基于简化阻抗模型和比较元启发式算法的锂离子电池参数辨识方法

快速准确地辨识电化学参数对锂离子电池机理建模至关重要。而传统的参数辨识方法多采用直接拟合,难以精确反映电池的内部状态。为解决这一问题,本工作以37 Ah三元电池为研究对象,基于电化学反应中的法拉第过程、双层电容的弥散效应的非法拉第过程以及固相与液相的传导过程,构建了一个与电化学模型映射的修正简化阻抗模型,与伪二维(P2D)模型不同,该模型输入为不同荷电状态(SOC)下的三电极电化学阻抗谱(EIS),通过拟合EIS得到对应工况电化学参数,实现对电池模型准确的参数识别。通过拟合阻抗谱,辨识得到了16个高敏感度的电化学参数,其中正极7个、负极9个。我们进一步比较了66种元启发式算法在锂离子电池电化学参数识别中的性能表现,从识别精度、计算效率和鲁棒性等方面对其进行多维分析。研究结果表明,自适应差分进化算法在参数识别中综合效果最佳,其平均绝对百分比误差小于3%,非重复函数计算次数小于35000次,表明其达到最大准确度的同时运算量较低,提出的辨识方法不仅更好地反映了参数的物理意义,还为电化学模型的简化计算和在线辨识提供了有力支持。

电阻抗断层成像在评估脑损伤患者中的应用价值

电阻抗断层成像(electrical impedance tomograph,EIT)通过测量体表电极之间的传递阻抗来估计组织电特性的空间分布。EIT在医学成像,特别是在脑损伤患者的评估中,展现出了巨大的应用潜力。本篇综述介绍EIT在脑损伤患者评估中的应用进展,包括脑卒中、脑水肿和癫痫灶的诊断和监测,在脑卒中研究中,连续实时EIT监测可早期发现颅内病变,区分脑卒中类型,改善患者预后。对于脑水肿,EIT可实时监测颅内压和评价脱水治疗效果。在癫痫方面,可用于癫痫病灶定位以及癫痫发作监测。本文还对EIT目前存在的问题进行了总结,探讨其技术挑战与未来发展方向。

考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗建模方法

海上风电经柔直并网系统的阻抗模型是其稳定分析的基础。然而,现有阻抗建模方法忽略海上风电与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)间的阻抗耦合,可能导致系统稳定性判定失准。为此,该文提出一种考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗精确计算方法。首先,采用谐波状态空间理论(harmonic state-space,HSS)建立MMC与风电机组的序阻抗模型;在此基础上,分析风电机组与MMC两者交流端口电压、电流与阻抗的相互耦合机理,以获得风电机组与MMC交流等效阻抗;最后,提出风电机组与MMC阻抗耦合度指标,以量化分析不同控制环节对风电机组与MMC的耦合程度的影响。在MATLAB/Simulink搭建海上风电经柔直送出系统仿真模型验证该文所建模型的精确性及阻抗耦合度的对系统稳定性的影响,并通过RT-Lab硬件在环实验证明该文所建模型在系统稳定性分析中有效性。

基于电化学阻抗谱的锂电池过充电阻抗特性与检测方法研究

目前以锂电池为主的电化学储能单元及系统应用日益广泛,而锂电池在实际使用中频发因过充电滥用引发电池故障的情况,因此实际电池的过充电状态准确检测一直是该领域的难点和瓶颈问题。针对此,该文采用电化学阻抗谱技术对单体电池过充电行为及过程开展检测研究,在实验室设计并制定电池过充电模拟循环实验,利用弛豫时间分布法对锂电池阻抗特性进行分析;在获得电池阻抗特性的基础上,对电池弛豫时间分布曲线进行解析;最后筛选阻抗特征参量为模型输入量,构建支持向量机模型进行电池过充电检测。结果表明,弛豫时间分布曲线中的极化峰P1对应锂离子在固态电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜中的扩散过程、极化峰P2对应电子在正极材料中的扩散过程、极化峰P3对应锂离子在电极界面的氧化还原反应。过充电会导致电池欧姆内阻、SEI膜内阻与电荷转移电阻的增长速率最大为正常循环的266%、360%和182%,其中固态电解质界面SEI膜内阻为主要因素。电化学阻抗谱的阻抗特征参量以及支持向量机模型可以用于锂电池过充电检测,估计精度达93.24%。不仅可掌握电池的运行状态,还可对过充电进行有效辨识。

