2024年, 第48卷, 第1期　
刊出日期：2024-01-20

  

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  新春寄语

  电源技术. 2024, 48(1): 1-1.

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  《电源技术》专刊征稿

  电源技术. 2024, 48(1): 2-2.

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编辑部消息
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  青年编委简介

  电源技术. 2024, 48(1): 3-8.

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本刊特约
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  高温固相修复再生磷酸铁锂正极材料研究进展

  艾志龙, 田俊行, 吴劲频, 胡锦榛, 王峰, 孙学义, 王华, 庄卫东

  电源技术. 2024, 48(1): 9-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.001

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  磷酸铁锂电池作为广泛应用的锂离子电池之一,其关键电极材料的高效回收循环利用在资源、环境、经济等方面具有重要的战略意义。高温固相修复技术能够实现磷酸铁锂正极材料短流程、低成本、高效率、绿色环保的循环利用,获得了广泛的关注和研究。针对高温固相修复再生磷酸铁锂正极材料,介绍了此类材料的电化学性能失效机理,从锂补充、缺陷修复和强化锂的迁移等方面对磷酸铁锂正极材料的修复机理进行了分析;阐述了焙烧温度、保温时间、补锂量等修复再生工艺参数对高温固相法修复磷酸铁锂正极材料的影响;分析了表面包覆和离子掺杂对提升磷酸铁锂正极材料电化学性能的影响和机理;并对高温固相修复法修复磷酸铁锂正极材料的可控制备、杂质控制和材料改性等方面的未来前景进行了展望。
综述
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  锂离子电池材料钛酸锂的研究进展

  马勇, 陈品德, 秦龙威, 文春鹏, 夏鑫

  电源技术. 2024, 48(1): 26-31. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.002

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  钛酸锂电池平坦的电位平台(1.55 V),能够更有效地防止SEI膜的形成以及锂枝晶的产生,对于便携式电子、新能源汽车、生态环境等应用领域都有着重要意义。钛酸锂电池的固有离子电导率较低,因此提高钛酸锂的锂离子扩散系数是目前的主要研究方向。综述了钛酸锂电池的结构特征以及合成方法对钛酸锂材料电化学性能的影响,通过不同掺杂离子和表面包覆改性,获得了一系列钛酸锂电池的比容量、循环性能和锂离子扩散系数。其中铌的加入使其具有更高的锂离子扩散系数,包覆LMSO具有更高的容量保持率,有助于进一步提高钛酸锂电池的电化学性能。
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  燃料电池/超级电容器复合化学电源研究进展

  王佳代, 雷舒霖, 左兴萍, 胡志鹏, 付旭东

  电源技术. 2024, 48(1): 32-37. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.003

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  燃料电池是一种能量密度高而功率密度低的化学电源,超级电容器是一种能量密度低而功率密度高的新型电化学储能装置,它的特性与燃料电池相反。基于它们的互补性特征,提出了一种将燃料电池和超级电容器复合构成高能量密度和高功率密度复合化学电源的策略。此类复合化学电源能满足持续性高能量输出和脉冲性高功率输出。对基于酶生物燃料电池、直接甲醇燃料电池和氢燃料电池的复合化学电源相关报道进行阐述,并概述了不同复合化学电源的构筑方法和研究策略。
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  基于模型的动力电池SOC估计方法研究进展

  侯书增, 伍志明, 程雪, 翟博

  电源技术. 2024, 48(1): 38-44. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.004

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  随着电动汽车应用的快速发展,负责行驶安全的电池管理系统(BMS)的重要性日益凸显。高精度的电池荷电状态(SOC)估计方法是BMS有效运行的基础。对近年来有关电池模型、模型参数辨识和SOC估计方法三个领域的研究进行了较为系统的综述,总结了主要电池模型的特点及发展趋势,介绍了模型参数辨识的一般过程以及常见的辨识方法,对四类常见SOC估计方法做了介绍,分析了它们的特点和局限性,并探讨了SOC估算功能在BMS行业中的应用研究。针对当前研究中存在的不足,提出了未来的研究方向。
研究与设计
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  LiMn_0.75Fe_0.25PO₄基混合正极材料性能调控研究

