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    2023年, 第12卷, 第2期 刊出日期:2023-02-05 上一期   
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    本期中英文目录
    2023 (2):  0. 
    摘要 ( 99 )   PDF(1264KB) ( 136 )  
    相关文章 | 计量指标
    储能材料与器件
    颗粒级配对锂浆料电池性能的影响
    高桂红, 李珅珅, 刘福园, 巫湘坤, 刘艳侠
    2023 (2):  329-338.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0537
    摘要 ( 384 )   HTML ( 190 )   PDF(5676KB) ( 411 )  

    利用大小颗粒之间的填充效应,本文设计了2种粒径的活性颗粒组成7种级配体系,并系统研究了其浆料的性能。借助激光粒度仪、电导率仪、比表面测试仪、扫描电子显微镜、沉降测试和电化学测试等手段分析了样品粒度分布、比表面积、颗粒形貌、浆料的电导率、沉降率、电化学阻抗谱和充放电性能。结果表明,所有级配粒径分布均呈单峰接近正态分布;级配颗粒属于大孔或者无孔材料;小颗粒是典型的单晶结构,大颗粒由球形大颗粒构成,3∶7和0∶10样品扫描电子显微镜图显示大粒径周围被小粒径和导电剂包围着,形成了完整连续的三维导电网络;大颗粒组成的浆料电导率为41.80 mS/cm,小颗粒组成的浆料电导率高达123.39 mS/cm;3∶7样品浆料的沉降率和沉降速率最小,颗粒级配更接近Fuller最密充填粒度分布经验曲线;3∶7和5∶5样品0.1 C的放电比容量分别达到194.88 mAh/g和187.38 mAh/g,实际比容量发挥分别高于商业典型值10%、5%以上,首次充放电效率高达90.54%、87.96%。此外,3∶7样品电池还表现出最优异的循环性能,经循环250次后,容量保持率为83.63%。总之,级配为3∶7样品的颗粒填充效应得到充分发挥,表现出最优异的性能。本文提供了最佳比例的颗粒级配设计比,为优异性能的颗粒级配提供重要参考。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    镁掺杂协同氧化铝包覆优化锂离子电池高镍正极材料
    张德柳, 张言, 王海, 王佳东, 高宣雯, 刘朝孟, 杨东润, 骆文彬
    2023 (2):  339-348.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0632
    摘要 ( 439 )   HTML ( 86 )   PDF(5238KB) ( 272 )  

    锂离子电池高镍LiNi x Co y Mn1-x-y O2(NCM, x≥0.6)正极材料因具有较高的能量密度和低成本等优势在电池领域备受关注,然而随着镍含量的升高,材料锂镍混排严重且热稳定性下降,导致高镍三元材料的循环稳定性和安全性恶化。本研究针对高镍三元材料阳离子无序排列严重和循环稳定性差的问题,通过共沉淀法在前驱体合成过程中将Mg掺杂进入晶体,得到LiNi0.8Co0.1Mn0.09Mg0.01O2(Mg1.0)活性材料,进一步利用液相法在材料表面包覆Al2O3,成功制备Al2O3涂覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.09Mg0.01O2复合材料(Mg1.0@Al)。X射线衍射(XRD)结果表明,Mg掺杂能够有效扩大材料层间距,抑制阳离子混排;扫描电子显微镜(SEM)结合透射电子显微镜(TEM)结果表明,改性未对NCM811材料整体形貌造成影响,同时能够明显地观察到通过液相法在材料表面包覆的Al2O3涂层。电化学测试结果表明,镁铝协同改性可以稳定NCM811材料结构,减少阴极的界面极化,遏制材料与电解液发生副反应,使得材料表现出优越的电化学性能。Mg1.0@Al在1 C循环100次后表现出稳定的放电电压(ΔV=5.2 mV)、较低的电荷转移阻抗(Rct=51.66 Ω)和卓越的锂离子扩散系数(DLi=4.05×10-14 cm2/s)。同时,Mg1.0@Al材料在2.8~4.3 V电压范围下,展现出卓越的循环性能和倍率性能:1 C下循环100次和400次后仍有188.58 mAh/g和147.47 mAh/g的放电比容量,容量保持率分别为95.18%和74.54%;5 C大倍率电流下,放电比容量高达146.3 mAh/g。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    脂肪酸类二元储能材料的相变特性与配比调节
    董金美, 刘启元, 吴芳, 贾利蕊, 文静, 常成功, 郑卫新, 肖学英
    2023 (2):  349-356.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0531
    摘要 ( 187 )   HTML ( 42 )   PDF(1608KB) ( 137 )  