基于单频阻抗的锂离子电池热失控分级预警

潜在的热失控风险,特别是过充电,可能会引发锂离子电池的安全事故。以电化学阻抗谱(EIS)为基础,采用单频阻抗X_(1Hz)和X_(400Hz)实现电池内部阻抗的实时检测。在不同充电倍率、环境温度和健康状态下进行验证,特征阻抗表现出很好的稳定性。基于X_(1Hz)和X_(400Hz)的单频阻抗,提出一种热失控安全分级预警方法,并验证该方法的可靠性。该方法的最后一级预警可在热失控前5 min以上发出安全预警。

高渗透率下基于并网逆变器阻抗重塑的锁相环设计方法

针对锁相环、电网阻抗与并网逆变器相互耦合所引发的系统稳定性下降问题。首先,建立考虑电网阻抗的锁相环控制结构模型,通过分析锁相环闭环传递函数可知,电网阻抗会使锁相环系统产生右半平面闭环极点,严重影响锁相环与逆变器系统的稳定性。其次,通过分析逆变器系统输出阻抗,说明锁相环所引入的负阻抗是逆变器系统稳定裕度下降的主要原因。鉴于此,该文提出一种新型锁相环设计方法,理论分析表明,所提方法既能够保证高渗透率下锁相环具有高鲁棒性,又能够对逆变器系统输出阻抗进行重塑,有效拓宽系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提新型锁相环设计方法的有效性。

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。

基于等效序阻抗差异特征的低频输电线路差动保护优化方案

低频输电线路故障时,两侧短路电流均由模块化多电平矩阵变换器提供,两侧短路电流相角均受控且幅值相当,导致差动保护灵敏度严重下降。分析了低频输电系统定电压控制侧和功率控制侧的等效正、负序阻抗特征,指出因控制策略不同,系统故障时两侧等效正、负序阻抗特征存在明显差异。分析了低频输电线路区内和区外故障两侧保护装置测量到的等效序阻抗之间的差异性和相似性,基于此特征构建了两侧等效序阻抗差异指标,提出了基于等效序阻抗差异指标的差动保护制动系数优化方法。仿真结果表明,所提方案能够显著提升低频输电线路区内故障时差动保护的动作速度和动作灵敏性。

弱电网下基于电网电压前馈的并网逆变器阻抗重塑控制策略

弱电网下,锁相环在基波以上频段引入的负阻特性,会降低系统输出阻抗的相位,严重影响系统稳定性。鉴于此,该文通过系统控制框图等效变换,推导得到可以消除锁相环负阻特性的电网电压前馈函数,进而提出一种基于电网电压前馈控制的并网逆变器阻抗重塑控制策略。同时,为了提高该策略的普适性,该文利用函数近似和多目标约束为电网电压前馈函数的优化提供两种设计方法,并从系统基波电流跟踪性能、并网功率因数等方面进行误差分析,从而证明其函数优化设计方法的可行性。理论分析表明,优化后的电网电压前馈控制策略,可以有效地对系统输出阻抗相位特性进行重塑,很大程度上拓宽了系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

并网逆变器整体序阻抗建模方法及其稳定性分析

在高比例新能源电力系统中,并网逆变器与电网的动态交互作用使得系统谐波谐振问题凸显且日趋复杂。以三相平衡系统为研究对象,研究abc坐标系下考虑正负序频率耦合以及逆变器与电网阻抗交互影响的并网系统整体序阻抗建模方法,以避免行列式计算,并率先提出并网系统整体阻抗测量方法;进而在整体阻抗模型基础上,提出一种频域阻抗稳定性判据和振荡频率预测方法,可建立频域阻抗判据与并网系统物理环节的联系,以大幅降低频域阻抗判据误判的风险;最后,通过MATLAB/Simulink仿真扫频验证了系统整体阻抗模型的正确性,并通过RTLAB硬件在环实验证明其可用于新能源并网系统的稳定性判断,并具有谐振频率预测精度高的优点。