  蔺成良, 赵美菊, 袁云泉, 金永成

  电源技术. 2024, 48(1): 45-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.005

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  重安全、降成本是未来锂电池发展的趋势。为了兼顾磷酸锰铁锂的高安全性能和三元正极材料的高比容量,采用物理混合法将磷酸锰铁锂(LMFP)与三元正极材料(NCM)进行混合,探究了不同混合量和充放电区间对混合正极材料电化学性能的影响。优化结果表明,掺入NCM后,电压跳水现象得到抑制,掺杂量为30%时,在25 ℃室温、2.0~4.4 V、1 C条件下循环200次,剩余比容量131.8 mAh/g,容量保持率为96.3%。同时,穿刺实验中看不到明显的火花现象。
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  二次锂化法制备LiNi_0.931Co_0.049Al_0.02O₂单晶正极材料

  李文升, 马帅, 罗广求, 郑见杰

  电源技术. 2024, 48(1): 51-55. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.006

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  通过二次锂化技术制备了LiNi_0.931Co_0.049Al_0.02O₂单晶NCA正极材料。通过高温预烧结完成Li_0.96Ni_0.95Co_0.05O₂材料的制备;随后在预烧结后的物料中补充足够的Al和Li,进行二次烧结制备出NCA单晶正极材料(S2-NCA)。通过本技术制备的高镍单晶正极材料表现出了优异的倍率和循环性能。经过测试,S2-NCA放电比容量可达217.1 mAh/g,60次循环容量保持率可达94.8%,远远优于一次锂化制备的NCA单晶正极材料(S1-NCA),初始比容量为207.9 mAh/g,60次循环容量保持率为85.8%。
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  高比能锂离子电池电解液配方分析改善

  马怡晖, 王思敏, 刘恋, 周江

  电源技术. 2024, 48(1): 56-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.007

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  针对300 Wh/kg高比能锂离子动力电池在不同循环寿命状态下的电解液进行残余成分分析,其中正极材料为三元高镍材料NCM811,负极材料为石墨和氧化亚硅混合材料。研究结果表明：电解液添加剂VC及DTD主要作用于化成阶段及循环前期的SEI膜形成;FEC在化成阶段几乎不消耗,主要作用在循环后期,修补由于硅负极膨胀导致的SEI膜破裂;PS则在常温循环中消耗较少。此研究明确揭示了各添加剂的作用阶段及消耗量,同时以电池中残液组成成分随不同循环寿命的变化规律作为电解液配方技术精准调控方法。
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  对软包锂离子电池产气临界值的研究

  王燕燕, 张威, 贾凯丽, 李贺

  电源技术. 2024, 48(1): 60-65. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.008

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  通过对常规厚度测量仪(PPG)进行改进,分析了PPG和改进的厚度测量仪(MPPG)两种测试仪器在测量方法上的区别。实验结果表明,PPG与MPPG对比所得厚度差可判断电池存储过程中是否产气,并将厚度差值0.01 mm作为电池产气临界值。25 ℃及4.20 V@45 ℃条件下,电池可存储450天以上,厚度差小于临界值,电池无产气。4.325 V/4.45 V/4.55 V@45 ℃及60 ℃存储,电池随存储时间的延长,厚度差超出临界值,此时变更存储条件,比如降低温度和电压,可有效缓解电池产气过程,延长电池使用寿命。
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  钙钛矿结构Li_0.33La_0.557Ti_0.7Cr_0.3O₃包覆稳定富锂锰基正极

  刘磊磊, 薛文东, 黄冰心

  电源技术. 2024, 48(1): 66-70. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.009