    针对单一脂肪酸相变温度固定,与实际需求匹配性差的问题,提出以癸酸(CA)、月桂酸(LA)、十四酸(MA)、软脂酸(PA)和硬脂酸(SA)五种常见的脂肪酸作为相变材料,将其两两复合,利用低共融理论计算10种二元复合体系的最低共融点和理论质量配比,通过熔融共混法制备二元低共融复合体系并在其低共熔点上下3%~6%调节质量配比,借助DSC测试二元低共融复合体系的相变特性。结果表明,二元低共融体系的理论相变温度范围为21.58~53.90 ℃,理论相变潜热范围为157.64~191.85 J/g,与五种单一脂肪酸的热性能相比,相变温度降低了约10~15 ℃,相变潜热值无明显变化;制备的10种二元低共融体系的相变温度范围为19.94~56.49 ℃,与理论相变温度偏差为1.93%~14.72%;相变潜热为125.78~181.45 J/g,与理论相变潜热偏差为0.18%~19.86%;其中CA二元体系的理论相变温度范围为21.58~30.11 ℃,适用于建筑节能领域;LA二元体系的理论相变温度范围为35.87~41.15 ℃,适用于电子器件热管理或调温纺织品领域;MA和PA二元体系的理论相变温度范围为46.05~53.9 ℃,适用于大体积混凝土温控领域;在低共熔点附近调节配比发现最佳配比与理论计算的低共熔配比偏差在4%以内,验证理论计算的准确性和可行性。本研究结果可为脂肪酸类二元复合相变材料的具体使用范围提供技术参考。

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    Cu-NiCoP微球的制备及其超级电容性能
    许珂, 陈珏锡, 孟瑶, 袁治冶, 汪形艳
    2023 (2):  357-365.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0555
    摘要 ( 194 )   HTML ( 40 )   PDF(2456KB) ( 480 )  

    过渡金属磷化物(TMPs)由于良好的导电性和高比容量,是有前景的超级电容器电极材料。本研究通过溶剂热和磷化反应制备了Cu-NiCoP微球,探究了Cu掺杂量对NiCoP的电化学性能影响。研究表明Cu掺杂量为5%时,材料的电化学性能相对最好,比电容达到1500 F/g(1 A/g的电流密度下),远高于未掺Cu的NiCoP微球(1025 F/g)。将5%Cu-NiCoP和活性炭分别作为正极和负极,组装成非对称超级电容器(ASC)。组装的ASC器件具有良好的循环寿命稳定性,在2 A/g电流密度下循环9200次后,容量保持率为76%。该ASC器件具有较好的倍率性能,在功率密度为750 W/kg时,具有84 Wh/kg的高能量密度。因此,本工作证明了Cu的掺杂可以有效改善NiCoP电极的电化学性能,也探索了Cu-NiCoP作为正极材料在超级电容器储能中的潜力。

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    锂离子电池SEI多尺度建模研究展望
    张慧敏, 王京, 王一博, 郑家新, 邱景义, 曹高萍, 张浩
    2023 (2):  366-382.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0504
    摘要 ( 664 )   HTML ( 130 )   PDF(10137KB) ( 551 )  

    锂离子电池高还原性负极表面的固体电解质界面膜(SEI)是影响电池电化学性能与稳定性的关键组分,但SEI的形成涉及多尺度、多物理场下的复杂过程,且组分异常复杂。在电池外壳“黑箱”环境下,现有的非原位技术对其表征无能为力,而原位技术又难以得到较高真实度的结果,难以深入理解SEI的相关机制。采用数学的方法对SEI进行建模研究,有望将复杂的物理场进行解耦,进而精准描述SEI的形成和演化的机制与过程,是近年来电池领域的研究热点。本文按对象尺度由小到大从原子到介观尺度逐渐增大的顺序分别总结了第一性原理分子动力学、反应力场分子动力学、经典分子动力学、蒙特卡罗算法、宏观性质建模在SEI建模研究中的应用进展,介绍其在指导电极材料开发及电解液改性方面的成功案例,着重讨论分析了多尺度建模研究SEI的难点与不足。并提出针对SEI的电化学势场特性建立力场算法平台,采用动力学蒙特卡罗方法和机器学习辅助将模型拓展到数万直至数亿原子,并通过逐级计算结合试验验证及专家评估促使收敛,获得具有量子力学精度且带电化学势场的SEI模型,有望实现SEI的长时域建模。

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    可充锌空气电池一体化空气电极研究进展
    刘彦奇, 宋兆海, 何田, 戴作强, 郑宗敏
    2023 (2):  383-397.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0530
    摘要 ( 467 )   HTML ( 73 )   PDF(7371KB) ( 307 )  

