)模型提取局部特征,双向长短期记忆网络(BiLSTM)充分利用双向SOC的时间信息。在公共数据集上的对比实验表明,该模型提高了SOC预测的准确性。
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  基于AEKF滤波与H_∞滤波的锂离子电池SOC联合估计

  王雨妍, 李翔晟, 陈志峰, 欧阳立芳, 蒋宇阳

  电源技术. 2022, 46(5): 536-540. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.017

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  锂电池荷电状态(SOC)的准确估计对提高电池的动态性能和能量利用率至关重要。针对现有卡尔曼滤波SOC估计方法存在估计精度低、鲁棒性差等问题,采用锂离子电池的二阶电阻-电容等效电路模型,通过HPPC循环脉冲实验和动态应力测试工况放电实验,结合带可变遗忘因子的递推最小二乘法(VFFRLS)及开窗理论,对等效电路模型参数进行在线辨识,提出利用自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)算法和H_∞滤波算法联合估计SOC的方法。结果表明：与AEKF算法相比,在DST工况下该算法可以使电池荷电状态估计的最大绝对误差减小3.902 9%,平均绝对误差减小0.962 2%,均方根误差减小0.551 5%。与H_∞滤波算法相比,在DST工况下该算法可以使电池荷电状态估计最大绝对误差减小1.309%,平均绝对误差减小2.893 4%,均方根误差减小2.613 6%。
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  基于LSTM的储能蓄电池SOC与SOH联合在线估计

  尹春杰, 王亚男, 李鹏飞, 肖发达, 赵钦

  电源技术. 2022, 46(5): 541-544. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.018

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  蓄电池组是微电网储能系统重要的组成部分之一,对储能系统的整体技术及经济性能具有重要影响。针对蓄电池荷电状态(SOC)与健康状态(SOH)在线准确测量的难题,提出基于长短期记忆(LSTM)神经网络的蓄电池SOC与SOH联合在线估算方法。该方法利用LSTM的动态逼近与长时间记忆能力,以电池端电压、电流及温度的时间序列数据,将阶段SOH均值引入SOC的估算中实现联合估算。采用NASA开放实验数据测试,基于LSTM网络的联合模型相比于单独模型及Bp传统网络具有更高的精确度和更稳定的估算效果。
研究与设计：物理电源
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  32%效率三结砷化镓太阳电池设计与在轨应用

  仇恒抗, 姜德鹏, 杨琴, 刘广明

  电源技术. 2022, 46(5): 545-548. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.019

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  采用晶格小失配的GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓太阳电池结构,通过增加顶电池与中电池中In组分,选取带隙组合为1.87 eV/1.35 eV/0.67 eV的结构体系,使顶、中电池光吸收下限分别红移15和40 nm左右,提高了三结砷化镓太阳电池的电流密度, 提升了太阳电池光电转换效率,研制出平均光电转换效率为32%(AM0,25 ℃)的三结砷化镓太阳电池。该太阳电池已成功应用于PakTES-1A卫星太阳电池阵,入轨初期由其SG1与SG5子阵在轨电流数据计算对比地面同工况测试结果,差异仅为-0.2%和0.5%。产品可用于后续航天器高效率太阳电池阵。
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  基于台阶刻蚀工艺的GaInP/GaAs/Ge太阳电池激光划片研究

  许军, 铁剑锐, 孙希鹏, 康洪波

  电源技术. 2022, 46(5): 549-551. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.020

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  通过湿法台阶刻蚀工艺,在GaInP/GaAs/Ge太阳电池晶圆上按设计尺寸做成切割槽,继而采用皮秒或纳秒激光划切晶圆衬底,完成尺寸误差低于10 μm的电池切割,该工艺制备的太阳电池性能与金刚石砂轮划片效果等同。和金刚石砂轮划片工艺相比,激光划片具有速度快、切割图形多样、维护周期短等优点。
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  基于CsPbI₃的全无机钙钛矿太阳电池数值分析

  梁伟鄯, 谢友慧, 王一波, 宁维莲

  电源技术. 2022, 46(5): 552-555. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.021

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  有机-无机杂化钙钛矿太阳电池光稳定性、热稳定性较差,且传统的电子传输层TiO₂需要高温制备,不利于制备柔性较好的电池器件。基于SCAPS设计以CsPbI₃为吸收层的全无机钙钛矿太阳电池,其结构为：FTO/ETL/CsPbI₃/spiro-OMeTAD/Au。分别以TiO₂、CdS及IGZO作为电子传输层进行分析,通过数值仿真结果可知,IGZO作为电子传输层可获得更好的性能。探讨了CsPbI₃吸收层厚度、缺陷态密度、掺杂浓度以及IGZO厚度和掺杂浓度对电池性能的影响,当CsPbI₃吸收层厚度为600 nm,缺陷态密度为10¹⁰ cm^–3,掺杂浓度为10¹⁹ cm^–3,而IGZO厚度和掺杂浓度分别为30 nm和10²¹ cm^–3时,电池输出特性为：V_oc=1.56 V,J_sc=20.08 mA/cm²,FF=81.21%,h_PCE=25.45%。为新型、高效全无机钙钛矿太阳电池的设计提供一定的指导思路。
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  改进海鸥优化算法在光伏系统MPPT中的应用