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  富锂锰基层状氧化物凭借超高的放电比容量和较低的价格成为了极具发展前景的锂离子电池正极材料,然而,首次库仑效率较低、容量衰减严重以及较差的倍率性能等缺点制约了其进一步的应用。选用离子-电子混合导体Li_0.33La_0.557Ti_0.7Cr_0.3O₃作为包覆层材料,并采用共沉淀法和高温退火法将其包覆于正极颗粒上。包覆量为2%的样品性能最佳,在0.5 C下、2.0~4.8 V电压范围内,200次循环容量保持率可以达到88.2%,相比于原始样品的62.1%有了明显的提升。
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  活性物质比例及压实密度对NCM811正极的影响研究

  单颖会, 吴涛, 林双, 战祥连

  电源技术. 2024, 48(1): 71-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.010

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  利用充放电机、交流阻抗技术、扫描电镜技术和半电池技术,研究了正极涂层中活性物质(NCM811)比例和涂层压实密度对正极的性能影响。相比于涂层中NCM811比例为90%和93.5%,当NCM811比例为97.3%时,活性物质放电比容量明显下降,这是因为导电剂不足,产生较强的欧姆极化所致;当NCM811比例为93.5%时,涂层放电比容量最高,是因为具有相对较少的非活性物质和相对较高的活性物质放电比容量;当NCM811比例为97.3%时,循环后NCM811颗粒出现粉碎化现象,这是各向异性应力和焦耳热共同作用的结果。涂层压实密度从3.325 g/cm³到3.675 g/cm³,NCM811放电比容量先增后降,是欧姆极化和电化学极化共同作用的结果,循环稳定性逐渐提高,是因为辊压使涂层内部结构稳定,能抵抗活性物质各向异性应力以及降低极片欧姆电阻。
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  高镍三元锂离子电池热失控诱发与扩散机制研究

  田君, 王垒, 高洪波, 胡道中, 张锟

  电源技术. 2024, 48(1): 79-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.011

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  研究了不同加热功率和过充电电流导致高镍三元锂离子电池的热失控失效机制。在不同加热功率和不同过充电倍率下分别触发电池单体和模组中单体的热失控,并结合电压-电流-温度数据分析、计算流体动力学仿真以及其他辅助手段等研究了高镍三元锂离子电池单体和模组热失控的诱发和扩散过程。测试和仿真结果表明：随着加热功率的提高,热失控响应速度逐渐加快,但热失控最高温度呈逐渐下降的趋势;较小的充电倍率可有效抑制热失控和热扩散的发生,而大倍率充电可能引发电池的热失控,由过充电引发的中间电芯的热失控未必造成整个电池模组发生热失控扩散现象。
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  锂离子电池超声传播特性温度解耦方法研究

  赵福鑫, 张闯, 刘素贞, 徐志成

  电源技术. 2024, 48(1): 87-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.012

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  超声检测技术用于评估锂离子电池的荷电状态和健康状态,受到了广泛的关注,但是在大倍率、高温升条件下电池声学响应特征及放电条件与声学信号的关系尚不清楚。基于以上问题,通过搭建磷酸铁锂电池电-声-热综合检测平台,分析电池超声信号温度作用机制,引入与荷电状态相关的温度耦合系数以实现声学传播特性的温度解耦,并分析了不同温度和放电倍率下锂离子电池循环过程中的声学响应特性。实验结果表明,解耦温度的声学时域特征能够准确表征电池内部结构变化,为磷酸铁锂电池的检测和超声技术用于更多场景提供了研究方法。
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  超声/电声谱法测定锂电池浆料的粒度、流变和微观电学参数

  杨正红, 王莘泉

  电源技术. 2024, 48(1): 95-100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.013