    可充锌空气电池具有比能量高、工作电压稳定、安全性好、无环境污染等优势,被人们认为是最有前景的绿色能源装置之一。然而,可充锌空气电池的空气电极在充放电过程中需要发生可逆的氧还原和氧析出反应。由于该类反应涉及固-液-气三相界面,因此动力学过程非常缓慢。所以,设计具有高效催化作用的空气电极尤为重要。本论文从可充锌空气电池原理和空气电极结构出发,介绍了传统空气电极与一体化空气电极的结构特点和性能差异。通过对近几年的可充锌空气电池一体化空气电极相关文献的探讨,本文综述了不同导电基底和催化剂组成的一体化空气电极的制备及其锌空气电池性能的研究进展。着重对碳基和金属基一体化电极的优缺点和存在的问题进行总结,提出了这两种电极未来的优化改进方向。进一步介绍了空气电极三相界面结构的重要性和改进策略,分析表明,构建合理的三相界面能够有效提高电化学反应的传输动力学。最后对可充锌空气电池在实用化进程中需要解决的难点问题进行了总结和展望。

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    高温相变储热材料制备与应用研究进展
    刘伟, 李振明, 刘铭扬, 杨岑玉, 梅超, 李迎
    2023 (2):  398-430.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0521
    摘要 ( 778 )   HTML ( 113 )   PDF(40072KB) ( 423 )  

    面向工业领域蒸汽供热需求,大力发展高温相变储热技术,有效调节电网峰谷负荷,有力促进电能替代,助力实现“碳达峰、碳中和”目标。本文通过对近期相关文献的回顾,首先介绍了相变材料优选原则与方法,其次介绍了高温相变材料的分类,着重阐述了盐基高温复合相变材料的最新研究动态,包括金属泡沫/无机盐、石墨泡沫/无机盐、膨胀石墨/无机盐、多孔陶瓷/无机盐复合相变材料和黏土矿物/无机盐相变复合材料,指出高温复合相变材料可以改善无机盐低热导率和热稳定性、腐蚀密封材料等问题。然后总结了高温相变材料的制备方法,指出浸渗法、溶胶-凝胶法、冷压烧结法在实际应用中各有利弊,相比之下,冷压烧结法是制备盐基复合材料最具成本效益的方法。最后重点介绍了高温复合相变材料在工业过程余热回收、电力调峰、太阳能热发电三个领域的应用现状,为研究不同场景下蒸汽型高温相变储热系统容量配置和经济评估方法提供了理论基础。

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    基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展
    戴宇成, 王增鹏, 刘凯豹, 赵佳腾, 刘昌会
    2023 (2):  431-458.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0605
    摘要 ( 641 )   HTML ( 64 )   PDF(16170KB) ( 234 )  

    相变储热是具有广阔应用前景的储能技术之一,具有储热密度大、相变温度稳定等优点,但相变材料的热导率低制约了相变储热技术的发展。提升相变材料的热导率和储热器件的传热速率是有效的解决途径。针对相变材料热导率强化研究进展有大量综述,而对于储热器件层面的传热强化的总结较少,本文回顾了近10年国内外在储热器及其传热强化研究方面的进展。为适应不同应用需求,不同类型的相变储热器应运而生,根据储热器的工作模式和结构可以分为管壳式、填充床式、板式、热管式4类,本文系统地介绍了4类储热器的工作原理、优缺点以及强化传热研究,主要比较了结构优化后的储热器与传统储热器的传热速率和储/放热性能,结果指出对储热器的内部结构进行改进及拓展外部结构等方法能有效增加储热容量和储/放热速率,对于提高系统相变储热能力具有积极作用,分析表明后续的研究应该明晰储热器内部多相耦合传热机制,增强储热器对动态工况适应能力,拓宽应用范围。

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    储能系统与工程
    内嵌树形翅片相变层电池热管理性能
    沈雪晴, 陈威
    2023 (2):  459-467.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0577
    摘要 ( 183 )   HTML ( 34 )   PDF(5742KB) ( 82 )  

    针对被动式电池冷却方法存在相变材料导热性能差,无法及时释放电池热量的问题,本工作提出内嵌树形翅片强化相变层的传热特性。采用焓-孔隙率法建立了描述树形翅片-相变材料动态熔化传热过程的数学模型,数值分析了具有不同结构翅片相变材料的围护层,在1 C、2 C和3 C放电倍率下对电池温度的影响。与石蜡作为围护层相比,在3 C放电倍率下,石蜡内嵌直翅片可降低电池温度9.7 K;内嵌树形翅片时,相比于内嵌直翅片相变材料围护层电池温度可降低1.4 K。当树杈与树干的长度比为1.2时,内嵌树形翅片相变围护结构应用于电池热管理系统,可以得到较好的传热特性。

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    抽水蓄能-飞轮混合储能系统协调控制方法
    武鑫, 尚文举, 马志勇, 滕伟, 张爽, 罗海荣
    2023 (2):  468-476.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0550
    摘要 ( 260 )   HTML ( 51 )   PDF(2181KB) ( 161 )  