变阻抗高温超导限流器的限流特性研究

超导限流器在系统短路限流中具有良好的应用前景,但是电阻型超导限流器在深度限流后难以快速恢复,针对此问题本文提出了交流系统中的一种基于组合超导线圈的变阻抗超导限流器,能在增大限流率的同时显著缩短主通流支路超导带材的通流时间。基于单根超导带材的实验结果在Simulink中依次建立了单根超导带材和变阻抗超导限流器的R-Q仿真模型,仿真分析了变阻抗超导限流器的限流性能和恢复性能,并通过实验验证了仿真结果的准确性,最后在10 kV交流电力系统中分析了变阻抗超导限流器的限流效果。结果显示,本方案超导限流器的主通流和主限流线圈带材根数之比为2∶1时,限流阻抗能增大到常规超导限流器的3倍以上,能有效提高电力系统的稳定性。

构网型变流器多环控制阻抗建模与稳定性分析

构网型变流器的控制方式按照是否存在电压电流控制双环可以分为只含有功率控制环的单环控制和含有功率控制环和电压电流控制双环的多环控制。两种控制方式并网运行特性在不同频段有较大区别。该文首先建立考虑电压电流解耦控制双环的构网型变流器多环控制序阻抗模型,对比分析两种控制方式对变流器输出阻抗的影响;其次针对加入电压电流控制双环造成的低频相位裕度不足问题,提出引入虚拟阻抗方法提高变流器并网稳定性;最后利用仿真与实验验证了稳定性分析的准确性。

V_(1)导联r'波振幅结合阻抗变化评价左束支区域起搏电极植入深度的研究

目的:探讨左束支区域起搏时,V_(1)导联r’波振幅结合阻抗变化判断电极植入的合适深度。方法:纳入2019年1月1日至2021年12月31日于南昌大学第二附属医院就诊的心脏结构正常、有起搏器植入指征并行左束支区域起搏的住院患者78例,收集患者基线数据、术中数据和影像学资料,以及术后3、6、9和12个月的随访情况。将起搏时V_(1)导联r’波振幅、阻抗、电极植入深度进行线性相关性及回归分析。结果:78例患者中70例(89.7%)起搏时V_(1)导联QRS波末端出现r’波,8例(10.3%)QRS波表现为r S、RS型或终末端无r’波。线性相关性分析显示,r’波振幅与电极植入深度呈正相关(r=0.424,P<0.01),与阻抗呈负相关(r=-0.256,P=0.03);电极植入深度与阻抗无明显相关性(r=-0.132,P=0.27)。回归分析显示,电极植入深度是r’波振幅的重要影响因素(回归系数=0.056,P=0.000)。结合建立的回归模型和阻抗大小显示,V_(1)导联r’波振幅在0.24~0.69 mV范围内,阻抗在648.30~828.90Ω之间,电极植入深度6~11 mm最合适,穿孔风险小,且能较大概率成功夺获左束支,起搏参数满意,起搏QRS波时限较窄。在术中、术后48 h及12个月随访期间内,患者均未出现电极穿孔、血栓栓塞、心脏填塞、感染、导线脱位等并发症。结论:左束支区域起搏是一种安全可行的起搏方式。在左束支区域起搏时,V_(1)导联r’波振幅在一定合适范围内,并结合阻抗变化可指导左束支区域起搏,有助于降低电极穿孔的风险。

基于单边调制映射函数的LCC-HVDC直流侧阻抗精确建模

阻抗模型是电网换相换流器型高压直流输电系统小信号稳定性分析的重要基础,阻抗模型的准确程度直接影响系统小扰动稳定性分析。该文首先从同步触发原理出发,引入基于单边调制产生的映射函数,该函数蕴含控制及换相信息,可以准确建立换相/非换相期间交直流侧的映射关系;其次,考虑换相动态并通过谐波线性化和傅里叶变换建立完整的直流侧电压和交流侧电流的频域小信号动态模型;再次,考虑控制和换流阀阻尼回路,建立整流侧和逆变侧直流阻抗解析模型;最后,以CIGRE高压直流标准测试模型为例,基于PSCAD/EMTDC平台验证了直流侧阻抗模型的准确性及其用于小扰动稳定性分析的有效性。

频率波动下基于并网逆变器的电网阻抗在线测量方法

电网频率波动和测量频率对电网工频阻抗的准确测量有着较大的影响。为此,对影响电网阻抗测量准确度的主要原因进行了理论分析,提出了一种基于互补电流信号注入的在线阻抗测量方法。该方法通过在基波电流相位相同处注入相邻的两段互补扰动电流,运用基波消去的方法降低了基波泄漏影响,相对地提高了测量信噪比;在减小电网频率波动对测量影响的同时,使测量频率可以更加接近工频。通过对比仿真和实验,证明该方法在实际电网工频阻抗测量中具有更高的准确度。

