不同放电倍率下软包锂离子电池非均匀生热表征方法

软包锂离子电池非均匀的温度分布严重影响其循环性能、使用寿命和安全性。针对软包锂离子电池生热的建模表征复杂且精度不高的问题,提出了一种基于生热分布因子的软包锂离子电池非均匀生热表征方法。将电池划分成不同区域,并将生热分布因子引入Bernardi生热公式中获取不同区域的生热率;通过传热和优化数值模拟求解电池的温度分布,同时辨识不同区域的生热分布因子,分析了软包电池生热非均匀分布特性;采用三次样条差值法推导了生热分布因子与放电倍率的对应关系,研究了不同放电倍率下生热分布因子的演化规律。实验结果表明,该方法所建立的热模型在2.75 C和3.75 C下的温度估计值的平均绝对百分比误差最大不超过1.55%,该方法能够准确估计电池非均匀的生热率,并实现电池温度分布特性的有效表征。

基于阻抗在线测量的锂离子电池过放电诱发内短路识别研究

锂离子电池的过放电行为可诱发内短路进而可能导致热失控。由于单体电池一致性差异和过放电导致的内短路初期电、热特征不明显,使得电压和温度等常规物理参数难以可靠实现故障预警,而阻抗可以反映电池内部信息,对故障状态具有较好的指示能力。该文通过分析锂离子电池过放电诱发内短路引起阻抗变化的机理,基于设计的阻抗在线测量装置,确定用于监测电池内短路故障的特征阻抗频率为70 Hz,获取过放电诱发内短路过程中特征频率下动态阻抗及阻抗变化率,提出一种基于动态阻抗特征的内短路在线识别方法并验证了方法的可靠性。实验结果表明,锂离子电池放电过程中动态阻抗半正弦变化特征可提前约144 s实现过放电预警,动态阻抗针状变化特征可提前约152 s实现内短路故障预警,动态阻抗明显回升特征可作为内短路发生的标志。此外,阻抗变化率特征有助于实现锂离子电池故障识别及预警,该方法在锂离子电池故障在线快速诊断中具有重要的应用潜力。

锂离子电池阻抗在线测量装置设计

锂离子电池的交流阻抗能够反映电池内部信息,是电池状态在线监测的有力工具。阻抗在线测量装置的设计是实现基于阻抗的电池状态在线估计及故障预警技术的关键。本文基于嵌入式微控制器设计了锂离子电池交流阻抗在线测量装置,采用全相位快速傅里叶变换算法将时域数据转换到频域,并对转换结果进行插值运算,实现了0.01 Hz~10 kHz频率范围内交流阻抗的在线测量,有效解决了当前阻抗在线测量装置基于传统快速傅里叶变换算法所产生的频谱泄露、栅栏效应以及相位计算不准确的问题。通过对不同容量、不同正极材料的电池进行静态和动态阻抗测量,验证了装置的可靠性与快速性,并且放电末期动态阻抗急剧变化特征对电池的状态具有一定的指示能力。本文设计可方便集成于电池管理系统中,在锂离子电池状态在线估计及故障预警等方面具有一定的应用价值。

基于电极等效电路模型的锂离子电池无析锂快充策略优化研究

析锂是制约石墨阳极型锂离子电池快充安全与效率的关键问题。为了保障车载电池充电安全、缓解新能源汽车里程焦虑,有必要针对锂离子电池开展无析锂快充研究。鉴于此,该文基于锂离子电池电极等效电路模型,提出一种由阳极电势观测器和充电电流控制器组成的双闭环无析锂快充策略调控方案,实现了锂离子电池的无析锂安全快充。实验结果表明,不同工况下的阳极电势平均观测误差均低于5 mV,最大误差不超过10 mV;在电流调节过程中,阳极电势到达并稳定在设定阈值+1 mV范围内的调节时间为26 s,稳态误差小于0.05 mV,并且无超调和振荡。此外,与1C恒流恒压策略相比,该策略能节省46%的充电时间,充电过程中阳极电势最低为4.8 mV,且将锂离子电池拆解后也未发现析锂,证明该策略能明显缩短充电时间并有效抑制析锂。