    建立了一台容量为300 MW的抽水蓄能机组功率模型和容量为25 MW的飞轮储能阵列模型并分析了各自的充放电特性。然后,为了达到抽水蓄能机组综合调频指标提高至2倍,同时减小机组磨损进而降低损耗成本的目标,基于水电机组斜坡输入控制策略和飞轮储能阵列荷电状态(SOC)分段控制策略,提出了一种抽水蓄能-飞轮混合储能系统的协调控制策略。最后,根据某额定功率为300 MW的抽水蓄能机组历史运行数据,通过仿真实验验证了所提出的混合储能系统协调控制策略。结果表明:在电网二次调频过程中,提出的混合储能系统协调控制策略将抽水蓄能机组的综合调频性能指标提高2.29倍以上,能够显著减少抽水蓄能机组平稳运行阶段的频繁输出调整、进而降低损耗成本并提高抽水蓄能机组的稳态运行特性,同时保证飞轮储能阵列的SOC维持在合理水平。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    储能系统和新能源发电装机容量对电力系统性能的影响
    陈海东, 蒙飞, 王庆, 侯峰, 王亦, 张志华
    2023 (2):  477-485.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0439
    摘要 ( 347 )   HTML ( 76 )   PDF(3270KB) ( 187 )  

    随着“双碳”目标的不断推进,新能源发电装机容量将持续增长,由于新能源发电具有不稳定性,因此分析新能源装机容量与储能系统容量增加对电网性能的影响具有重要意义。本工作以某省电网为对象,参考其电网组成建立了包含风电、光伏、火电和储能在内的电力系统调度模型,应用信息间隙决策理论和蒙特卡洛方法模拟了用户负荷和新能源发电的不确定性。研究结果表明:当新能源装机量翻倍时,新能源发电量占比可以提高62.6%,但运行成本也会提高18.7%。当储能系统容量从0 GW提高至15 GW时,可使运行成本降低14.4%,新能源发电量占比提高22%。同时发现,当新能源消纳率低于95%时,储能容量的提高将主要带来新能源消纳的提高;当消纳率高于95%时,储能容量的提高将显著降低电网波动性。该研究对未来低碳能源和智能电网建设中新能源和储能系统装机容量的配置具有一定的指导意义。

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    考虑电/热储能灵活经济调控的综合能源系统与产消者日前协调优化运行策略
    罗世刚, 张伟, 李威武, 白永利
    2023 (2):  486-495.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0538
    摘要 ( 211 )   HTML ( 30 )   PDF(3087KB) ( 141 )  

    多元异质储能技术对含产消者的综合能源系统灵活运行和统筹资源协调具有积极作用。本工作提出考虑电/热储能灵活经济调控的综合能源系统日前博弈-鲁棒优化运行策略,该方法挖掘电/热异质储能在能源交易中的经济潜力和不确定因素下的灵活潜力。首先,考虑节点电压、管道温度等状态量的安全限制建立综合能源系统调度模型和储能运行模型;进而,在电热能源市场框架下,建立考虑储能经济运行的综合能源服务商与产消者博弈的Stackelberg模型及其MPEC形式;然后,基于Stackelberg博弈模型,提出计及电池储能日内灵活调整的两阶段鲁棒优化模型,采用改进的列约束生成算法求解。最后,算例验证了所提方法的有效性,储能灵活经济调控降低系统运行成本以及保证日内电力供需平衡。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划
    宋杰, 耿林霄, 桑永福, 温荣斌, 孙鹏, 弓林娟
    2023 (2):  496-503.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0588
    摘要 ( 203 )   HTML ( 31 )   PDF(2205KB) ( 123 )  

    高新能源渗透率的新型电力系统更容易发生发电侧与用户侧的负荷失衡,从而造成电网频率波动,这对电网安全带来了巨大的挑战。提升发电侧主动调频支撑成为解决这一问题的关键。储能技术辅助调频主力的火电机组参与发电侧一次调频不仅可以提升电网安全性,也能降低机组磨损,提升机组运行的经济性。现存一次调频储能容量配置方法比较单一。因此,本文提出了一种基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划方法。使用EMD对储能的目标功率进行处理,并将处理后的IMF分量进行重构,从而确定混合储能的功率与能量配额,以归一化成本为最优目标,完成储能系统规划,弥补了现存研究未充分考虑功率高低频响应导致的储能配置方案不合理,不能充分利用不同形式储能特性造成的储能投资成本高、储能系统收益低、调频效果不理想等缺点。并以宿迁660 MW机组为一次调频算例验证了本文方法的可行性与经济性。研究结果可以为参与一次调频的火电机组储能规划提供一定技术参考。

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    计及可靠性的含源配电网储能系统的优化配置
    侯美倩, 牛启帆, 邢洁, 单英浩
    2023 (2):  504-514.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0621
    摘要 ( 207 )   HTML ( 36 )   PDF(1764KB) ( 91 )  