  李大华, 聂前, 田禾, 付文成, 杜洋

  电源技术. 2022, 46(5): 556-559. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.022

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  针对光伏阵列处于阴影状况下功率电压(P-U)特性曲线的非线性、多极值特点以及传统最大功率跟踪算法无法取得良好效果的问题,提出了一种改进海鸥优化算法的最大功率跟踪方法。该方法对海鸥优化算法的附加控制因子进行改进,提出非线性搜索控制应用到最大功率点跟踪(MPPT)中;并将混沌序列引入算法,增加种群位置的多样性,以此来克服过早收敛的缺陷,增强算法在全局搜索与跳出局部搜索的能力。建立仿真模型,在不同环境下与SOA、PSO进行对比,结果表明该算法可实现复杂环境条件下的最大功率跟踪,并具备较快的响应速度和稳定的寻优效果。
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  一种局部阴影下用户侧光伏阵列解析建模方法

  郁丹, 郭雨涵, 李长青, 唐人, 鲁兴海

  电源技术. 2022, 46(5): 560-563. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.023

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  为解决局部阴影下用户侧光伏模块输出特性曲线的超越方程建模复杂、求解过程繁琐的问题,提出了一种简单的解析建模方法。所提方法仅利用厂商数据手册给定的开路电压、短路电流和最大功率点即可给出光伏模块在不同工况下输出特性曲线的简单计算,建立了三种不同型号的光伏模块的输出特性曲线模型,并以迭代法的数值解作为基准,对三种光伏模块的误差进行了对比分析。结果表明,所提方法建模结果的平均相对误差小于3%,并且具有模型简单和计算较快的特点,同样适用于局部阴影下光伏阵列的输出特性曲线建模。
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  基于TEG技术的加热器供能系统

  周天, 侯旭峰, 任保国

  电源技术. 2022, 46(5): 564-567. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.024

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  可靠的军需后勤保障是推动战争胜利的重要环节,尤其是野战口粮补给,直接影响士兵的战斗表现。在现代高科技战争快速、高机动性的趋势下,单兵野战口粮热食化成为野战口粮发展的一大方向,通过燃料燃烧产生热量为口粮加热成为野战口粮热食化的主要方式。外军使用车载口粮加热装置为口粮加热,该装置须由军用车辆或柴油发电机供电,自持性、环境适应性和隐蔽性较差。设计了以温差发电器(thermoelectric generator,TEG)为核心的自持式供能系统,将燃烧器产生的热能直接转换为电能,对用于燃烧器供能的锂离子电池进行全过程持续充电;当TEG发电功率稳定且达到燃烧器用电需求时,进行工作模式切换,使TEG独立给燃烧器供能,维持燃烧器运行。实验结果表明,燃烧器启动25 min后,TEG放电功率最高可达116 W,可维持燃烧器运行的同时对锂离子电池充电,实现口粮加热器在野外环境的自循环独立运行,提高野外保障能力。
研究与设计：系统技术
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  锂离子蓄电池组在轨遥测数据分析与寿命预计

  张文芳, 邹恒光, 姜垚先, 贠磊, 王铁民

  电源技术. 2022, 46(5): 568-572. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.025

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  伴随新能源技术的不断发展,锂离子蓄电池组已逐渐取代氢镍蓄电池组,成为卫星的新一代储能电源。根据锂离子蓄电池组特性提出了在轨管理策略,通过锂离子蓄电池组的在轨遥测数据,对锂离子蓄电池组的充放电性能、单体电池电压离散性、在轨均衡情况以及温度特性进行了分析,并对锂离子蓄电池组在轨寿命进行了预计。
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  箱式电源的轻量化高比刚度结构设计

  梁芳, 赵春阳, 多冰

  电源技术. 2022, 46(5): 573-576. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.026

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  随着航天技术的快速发展以及我国空间站的建设,有部分电子设备安装于舱内标准单元机柜内并且随舱上行。此类单机所处力学环境恶劣,且与所装机柜相比,不同安装位置处单机的力学条件均有放大,因此对此类单机的结构设计提出了新的要求。介绍了箱体式电源单机结构的设计方法,在保证产品性能、工作可靠性、体积和尺寸的前提下,对单机产品的抗力学性能进行了优化,进一步减轻了产品质量、提高了产品刚度。通过加强筋板式的轻量化、高比刚度的箱式结构设计,提高了整机的力学性能,减轻了整机质量,对此类电源单机结构具有通用性及设计参考性。
研究与设计：辅助技术
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  并联逆变器改进下垂控制策略分析

  屈守江, 陆宁, 陈洋洋

  电源技术. 2022, 46(5): 577-580. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.05.027

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  逆变器作为分布式电源和交流母线的连接载体,能够将分布式电源的能量输送至大电网,为了使逆变器输出电能满足供电需求,需要采取相应的控制策略。针对微电网线路阻抗不匹配,传统下垂控制功率分配失衡的问题,提出了一种基于动态虚拟感抗的改进下垂控制策略,该策略无需获取线路阻抗信息,用一种新的方法计算动态电感,优化线路阻抗比以及提升功率分配精度,同时减小电压差、抑制环流,降低了系统复杂性。在Matlab/Simulink中搭建系统模型,对比不同控制策略下的仿真结果,验证了该策略的有效性。