锂电池储能在电磁发射中的应用

随着电磁发射技术的发展,储能环节成为其中不可或缺的一部分。对基本储能单元需求进行分析,以用电系统功率和能量需求为牵引,以储能系统体积重量适装性最优为目标,充分对比现有各类电池参数指标,从安全性、功率密度、能量密度和循环寿命四个方面进行考虑,确定基本储能单元类型为锂电池。面对舰上不同电磁发射设备电压、电流的需求,需要研究能够实现锂电池组快速灵活串并转换的拓扑结构。在实现电池组稳定并联之前,需保证电池组的一致性,因此需计算出电池荷电状态并进行均衡;针对短脉冲大倍率连续放电工况下荷电状态估算不准确的问题,提出以蓄电池组作为研究对象,采用动态辨识方法进行估算。由于各电池组之间存在不一致性,并联起来放电时可能导致输出电流不均衡,使得本来就处于高倍率放电的电池组超限使用,因此将提出一种电池组均流方法来解决此问题。

采用多模式控制的电磁发射蓄电池充电谐波抑制方法

针对电磁发射蓄电池组大倍率快速充电过程中的电网谐波陡增问题,提出多模式模糊滞环控制谐波抑制方法。结合电磁发射混合储能系统的时序串联拓扑结构,说明蓄电池的超大倍率充电应用工况和策略,进而介绍蓄电池充电的拓扑结构,明确谐波的来源、特点和产生原因。在分析单台充电机充电时的电网谐波电压和谐波电流的基础上,研究不同充电机并充台数、不同充电电流情况下电网谐波电压和谐波电流的分布规律。设计多模式控制方法的组成方式和切换判据,建立蓄电池充电机、瞬时无功功率检测、谐波抑制、多模式控制的仿真模型。仿真和试验数据表明:谐波抑制方法能够快速抑制电磁发射蓄电池充电机大规模启停、波动时的谐波陡增问题,补偿效果满足国家标准。

电磁发射电池组杂散电感提取方法

在电磁发射锂离子电池储能系统中,电池组杂散电感的准确提取对合理设计系统方案具有重要意义。针对该需求,对电池组脉冲放电过程进行建模与分析,得到适合杂散电感提取的放电阶段。通过将离散傅里叶变换求解数值微分的方法更改为滑动窗递推形式,并与多新息最小二乘算法结合,从而提出一种可充分利用波形数据的杂散电感提取方法。通过实际的电池组脉冲放电测试波形对该方法进行验证,结果表明该方法相比传统方法能更加准确、可靠地提取电池组的杂散电感,在不同放电电流下的提取结果具有很好的一致性。

电磁发射混合储能系统能量传输速率优化

要实现电磁发射装置连发频率的提升,重点在于缩短储能系统的充电时长。为此研究了电磁发射用蓄电池–脉冲电源混合储能系统的能量传输速率优化方法,基于等效电路模型,建立储能系统数学模型,提出了时序求解算法用以计算蓄电池组串联时序。在不改变电流峰值的同时,探讨可行的充电速率优化路线,选择了基于线路阻抗与感抗参数的优化方案,并在仿真中验证了方案的可行性。在现有系统上实现了该优化方案,实验结果显示:优化后系统的充电电流更加稳定,充电时间缩短8.34%,电流纹波下降31.8%,实现了预期结果。

储能用蓄电池模型参数的动态辨识

为观测锂离子电池的参数,通过建立多元线性回归模型对内电路参数进行辨识,并提出通过间接观测蓄电池平衡电动势来辨识荷电状态的方法。该方法基于改进的Thevenin电池模型,以等效电容量来表征锂电池的容量特性。在循环周期内可通过测量放电前后开路电压变化量和电荷变化量来辨识等效电容;等效电容又可以在短时间内动态估算平衡电动势以作为辨识荷电状态的主要变量。通过一个循环周期内的脉冲放电实验验证了所采用的改进电池模型和辨识方法的有效性和准确性。

高倍率磷酸铁锂电池简化机理建模与放电特性分析

高倍率磷酸铁锂电池的机理建模对电池设计与应用管理具有重要意义。针对当前机理模型存在全阶形式复杂度高、简化形式在高倍率下难拟合的问题,将简化的准二维(P2D)电化学模型与双状态热模型结合,建立电化学-热耦合简化机理模型,并通过参数辨识实现了模型在10~40C高倍率、宽范围下的实际放电曲线拟合。基于辨识后的模型,分析了电池高倍率放电下外部曲线变化趋势所反映的内部演化机理,发现高倍率放电初期电池端电压秒级的大幅度下降与液相锂离子浓度分布的不均匀性有关,放电中期的端电压回升来源于温度上升导致的电池内部各材料活性的不断增强。

电磁轨道发射磁场环境等效试验方法研究

提出外加磁场的等效试验方法,对电磁轨道发射装置实施永磁体、单级线圈、多级线圈3种外加磁场,进行金属材料与电磁能作用机理的理论研究和仿真分析。结果表明:永磁体不能满足等效条件,外加线圈方式能够等效电磁轨道发射磁场环境;当电流为30 kA,10匝线圈采用每层5匝线圈的双层排列方式时,能够取得数值较大且分布均匀的磁感应强度;采用多级结构的外加线圈增强型装置能够提高装置效率。

不同荷电状态下的锂离子电池大倍率脉冲充电特性

为了进一步扩展锂电池的应用范围,以电磁发射场景中高功率能量回收为背景,研究了锂离子电池在不同荷电状态的大倍率脉冲充电特性。以准二维电化学模型为基础,通过优化扩散系数,建立了高功率锂电池大倍率脉冲充电模型,并利用该模型分析了锂电池在不同荷电状态下大倍率脉冲充电的镀锂过电位变化情况。通过对锂电池开展循环实验和事后分析,研究了锂电池在不同荷电状态下大倍率脉冲充电的老化行为和老化机理,该老化机理与仿真分析所得结果一致。以上研究结果不仅可以为锂电池在高功率能量回收场景中的应用提供参考,还可为快充型锂电池的优化提供参考。

3D printing of high-performance micro-supercapacitors with patterned exfoliated graphene/carbon nanotube/silver nanowire electrodes

Micro-supercapacitors(MSCs)show great potential as on-chip energy storage devices for portable electronics.The major flaw of thin-film MSCs is their low energy density.To improve the energy density,thicker electrodes are required.However,the fabrication of MSCs with thick electrodes remains a challenge.In this work,a novel 3D printing method is employed to fabricate high-performance MSCs with interdigitated exfoliated graphene(EG)/carbon nanotube(CNT)/silver nanowire(Ag NW)electrodes.The nanowelding of Ag NW junction plays a critical role in the realization of 3D printing.To enhance the electrochemical performances of EG,phosphorus atoms are incorporated into the carbon framework with 1.7 at%.The areal capacitance of the 3D printed MSC is 21.6 mF cm^(-2)at a scan rate of 0.01 V s^(-1).The areal energy density of the MSC ranges from 0.5 to 2μWh cm^(-2)with a maximum power density of 2.5 mW cm^(-2).