    本工作研究了计及可靠性的含源配电网储能系统的优化配置问题。首先,提出了适用于含源配电网供电可靠率指标的计算方法,具体考虑了负荷时序、分布式光伏出力及储能系统运行特性。然后,基于上述计算方法,提出了计及可靠性的含源配电网储能系统的优化配置模型,综合考虑了配电网的可靠性和经济性指标,约束条件包括配电网潮流、系统功率平衡、光伏出力以及储能系统运行。最后,以17节点配电网为例,利用遗传算法对本研究模型进行求解,得到了含光伏配电系统中储能系统的最优安装位置和容量。并且,分析讨论了储能和分布式光伏同步配置、储能在系统侧集中配置等不同的安装方案以及子目标权重系数的设置对目标函数的影响。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    新型储能技术在弹性电网中的应用与展望
    杨水丽, 来小康, 丁涛, 王则凯, 陈继忠, 诸嘉慧, 李婷婷
    2023 (2):  515-528.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0586
    摘要 ( 338 )   HTML ( 72 )   PDF(2407KB) ( 202 )  

    3060双碳目标将推进我国能源转型进程,新能源高渗透率为电网带来的不确定性与复杂性使其对日常运行时备用调节电源需求和应对极端自然灾害与人为攻击时的弹性需求增高,因而促使新型储能技术在电网快速规模化应用。本文讨论了在极端事件下,储能在弹性电网中的应用。首先,从新型储能装置的发展动态和对弹性需求的支撑出发,结合弹性电网概念内涵、衡量要素和极端事件特性,探讨了储能在弹性电网中的需求必要性和应用目标,提出了储能在极端事件下弹性承受和恢复两个阶段中的作用过程、作用机制和调节目标。其次,分析了广域布局储能的聚合容量与弹性电网承载能力之间的关系,研究了储能对灾后网架重构的影响,以及弹性指标评价框架等,提出了储能在弹性应用中的规划、调控、量化指标和市场机制制定等关键技术研究点。针对极端事件的应用需求、储能的运行性能与经济特性,提出了未来新型储能系统的适用典型场景。最后,对我国储能在弹性电网中的应用前景进行了展望。

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    储能测试与评价
    基于外特性方法的锂离子电池析锂及可逆锂回嵌定量分析
    张玉龙, 栾伟玲, 吴森明
    2023 (2):  529-535.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0584
    摘要 ( 421 )   HTML ( 84 )   PDF(1394KB) ( 399 )  

    锂离子电池因其高能量密度、高循环寿命等优势被广泛应用,然而由析锂导致的电池可用锂离子损失,会降低电池自产热温度,严重影响锂离子电池的寿命与安全,锂回嵌可部分缓解析锂对电池的影响。本文基于锂离子电池低温运行实验数据,分别采用差分电压法(DVA)、开路电压法(VRP)和DVA-VRP联合法对电池的析锂及可逆锂回嵌进行定量分析,并结合电化学模型对析锂量计算结果进行了验证。研究发现,DVA特征值随着电池的老化向容量减少方向移动,VRP的特征电压平台向时间减少的方向移动,且这两种方法的析锂特征值呈线性关系,拟合直线随搁置时间的增加向原点平移。VRP结合仿真可准确预测可逆锂,缺点是耗时较长;DVA法在电池运行初期对可逆锂的预测与VRP-仿真法相差不大,但随着电池的老化,预测误差逐步增大。DVA-VRP联合法在保留VRP准确度的前提下,弥补了DVA和VRP误差大、时间成本高的不足,可在较短时间内实现对电池可逆锂的初步预测,为锂离子电池的安全评估提供了重要参考。

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    基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建与仿真分析
    周宇昊, 徐椤赟, 张钟平, 刘灵冲, 南斌, 赵海祺
    2023 (2):  536-543.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0539
    摘要 ( 543 )   HTML ( 63 )   PDF(2493KB) ( 414 )  

    在碳达峰碳中和背景下,有效缩短大规模储能电站内部锂电池运行仿真时间、提高仿真结果精度,对提高锂电池CFD(computational fluid dynamics)仿真效率和安全管理水平具有重要的意义。针对现有仿真模型无法支撑锂电池运行状态快速、精确仿真的问题,本文提出一种基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建方法。首先,设计了锂电池数字孪生结构体系并分析了热电耦合模型构建原理;其次,考虑到ANSYS TwinBuilder平台的LTI ROM降阶模型具有计算耗时短、仿真精度高的特点,分析热力学模型和等效电路模型之间的耦合机理,基于ANSYS TwinBuilder建立锂电池热电耦合数字孪生模型;进而,分别采用最小二乘算法和原理分析法对等效电路模型和热力学模型参数进行离线辨识,并考虑老化、温度等因素影响,利用递推最小二乘算法实现对等效电路模型参数的在线辨识;最后,分别在Simulink和ANSYS Icepak中搭建锂电池等效电路模型和热力学模型,将其耦合到ANSYS TwinBuilder平台中,并从多维度进行了算例仿真分析,与实验结果进行对比验证了本文所提模型的高效性和精确度。