锂离子电池微过充循环老化特性与失效机理研究

锂离子电池在实际工作中会因为电池组的不一致性或充电系统故障而出现微过充现象,长期循环会引发安全隐患。为探究微过充循环对锂离子电池老化特性及其失效机理的影响,将电池分别过充至不同截止电压,应用电化学阻抗谱、弛豫时间分布和容量增量分析等技术对其进行老化分析,并结合拆解后电极的扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)表征加以验证。实验结果表明,与正常循环相比,微过充循环会显著加速电池老化,导致电池比容量衰减速度加快;随着循环次数的增加,电池内部的可用锂离子和活性材料不断消耗,电池各类阻抗明显增加,其中4.5 V微过充循环电池的电荷转移电阻较初始状态增加了196.15%;微过充循环还会加剧电池极化现象,降低材料的循环稳定性;微过充循环后,电池的活性材料逐渐从集流体上脱落,正极材料的活性颗粒破裂,负极材料表面固体电解质界面(SEI)膜增厚,F、P元素含量显著增加。

锂离子电池超声传播特性温度解耦方法研究

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。

基于Apollo-BiGRU模型的磷酸铁锂电池SOC估算

由于磷酸铁锂电池开路电压与SOC之间曲线较为平坦,电信号对于SOC变化敏感度较低,严重影响估算精度。超声技术可以检测因材料物理性质改变而引起的电池声学特性差异,进而表征电池状态。本文提出一种基于高相关超声特征及Apollo优化算法的BiGRU网络模型的磷酸铁锂电池SOC估算方法。首先,开展电池充放电过程中超声检测实验,基于波形和统计角度提取并选择高相关性超声时频域特征;然后,对比多种先进数据驱动模型及优化算法,研究基于Apollo-BiGRU深度网络模型的SOC估算方法;最后,在不同电流倍率下实现该方法的准确性和可靠性验证。研究结果表明,不同电流倍率下SOC估算的平均绝对误差和均方根误差分别低于1.26%和1.46%,验证了该方法的可行性。

电磁超声换能器的三维有限元分析

电磁超声换能器在工作中涉及到电场、磁场、力场和声场的相互耦合和转化,变量较多,尤其是在声场分析时更为复杂。本文采用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器进行仿真,得到了电磁超声换能器换能过程中其电场、磁场、力场的分布规律和主要特征;在电磁场模型的基础上,通过电磁结构耦合建立了声场模型,分析了表面波在被测试件中的辐射声场分布、指向性等规律,仿真结果和理论分析相吻合。

电磁超声检测系统中消除电磁干扰电路的设计

电磁超声技术作为一种非接触式探伤技术在恶劣工况条件下具有广泛的应用前景,然而其发射电路产生的以共模噪声为主的脉冲电磁干扰会影响检测电路的接收效果进而产生误检。针对该问题,设计了消除电磁干扰的硬件电路,构建了具有高速、高共模抑制比、高输入阻抗以及低噪等特点的复合仪表放大器。电路用高速低噪双通道ADA4817-2作为输入增益级放大器,后接高共模抑制性能的AD8429仪表运放,提高了电路对噪声的抑制能力。在工况下进行测试,结果表明该电路能够实现共模噪声的有效消除。

电磁超声激励系统阻抗匹配网络的设计

电磁超声换能器的换能效率低是限制电磁超声技术广泛应用的一个重要因素，如何提高换能器的换能效率一直都是电磁超声领域的研究重点。激励线圈作为激励系统中十分重要的一部分，其激励电流的大小决定试件表面产生电磁力的大小。但是，由于线圈和功率放大器之间存在严重的阻抗失调，使其流过的电流及获得的功率不是很理想。为此，根据电抗元件网络可精确实现调谐和变阻的特性，结合二进制的组合方式，设计了能够匹配多种频率线圈的电抗网络。该网络的接入可实现功率源和负载之间的最大功率传递，提高加载在线圈上的电流，为电磁超声激励提供较大的能量。仿真和实验结果表明：该匹配网络能在0.5～5MHz宽频率范围内有效地提高电源的输出效率，提升电磁加载的信噪比及转换效率，为电磁超声的后续研究奠定基础。