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  采用DT-1202超声/电声谱分析仪分别测定了NMP体系磷酸铁锂(LFP)的正极浆料和水系石墨负极浆料的原浓体系粒度分布、流变学性质以及Zeta电位和双电层厚度、表面电荷密度等微观电学参数。超声衰减法可以不用稀释直接测量浆料的粒度分布,并且得到分散体和团聚体从5 nm到1 mm的粒度分布信息。发现锂电池正负极浆料的稳定性存在着不同的机制,它们的作用可以通过不同的参数表征出来,即宏观电动学参数——Zeta电位和微观电学参数——表面电荷密度。在锂电池浆料的稳定效应中,后者起到更重要的作用。因此,在锂电池浆料的研究或质量监控中,不仅需要关注Zeta电位值,更需要关注表面电荷密度值的变化,二者不可偏废。这些微观电学参数也影响着浆料的宏观流变性能。超声衰减谱还可同时测量浆料体系的高频剪切黏度(动力黏度)和体积黏度(纵向黏度),反映了浆料在微观尺度上的流变学性质,并且是一种非侵入式和非破环性的方法,为物质的微观结构提供了更深入的信息,有助于判断锂电池浆料工艺不稳定性的原因。
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  锂离子电池铝塑膜建模研究

  曲杰, 刘奇飞, 何志豪, 代国军

  电源技术. 2024, 48(1): 101-106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.014

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  为了准确建立软包锂离子电池有限元模型,进行了开裂准则适用性研究。开发了铝塑膜单向拉伸、等双向拉伸、杯突实验专用夹具并对铝塑膜进行相应测试,采用弹塑性有限元模型模拟相应的实验,并分别应用韧性断裂准则、剪切断裂准则、Mu¨schenborn-Sonne成形极限图(MSFLD)准则模拟铝塑膜的开裂行为。由模拟结果知：三个断裂准则都能较好地模拟单向拉伸和等双向拉伸实验中铝塑膜的开裂行为,而只有韧性断裂准则能够较好地模拟杯突实验中铝塑膜的开裂行为。该研究结果可为建立软包锂离子电池模型提供参考。
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  锂电池生产设备涂布机烘箱设计

  林彰焱, 欧科学, 靳家晞

  电源技术. 2024, 48(1): 107-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.015

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  涂布机是锂电池浆料经过预计量上料装置通过挤压模头涂覆到基材表面的设备,是电池生产必不可少的关键工序设备之一。涂布设备的关键部件是烘箱,烘箱结构的合理设计直接影响正负极片生产质量和产能。本设计依据宽幅涂布的风室、风嘴结构的合理布局,对宽幅烘箱的横向射流进行了均匀性优化。通过仿真和实验,对烘箱的风室、风嘴结构设计改善进行验证,为超宽幅烘箱的设计提供实验数据,并验证了设计的可靠性与合理性。
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  基于退役电池梯次利用的分组开关均衡研究

  杜海明, 范明杰, 景志勇, 申永鹏

  电源技术. 2024, 48(1): 113-119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.016

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  退役电池梯次利用存在不一致性问题,直接使用会降低电池寿命,甚至可能造成安全隐患。针对该问题,设计了一种基于单电感的分组开关均衡电路。基本原理是根据电路工作状态对开关进行分组,通过控制不同开关组中某个开关器件的通断实现能量传递;基于传统极值均衡策略提出“单体成组”均衡策略,根据电池荷电状态(SOC)的变化进行均衡和分组。该电路具有开关器件少、结构简单且易于控制的优点;改进的均衡策略可减少均衡过程中开关器件的数量,有助于缩短均衡时间、降低能量损耗。针对均衡电路和均衡策略进行仿真,结果表明所提策略在均衡速度和效率上都有提升,所提方案能有效改善电池的不一致性。
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  基于Buck-Boost的锂电池双层均衡方法研究

  徐元中, 郭纯, 吴铁洲, 付越凯

  电源技术. 2024, 48(1): 120-125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.017