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    锂电池分数阶建模及SOC估计策略
    李路路, 陶正顺, 潘庭龙, 杨玮林, 胡官洋
    2023 (2):  544-551.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0551
    摘要 ( 283 )   HTML ( 61 )   PDF(2523KB) ( 215 )  

    为了提高锂电池模型的精度,实现锂电池状态的精确估计,本工作在二阶RC等效电路的基础上建立了锂电池的二阶分数阶电气模型,并采用自适应遗传算法实现分数阶模型的参数辨识,加快了算法收敛速度,缩短了辨识时间,避免陷入局部最优解,提高了模型参数精度;在分数阶电气模型的基础上,采用了一种基于施密特正交变换思想的无迹粒子滤波的状态估计方法,与传统的无迹粒子滤波算法相比,在采样点选取过程中,采用一种标准采样与施密特正交变换相结合的办法,对对称采样的粒子进行筛选,减少了采样点的数量,提高了计算效率,并能有效避免由于系统的非线性引起的估算结果发散或单一使用粒子滤波而引起的粒子数短缺。仿真结果表明所建立的锂电池分数阶电气模型能更精确描述锂电池的充放电动态特性,所提出的状态估计策略精度相比于常规控制策略具有更高的精度,系统鲁棒性提高,可以在误差仅为1%的范围内估计锂电池的SOC,并提高了计算效率,易于算法的实时实现。

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    基于BP-UKF算法的锂离子电池SOC估计
    杨帆, 和嘉睿, 陆鸣, 陆玲霞, 于淼
    2023 (2):  552-559.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0574
    摘要 ( 309 )   HTML ( 41 )   PDF(2570KB) ( 178 )  

    电池的荷电状态(state of charge,SOC)是电池管理的重要指标之一,准确的SOC估计是保证锂离子电池安全有效运行的必要条件。为提高锂离子电池SOC估计的准确性,本文基于二阶Thevenin等效模型,提出一种将无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)与BP(back propagation)神经网络相结合的SOC估计方法。在通过混合功率脉冲特性测试获取模型参数的基础上,首先利用UKF算法对电池SOC进行初步估计,通过非线性点变换的方法避免了扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)在线性化过程中对系统造成的精度损失;其次,构建三层BP神经网络,综合考虑锂离子电池的充放电电压、电流等参数,对估计结果进行修正,将估计误差从初始估计结果中排除,以达到更加准确的估计结果。通过电池充放电测试仪采集锂离子电池在动态应力测试下的充放电数据,并在不同的噪声环境下将本文提出的BP-UKF算法与EFK算法和UKF算法进行对比实验分析。实验结果表明,本文提出的BP-UKF算法的最大误差在2.18%以内,平均误差在0.54%以内,均方根误差在0.0044以内,较EKF算法和UKF算法有较大程度地提升;并且在较大的环境噪声条件下,BP-UKF算法的准确性提升更为明显。

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    基于间接健康指标的高斯过程回归对锂电池SOH预测
    王瑞洁, 惠周利, 杨明
    2023 (2):  560-569.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0611
    摘要 ( 333 )   HTML ( 40 )   PDF(2910KB) ( 163 )  

    锂电池性能会随使用时间增加而逐步退化,若更换不及时,可能造成爆炸等严重事故。快速准确预测电池健康状态(state of health,SOH),对于锂电池系统管理和维护以及安全使用至关重要。本工作提出一种基于间接健康指标(health indicators,HIs)和高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)相结合预测锂电池SOH的机器学习模型。首先,通过分析锂电池放电过程,提取若干易于获得且适合动态操作的直接外部特征作为间接健康指标,并计算它们和SOH的相关性,最终筛选出平均放电电压、等压降放电时间、最高放电温度和平台期放电电压初始骤降值作为健康指标;其次,以上述健康指标作为输入特征,利用GPR算法建立锂电池退化模型,对NASA锂电池数据集进行预测,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)不超过2%,均方根误差(root mean square error,RSME)控制在4%之内;最后,将本工作模型与其他常用机器学习模型进行比较,再将模型带入不同实验条件的电池中进行泛化性能分析,最大预测误差控制在6%之内,实验结果表明,本工作提出的间接健康指标和GPR模型具有相对较高的预测精度和优秀的泛化能力。

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    基于递推门控循环单元神经网络的锂离子电池荷电状态实时估计方法
    朱文凯, 周星, 刘亚杰, 张涛, 宋元明
    2023 (2):  570-578.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0630
    摘要 ( 224 )   HTML ( 29 )   PDF(3452KB) ( 158 )  