钢板电磁超声表面波的仿真分析及缺陷定量检测

电磁超声换能器(EMAT)的换能机制与被测试材料的电磁特性密切相关,EMAT对不同电磁特性材料的响应不同。铁磁材料具有磁致伸缩效应,磁致伸缩的非线性导致其电磁超声换能机制变得复杂。该文依据铁磁材料的本构方程,考虑洛伦兹力、磁致伸缩效应和磁化力的共同作用,建立含有矩形槽裂纹钢板的电磁超声换能器有限元模型,仿真分析表面波对钢板中缺陷的响应特性,得出缺陷深度与反射系数、透射系数的关系,为钢板裂纹缺陷定量检测奠定基础。最后,对标准试件的不同深度裂纹进行实验研究,验证了仿真分析的正确性和有效性。

非线性电磁超声对铝合金拉伸变形评价研究

非线性系数是描述材料中微纳尺度损伤的特征参量,非线性系数常通过接触式压电超声进行检测,但耦合剂引起的非线性一般是未知的,针对这一问题,提出了一种非接触式电磁超声非线性纵波检测方法。该方法基于洛伦兹力机理在试件表面产生的振动弹性波,利用不同拉伸载荷下所制备的损伤试件,分别利用压电超声、电磁超声进行非线性超声系数测量。实验结果表明:利用两种非线性超声检测的相对非线性系数与铝合金的拉伸形变呈单调关系,同时也论证了电磁超声纵波基于非线性理论对塑性变形评估的可行性。

无单元法在电磁场数值计算中的应用研究

无单元法的突出特点是可以求解复杂边界条件的边值问题 ,它可以根据场函数的特性布置随机节点 ,只需节点信息 ,无需单元信息 ,解决了有限元方法中前处理困难的问题 ,它的理论基础是滑动最小二乘法。其基本思想是将计算场域离散成若干节点 ,由滑动最小二乘法来拟合场函数 ,从而摆脱了单元的限制 ,具有精度高、计算速度快的特点 。

电磁声发射技术在无损检测中的应用

电磁声发射技术是通过对导电部件进行电磁加载产生洛仑兹力,进而激发声发射效应,并通过此效应来进行无损检测。它可以定位薄金属板中微小的缺陷或裂缝,而且不需要完全加载,集合了电磁无损检测技术和声发射无损检测技术的优点。建立了电磁声发射的有限元模型,分析了试件在不同加载条件下的形变,对比了几个加载因素对电磁声发射的影响,并对试件进行了温升分析。在数值分析的基础上进行了电磁声发射实验,得到了电磁声发射信号,并对缺陷进行定位。

基于FPGA的超声信号自适应滤波与特征提取

针对电磁超声特征信号的非线性、非平稳特性,存在传统降噪丢失成分、特征难以提取的问题,该文提出一种用于电磁超声信号的自适应滤波和经验模态分解(EMD)方法相融合的数据处理算法。首先,对超声信号进行稳定性评估,在此基础上采用自适应滤波对电磁超声信号进行降噪处理,融入EMD的自适应滤波对特有频率噪声更敏感,利用EMD分解出不同时间尺度下波动时频信息及所包含的噪声频率成分,实现表征提取;然后,对EMD降噪后的超声信号进行重构,可消除频率混叠现象,并基于现场可编程门阵列(FPGA)实现了对电磁超声信号的实时降噪和特征提取,为进一步缺陷识别、缺陷评估便携化奠定了基础。最后,分别对带有微裂纹、塑性损伤的铝板进行实验研究,验证了该方法的有效性。该方法具有信噪比高、可实时提取时频信息和有效信息丢失少等特点,能对铝板中缺陷进行有效识别。