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  由于锂电池组的不一致性导致电池组使用寿命缩短和可用容量减少,为提高均衡速度,设计了一种基于Buck-Boost的分层均衡拓扑。以单体电池荷电状态(SOC)作为均衡变量,采用平均值比较法的均衡策略,将电池组分为两层来进行均衡。根据提出的均衡拓扑和相应的均衡策略,采用4节锂电池单体在MATLAB/Simulink实验平台做了双层均衡仿真实验,同时将其与传统均衡拓扑进行对比分析,经实验证明,所设计的均衡拓扑可以提高均衡速度和能量转移效率。
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  面向循环寿命最优的电池组串-并混联结构设计方法研究

  裴磊, 吴宝坤, 王天鸶, 盘朝奉

  电源技术. 2024, 48(1): 126-133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.018

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  在电池系统中,由于其单体间不可避免的差异性,使得系统在循环老化速率方面远快于其中单体。而这一老化速率,又同时受到单体间老化分布与模组内串并联结构等多因素的影响。如何在给定模组规模与单体参数分布条件下,通过对组内最优串并混联结构的选取,实现对系统整体寿命的延长,成为亟待解决的关键问题。为此,在经典电池动态模型的基础上添加了对其老化与不一致行为的描述;在此基础上,通过对典型成组结构的老化仿真,与非典型结构的机器学习推衍,实现了对任意拓扑需求下最佳串并组合结构的选取。并结合不同锂离子电池组老化实验证明了方法在寿命预测与最优结构选取方面的有效性。
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  基于WMIAEKF的锂离子电池SOC与容量联合估算

  顾乃朋, 王亚平, 杨驹丰, 栗欢欢

  电源技术. 2024, 48(1): 134-142. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.019

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  精确的荷电状态(SOC)估算对可靠的电池管理系统来说十分关键。基于二阶等效电路模型,提出了一种加权多新息自适应扩展卡尔曼滤波(WMIAEKF)算法,该算法可以解决传统多新息算法中误差累积的问题,从而提高SOC估算精度。实验仿真结果表明,所提算法比传统的自适应扩展卡尔曼(AEKF)以及多新息自适应扩展卡尔曼(MIAEKF)精度要高,最大误差控制在1.15%以内。此外,基于该算法提出了一种改进的多时间尺度双卡尔曼滤波算法,其中,WMIAEKF用于SOC估算,AEKF用于容量估算,两者结合对电池的SOC和容量进行实时的联合估算。所提算法能够对电池SOC以及容量进行较精确的估计,在新欧洲行驶工况(NEDC)下,SOC估算误差始终控制在1.2%,并且在面对错误容量初始值时也能保持较好的鲁棒性。
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  基于平滑因子引入和神经网络优化的锂电池SOC估计方法

  付炳喆, 李沂洹, 王玮, 李慷

  电源技术. 2024, 48(1): 143-149. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.020

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  为提高锂电池荷电状态(SOC)的估计精度,提出了一种基于平滑因子引入和神经网络优化的锂电池SOC估计方法。将黄金分割优选法和模糊C均值聚类算法应用于RBF神经网络,分别用来确定最佳隐含层神经元个数和径向基中心;采用遗传算法对高斯核函数宽度及连接权值进行优化,解决了RBF神经网络结构和初始参数难以确定的问题。将滑动时间窗口内的放电容量作为平滑因子引入神经网络模型,增强了RBF网络对锂离子电池非线性特性拟合的能力。基于实验获得的锂离子电池在联邦城市行车计划(FUDS)工况下的数据,对所提出的方法进行仿真和验证,结果表明,所提方法显著提升了锂电池SOC的估计精度。
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  PEMFC新型冷却流道的数值模拟

  黄浩, 鞠洪玲

  电源技术. 2024, 48(1): 150-155. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.021