    锂离子电池荷电状态(state of charge,SOC)的准确估计对于保证电池系统安全运行至关重要。目前基于门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)等循环神经网络的SOC估计方法得到了广泛关注,其无需预设电池模型即可实现SOC准确估计。然而,这类估计方法存在计算复杂度过高而难以在工程中实际应用的问题。针对传统GRU神经网络估计SOC时需要进行大量隐状态迭代而导致计算复杂度过高的问题,提出了网络隐状态时序继承的递推更新方式,通过改进GRU网络的输出结构,从而实现了仅需对当前时刻采样数据进行一次网络计算即可准确获取当前时刻SOC估计值。与文献中报道传统GRU方法相比,该递推GRU方法在保证SOC估计准确度不降低的情况下,能减少99%以上的计算量,具有较好的应用前景。此外,针对部分应用场景中电池训练数据缺乏的问题,方法能够结合迁移学习来快速完成网络训练。通过实验室测试数据集以及公开数据集进行验证,该方法能对不同温度环境、不同老化状态以及不同型号的锂离子电池进行准确SOC估计,其最大估计误差均不高于3%。

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    储能软包大模组结构稳定性
    盛军, 付一民, 俞会根
    2023 (2):  579-584.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0547
    摘要 ( 308 )   HTML ( 73 )   PDF(2079KB) ( 281 )  

    随着新能源产业的高速发展与“源网荷储一体化”概念的提出,锂离子电池在储能领域得到了广泛的应用。为控制成组成本,应用于储能领域的电池模组也朝着高电压、大容量的方向发展,这对锂离子电池成组技术,尤其是软包电池成组技术提出了更高的要求。本工作通过理论计算及有限元分析的方法,对储能软包大模组进行膨胀力分析,目的在于全寿命周期内考察模组的结构稳定性,结果表明在储能软包大模组设计过程中,泡棉的选型、端板的材料、端板固定螺栓的数量与强度非常重要,良好的设计方案可以降低甚至避免电池膨胀力对模组结构产生的影响,提高模组的结构稳定性,使模组具有更好的安全性以及更长的使用寿命。

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    固体电热储能装置热工与储能性能测试平台设计
    张超, 邢作霞, 付启桐, 姜立兵, 陈雷
    2023 (2):  585-592.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0590
    摘要 ( 207 )   HTML ( 29 )   PDF(3244KB) ( 97 )  

    该平台以GB/T39288—2020《蓄热型电加热装置》中提出有关固体电热储能装置的热工性能测试方法及流程为蓝本,参考了国内外标准,专门针对固体电热储能装置,进行纯储热工况、纯放热工况、边储边放工况全工况测试,改善并补充了固体电热储能装置热工与储能性能测试。该平台改进了GB/T 39288—2020的试验流程,结合非制热状态下的放热测试和制热状态下的放热测试,能够进行固体电热储能装置热工与储能性能标准测试。为了验证该平台可靠性,对某固体电热储热装置进行一次标准测试,记录其试验时的电量、时间、温度等参数,画出试验时温度曲线、加热丝电流电压曲线、热输出负荷曲线,通过改进、补充的公式计算了固体电热储能的热工与储能性能;利用计算结果画出了在额定热输出功率下的储能性能图。该图清晰展示了固体电热储能装置的有效释放的温度范围,储能能力,以及能量利用情况。本次测试结果与理论值、经验值相近,证明该平台可以作为设备商自检或教学使用的测试平台。该平台还留有自定义热负荷曲线功能,可以帮助教学者和学习者在真实的工况下,对固体电热储能装置进行研究和学习。

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    基于LO-RANSAC的锂电池极片表面痕类缺陷检测
    姜宝超, 曾勇, 韩有军, 胡跃明
    2023 (2):  593-601.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0678
    摘要 ( 292 )   HTML ( 33 )   PDF(2318KB) ( 207 )  

    针对锂电池极片表面的痕类缺陷检测准确率低、误检率和漏检率高的问题,提出了一种基于局部最优化的随机抽样一致性(locally optimized random sample consensus, LO-RANSAC)的痕类缺陷检测算法。首先,针对锂电池极片表面存在的椒盐噪声、大噪点多的问题,提出了一种改进的自适应中值滤波和基于连通域的滤波算法。其次,针对检测痕类缺陷准确率达不到预期以及误检率漏检率较高的问题,引入一种局部最优化的RANSAC算法。最后,给出了一种基于LO-RANSAC的痕类缺陷分类方法。实验结果表明:本文所提算法相较于标准RANSAC检测准确率提高了5.9%,相较于基于卷积神经网络算法准确率提高了15%,达到了98.2%;多种算法中本工作算法对于痕类缺陷的检测误检率和漏检率最低;平均检测速度较标准RANSAC算法提高了1.7倍,每秒钟检测的图片数量FPS(frame per second)达到12.49。本工作算法具有较高的检测准确率、较低的误检率及漏检率,检测速度达到实时检测要求,因此可满足锂电池极片表面的痕类缺陷检测需求,解决了锂电池极片表面痕类缺陷自动检测难题。