基于LabVIEW的电磁超声无损检测系统的设计

针对无损检测技术智能化的需求,提出一种基于Lab VIEW的缺陷在线识别方法。对电磁超声信号进行时域、频域及时频域结构的特征提取,并采用基于类内类间平均距离和序列前向选择相结合的方法进行特征选择;构建基于支持向量机(SVM)的监督学习模型和多种半监督学习模型,并分别进行缺陷识别,结果表明S4VM(S4VM)是一个相对安全的半监督支持向量机;搭建电磁超声无损检测系统,并进行缺陷在线识别实验,实验结果验证了系统的可靠性,并可实现电磁超声缺陷识别的图像化、数字化、智能化和系统化。

基于超声时域特征及随机森林的磷酸铁锂电池荷电状态估计

荷电状态(SOC)是电池管理系统中的重要监测指标。磷酸铁锂电池因开路电压与SOC曲线过于平坦而导致电信号对SOC变化不敏感,从而难以实现精确估计。超声信号可以检测电极材料物理性质变化,继而建立构效关系来表征电池状态。该文融合高相关性超声特征和低复杂性回归模型提出了一种磷酸铁锂电池平台期SOC估计方法。首先,分析超声波发射频率、电流倍率和温度等不同条件下常规超声特征与SOC的一致性和相关性变化;然后,基于超声结构特征进一步扩展多维高相关性超声时域特征;最后,对比多种数据驱动和模型驱动方法后提出一种基于随机森林的SOC精确估计方法。实验结果显示,不同动态工况下SOC估计的方均根误差和平均绝对误差分别低于1.9%和1.6%,验证了此方法进行SOC估计的可靠性与准确性。

应用CCK8法检测鸡淋巴细胞活性的检测最佳条件研究

为了研究应用CCK-8法检测鸡淋巴细胞增殖的体外培养最佳条件,试验设置了不同种板细胞数、血清浓度、培养时间、孵育时间和检测波长等条件对其进行比较研究。结果表明:1 750 r/min转速的改良鸡外周血淋巴细胞分离方法效果最佳;在体外增殖培养试验中,CCK-8加样4 h后在450 nm波长处检测OD值最理想,培养时间以44 h为最佳;在细胞数量一致的情况下,胎牛血清浓度为5%或者为10%差异不显著(P>0.05)。当细胞悬液浓度为1×10~6个/m L时,加入100,50,25,12.5μL不同细胞数,4组间比较均差异显著(P<0.05),并且随着细胞悬液浓度的增加OD值增加;最佳铺板细胞的细胞悬液浓度为2.0×10~6~3.0×10~6个/m L,取50~100μL为宜,即最佳细胞铺板数量控制在每孔1.5×10~5~2.0×10~5个/100μL。说明应用CCK-8法检测鸡外周血淋巴细胞活性的最佳条件除种板细胞数不同外,在检测波长、血清浓度、加样后孵化时间等方面与其他动物试验差别不大。

电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响

Lamb波因其指向性好、传播距离远、检测效率高等优点而被广泛应用于构件的无损检测中。但是,Lamb波在激发过程中往往是两个或多个模态同时被激发,而且通常每个模态波包的传播速度不尽相同,这就导致不同模态的Lamb波在后续信号分析中相互干扰,尤其是在缺陷信号的识别中。该文在分析Lamb波多模态特性的基础上,研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响,通过对电磁超声换能器加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制,提高了对应模态Lamb波的激发效率,并且增强了对非主模态Lamb波的抑制效果,从而减小了后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的识别、定位提供有效信息。

电磁超声管道周向兰姆波仿真分析及缺陷检测特性研究

根据管道周向兰姆波(CLamb波)在管道中对称传播的特点,采用有限元软件仿真分析了管道周向兰姆波的传播特性,得到CLamb0、CLamb1模式沿管道周向传播的规律。在研究兰姆波声场特征的基础上,建立含有槽型缺陷的有限元模型,仿真分析了缺陷两侧周向Lamb波的响应特性,并对周向兰姆波遇到缺陷时的模式转换进行了仿真分析,得出缺陷深度和埋深与反射波幅值、透射波幅值的关系,为管道裂纹缺陷的定量检测奠定了基础。最后,对铝材管道中两种不同深度的缺陷进行了实验研究,证明了仿真分析的正确性和有效性。