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  质子交换膜燃料电池(PEMFC)在运行过程中,化学反应会产生大量的热量,需要通过高效的冷却设计来带走这些热量。为了使燃料电池的温度更加均匀并提升燃料电池的效率,设计了一种新型仿生叶脉形冷却流道,采用计算流体力学(CFD)方法,与平行冷却流道、蛇形冷却流道在冷却流场的最高温度、进出口温差、温度均匀性和压降特性等方面进行对比研究。研究结果表明：与传统的平行和蛇形冷却流道相比,在相同的冷却条件下,仿生叶脉形冷却流道温度均匀性最好。此外,虽然蛇形冷却流道的冷却性能优于平行流道,但会导致更高的压力损失。与两种传统流道相比,在相同的冷却条件下,仿生叶脉形冷却流道不仅冷却性能最好,最高温度值降低到346.6 K,其冷却板温度均匀性U_T更好,而且进出口压力差最小,造成的压降损失更小。
物理电源
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  一种带飞跨电容的单相光伏逆变器

  杨晗露, 马海啸, 蒋天健, 郭晨阳

  电源技术. 2024, 48(1): 156-160. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.022

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  非隔离型逆变器存在的漏电流会增大系统损耗、产生安全隐患。研究了一种带飞跨电容的新型单相光伏逆变器,由5个开关管、一个飞跨电容和一个滤波器构成,结构简单,易于实现。逆变器交流侧与直流侧共地,可完全消除漏电流。针对该新型单相光伏逆变器,采用一种改进的单极性SPWM技术进行控制,优化了各开关管的控制逻辑,所有开关管只在半周期内高频调制,有利于减少开关管损耗。搭建了逆变器的仿真模型和实验样机,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。
系统技术
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  液冷散热式预制舱储能系统冷却液回路设计

  黄兴华, 范元亮, 吴涵, 陈金玉, 连庆文

  电源技术. 2024, 48(1): 161-167. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.023

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  随着液冷式预制舱储能推广,亟需冷却液回路设计方法。从工程实用角度出发,针对液冷板,提出了普适于常见3至4排电芯电池包的U形流道结构,分析了流道宽度、高度设计方法;针对液冷管路,提出管路并联式排布和管路变径的方案,阐述了管路流量、节流孔尺寸设计方法。依托1 MW/2 MWh海岛储能工程,分析了工程设计实例。收集并分析了现场运行情况,所设计方案能将电池温度控制至预定区间,电池温差不超过3 ℃。
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  机动式光-油综合能源系统设计研究

  李渊, 李钏, 宋建青, 刘文平

  电源技术. 2024, 48(1): 168-173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.024

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  利用新能源供电的可移动供电系统是未来能源模式的必然发展趋势,针对外场工作对能源持续供给与灵活用能的需求,开展了机动式光-油综合能源系统研究。该系统以光伏发电为主,柴油机为辅,利用电智能DC/DC-储能模块构建智能互联电能源系统网络,采用分布式协同控制策略,引入多智能体系统思想,设计主、被动容错控制方法,实现交流耦合电压稳定控制,最终形成光-油-储智能互补综合能源系统,并通过仿真测试验证了本方案的有效性和可行性。该研究结果可以极大地提高供能效率,延长供能时间,提供稳定可靠的供电保障,提高了外场作业的机动性和持续性,提高了电能源可移动支配能力,有望推动我国相关外场作业在新能源领域的发展,也为今后信息-能量一体化奠定理论基础。
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  CAN总线通信中继在平流层无人飞行器中的应用研究

  李晓剑, 刘硕

  电源技术. 2024, 48(1): 174-180. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2024.01.025

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  针对目前平流层无人飞行器能源系统CAN总线通信的缺陷,提出一种新的CAN总线通信中继的应用实施方案,从硬件和软件两个方面对CAN中继器进行原理分析与介绍,并在此基础上,对实际应用的平流层无人飞行器能源系统进行分析和可行性论证,给出多中继节点对系统的影响分析。该研究对于扩大平流层无人飞行器能源系统的规模和增强CAN总线通信架构的可靠性具有重要的指导意义。