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    基于GAPSO-FNN神经网络的锂离子电池传感器故障诊断
    王志福, 罗崴, 闫愿, 徐崧, 郝文美, 周聪林
    2023 (2):  602-608.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0403
    摘要 ( 295 )   HTML ( 31 )   PDF(3709KB) ( 182 )  

    新能源汽车的动力电池内部存在多种传感器用来进行电池系统的安全监测,而传感器故障会导致荷电状态等指标出现误差,严重时会触发电池热失控的风险。为了有效准确地进行电池传感器故障诊断,提出基于遗传算法优化粒子群算法(genetic algorithm optimized particle swarm optimization,GAPSO)和模糊神经网络(fuzzy neural network, FNN)的锂离子电池传感器故障诊断方法对锂离子电池的传感器进行故障诊断,该方法使识别故障准确率迅速提升。本工作首先通过硬件平台和Matlab/Simulink环境相结合的方式获取电池传感器故障的数据,然后对故障数据进行预处理及特征提取,最后采用GAPSO-FNN算法对电池传感器进行故障诊断,并与传统神经网络和模糊神经网络方法的结果进行对比。仿真结果表明,基于GAPSO-FNN的锂离子电池传感器故障诊断方法相比于传统的神经网络方法测量准确率提升了25%,相比于模糊神经网络准确率提升了10%,故障诊断准确率能够达到95%,在减少故障诊断所需信息量的同时,有效地提升了故障诊断的准确率。

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    电化学阻抗谱识别不同化学体系退役动力锂离子电池
    王放放, 冯祥明, 赵光金, 夏大伟, 胡玉霞, 陈卫华
    2023 (2):  609-614.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0486
    摘要 ( 340 )   HTML ( 67 )   PDF(738KB) ( 430 )  

    退役动力锂离子电池梯次利用可充分提高动力电池的经济性,然而目前动力电池标识信息混乱、电池荷电状态差异和工作电压重叠均导致无法直接或依据开路电压准确分辨磷酸铁锂动力电池与镍钴锰三元动力电池。为此,基于动力锂离子电池的结构和等效电路,建立了容量与动力电池界面电容、反应电阻、韦伯阻抗和液相电阻的对应关系,通过分析动力电池容量对电化学阻抗实部和虚部的影响探讨了利用阻抗法快速识别退役动力锂离子电池化学体系的可能性。结果表明电化学阻抗实部与虚部的比值与电池容量无关,据此可利用该比值随频率的变化差异快速识别不同化学体系的动力锂离子电池,从而避免依据充放电判断电池化学体系的低效率。此外,软包装磷酸铁锂和镍钴锰三元电池的测试结果也表明10 Ah、12.5 Ah和50 Ah的磷酸铁锂电池阻抗虚部与实部比值随交流信号频率的变化基本相同,但与镍钴锰三元电池明显不同,初步验证了该方法的有效性。

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    储能技术经济性分析
    中国、日本、韩国电池技术和产业发展战略态势分析
    史冬梅, 王晶
    2023 (2):  615-628.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0641
    摘要 ( 791 )   HTML ( 154 )   PDF(925KB) ( 803 )  

    当前全球动力电池市场中,中国、日本、韩国三国占据了超过90%的市场份额。自2020年以来,我国动力电池行业呈现出持续增长的趋势,而韩国、日本动力电池的份额持续下降。随着全球电动汽车市场的快速扩张以及欧美布局电池技术和产业,未来全球电池行业的竞争将越发激烈。本文介绍了韩国、日本政府为应对新的竞争局势,出台的电池技术和产业发展战略和措施,以及韩国、日本主要电池企业和汽车企业加大电池产业和技术投入、扩大市场方面的发展现状,梳理和分析了韩国、日本电池技术和产业发展态势,其新战略实施将对韩国、日本本国电池产业技术提升、创新生态建设、供应链安全、拓展全球市场起到积极作用。本文总结了近年来我国电池领域的国家政策、技术和产业发展特色,提出韩国、日本电池领域新战略举措对我国电池技术和产业发展的影响、启示及相关对策建议。

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    资讯聚焦
    蓄电池充放电计算机监测控制系统的应用
    王康
    2023 (2):  629-630. 
    摘要 ( 89 )   HTML ( 31 )   PDF(361KB) ( 104 )  
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    计算机技术在阀控式密封铅酸蓄电池槽设计中的应用分析
    束娜, 范荣奇, 孙鹏, 谭玲玲
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    摘要 ( 109 )   HTML ( 18 )   PDF(303KB) ( 232 )  
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    风电装置中飞轮储能系统的优化设计探究
    苏磊
    2023 (2):  637-638. 
    摘要 ( 75 )   HTML ( 41 )   PDF(295KB) ( 120 )  
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