PEMFC冷启动过程阻抗谱及特征频率分析

为优化质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷启动过程,提供足量的反馈数据十分必要,常见的阻抗谱和等效电路因其获取周期较长,无法提供足量且实时的反馈。为此,本文在COMSOL中建立冷启动阻抗模型,结合试验分析其阻抗谱变化,分别在高、中、低频区间提出特征频率1 kHz、50 Hz和1 Hz用于表征燃料电池冷启动过程。研究发现,上述特征频率在冷启动的前、中、后3个阶段变化显著,在特征频率1 kHz、50 Hz和1 Hz下阻抗的变化倍率分别为0.38、0.31和1.47。相较于获取完整的阻抗谱和拟合等效电路,在保留了特征信息的情况下提高了采集数据的实时性。因此,可利用特征频率点的阻抗表征冷启动过程,为实时监测冷启动内部状态提供条件。

电阻抗成像在呼吸疾病中的应用进展

电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)通过在人体胸部环绕16~32个电极,并持续注入安全电流,由于呼吸过程中肺的膨胀与收缩引起肺毛细血管血流以及气流改变等,即肺部电阻的改变,基于欧姆定律重建胸腔电阻抗分布从而形成肺的呼吸模式图(图1)。EIT是一种新兴的无创无辐射的床旁肺通气监测技术,可实时显示肺部通气甚至血流灌注的分布。

基于阻抗测量信息的电气化铁路“多车共网”系统稳定性分析

阻抗测量技术能够准确地获取“牵引供电网-列车”(简称“车-网”)系统的宽频阻抗特性,但在阻抗测量信息的利用方面目前多是针对单车系统的稳定性分析,缺少对“多车共网”系统宽频稳定性问题的分析。因此,该文提出一种基于牵引供电网与列车阻抗测量信息的“多车共网”系统稳定性分析方法。首先,利用阻抗测量的方式获取牵引供电网节点阻抗矩阵与列车阻抗信息;然后,建立“多车共网”系统模型,采用基于阻抗回差矩阵行列式的稳定性分析方法,分别从低频到高频分析了电气化铁路中低频振荡、谐波谐振和谐波不稳定三类典型振荡问题,并给出相关的振荡信息,实现多类稳定性问题的统一分析;最后,利用Matlab/Simulink仿真验证了所提稳定性分析方法的有效性。

阻抗孔位置及直径对含长连接管调压室阻抗特性和三维流场影响研究

含长连接管的调压室可通过在连接管内设置小于其管径的阻抗孔来增强调压室的阻抗特性。为研究长连接内阻抗孔的位置及直径两种因子对此类调压室阻抗特性的影响规律,以水头损失系数和流量系数为优化目标,以位置和直径为优化变量,基于正交优化设计方法和CFD数值模拟软件,计算分析了各组合方案下的调压室阻抗系数和三维流场的变化规律。结果表明,阻抗孔前后水流湍流强度增幅明显,距离连接管两端端部越近,对调压室大井和管道系统内流场影响程度越大;当阻抗孔位于连接管顶部与调压室大井连接处,可最大程度发挥阻抗孔的阻抗效果,以阻抗孔与连接管管径比0.8为例,水头损失系数增幅约30%;连接管直径增大有效降低调压室局部流场压强最值浮动范围;阻抗孔位于靠近连接管顶部且不在大井连接处时,水流流出调压室时连接管及下游隧洞总体湍流强度较小,流场更稳定。

基于DK-SVD的深度学习电阻抗块稀疏成像方法研究

针对电阻抗层析成像逆问题的病态性和非线性,提出一种基于DK-SVD的电阻抗块稀疏图像重建方法。该算法通过多层感知器为每组测量数据提供最优的模型参数,以适应数据集的多样性,进一步提高成像质量,并在稀疏编码阶段采用迭代收缩阈值算法加快收敛速度。仿真实验结果表明DK-SVD算法重建图像的结构相似性可达到0.95以上,误差可控制在0.1左右,平均重建速度为0.034 s,有效地提高了电阻抗层析成像的质量和效率,且经进一步实验证明了该算法具有良好的噪声鲁棒性和实际应用价值。