基于自产热和外传热的锂离子电池热学模型参数辨识方法

锂离子电池热学模型参数(热容和热阻)的准确辨识对电池热电耦合建模及状态参数估计至关重要。然而传统测量方法成本高且测试周期长,如何利用充放电工况结合产热和传热机理研究快速热参数辨识方法具有重要意义。以8A×h软包锂离子电池为研究对象,建立分布式热路模型;设计双向脉冲工况实验,采用自适应粒子群算法(APSO)进行辨识;同时采用其他工况进行验证,实验和仿真温度误差小于0.1℃。另外,将热容和热阻转换为比热容和导热系数,并与其他文献中同类电池的参数进行比对,量级接近。研究结果表明,该方法可以有效解决层叠式软包锂离子电池热学模型参数辨识难的问题,且简便易行、成本低。

复杂环境地埋电缆群暂态温升热路模型适应性仿真验证研究

简易可行、快速准确地评估电缆实时温升,是释放潜在输送能力,提高运行效率的基础。目前,评估电缆线芯温升的方法主要有测量方法与计算方法,借鉴热电比拟的方法,提出了引入平衡热阻与平衡热感的电缆群暂态温升热路模型。然而实际运行中,电缆的运行环境更为复杂,电缆回数多少、负荷波动程度等因素也可能影响模型的准确性。为充分验证热路模型的适应性,文中通过构建一个复杂环境、工况条件下的电缆群暂态温升有限元算例,并与热路模型结果进行比较。验证结果表明,针对不同影响因素,原有热路模型可进行灵活调整扩展,参数求解方法不变,模型的便捷性与准确性不受影响;电缆回数数量、介质均匀性、负荷波动程度、日照与环温变化幅度均不明显降低模型的准确性。研究成果不仅验证了模型的适应性,而且可为类似模型的检验方法提供重要参考。

采用氮化铝材料的水冷变压器的热管理方法

干式高频变压器结构紧凑且损耗较高,而低导热系数的灌封材料使得热量易在变压器内部累积,从而导致温升成为限制大功率变压器容量与功率密度提升的重要因素。该文以环形水冷变压器为研究对象,建立了考虑中心圆柱热阻的变压器集总参数热路模型,并通过有限元仿真验证了所建模型的准确性。基于所建热路模型,解释了变压器温度降幅随着水流量的提高趋于稳定的现象。为了进一步增强散热效果,该文提出了一种基于高导热绝缘材料氮化铝的新型散热结构。该结构在热源与水冷板之间建立起低热阻通道,增强了变压器与水冷板之间的传热,变压器的容量和功率密度可进一步提高。最后,通过有限元仿真与25 kHz/160 kV·A高频变压器样机实验验证了所提散热结构的有效性。

基于SIwave与Icepak的PCB板的电热耦合研究

随着集成电路的不断发展,面对不断提升的PCB板热设计要求,提出了一种方法准确仿真PCB板的温度分布。利用SIwave与Icepak软件,建立了PCB板和电子元件的模型,进行了PCB板的双向和单向电热耦合仿真。通过对比分析仿真与实验结果,得出以下结论:仿真得到的PCB板的温度云图与通过红外热成像仪拍摄得到的PCB板的温度云图呈现相似的温度分布趋势;在PCB板双向电热耦合仿真的基础上,采用Re-k-ε湍流模型进行PCB板单向电热耦合仿真得到的PCB板的温度分布,比采用层流模型进行的PCB板双向电热耦合仿真得到的PCB板的温度分布更准确;仿真结果与实验结果相比,最大相差2.59℃,最小仅相差0.39℃。

GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型

GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)的热积累问题是制约其进一步高度集成和大功率化应用的主要技术瓶颈,针对该散热问题,提出了GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型。在简单多层叠加的热阻解析模型的基础上,细化至芯片的近结区域,引入了位置矫正因子矩阵和耦合系数矩阵,并通过加栅窗的方式建立了芯片近结区的热阻解析模型。该模型考虑了GaN功率放大器MMIC的特点以及衬底的晶格热效应,可以更准确地表征芯片结温。采用红外热成像仪对6种GaN功率放大器MMIC在不同工作条件下进行了热测试,对比仿真和测试结果发现,解析模型的结温预测误差在10%以内,说明该模型可以准确地表征GaN功率放大器MMIC的热特性,进而用于优化和指导电路拓扑设计。

水平顶管工况下高压电缆线芯温度推演与动态增容

水平顶管一般用于电缆线路穿越河流、街路等场合,由于其特殊构造,导致单独使用光纤测温的实时性和准确性较差。鉴于此,本文提出了电缆端部表皮测温器与置于相邻PVC空管内的光纤测温器的联合测温方案和线芯导体温度推演与动态增容方法。将电缆线芯、表皮分别等效为热源与热汇,电缆内部各部分等效为热网络,根据光纤与表皮测温值反演热路参数值,采用拉普拉斯变换法求解热路,推演各相缆芯实时温度并预测动态增容的应急负荷允许持续时间。通过与有限元计算结果的对比分析,证明了本文模型预测应急负荷持续时间的准确性和快速性。

锂离子电池单层电芯内短路建模与热失控触发特性

锂离子电池内短路诱因复杂,为深入研究内短路引起的电池失效问题须构建合适的精细化仿真模型。本工作以NCM/石墨电池为研究对象,围绕电池内短路失效机理,基于电化学-热耦合物理场,建立了考虑热失控放热副反应的三维单层电芯内短路模型,探究了热失控触发边界,并从内外部特征讨论了单层电芯内短路-热失控的演变过程。首先利用Arrhenius公式得到内短路触发的四种放热副反应产热量与反应速率,探究对电池温升影响最大的副反应类别,结果表明内短路过程放热副反应中负极与电解液反应总热量最大。进一步分析单层电芯内四种典型内短路形式的热失控触发特性,综合考虑组分材料导电性和导热性,得到铝-阳极内短路危险程度最高,其短路电阻值与热失控触发时间呈现正相关趋势,且临界短路电阻的高温热点区域面积值约为30 mm^(2)。模拟结果获得了四种形式内短路临界短路电阻值,并揭示了单层电芯内短路-热失控触发时内部锂离子浓度和温度分布的空间演变规律,相关结果可为研究内短路失效机制和设计安全锂离子电池提供理论指导。

基于热路模型的GIS隔离开关动态载流能力评估方法研究

气体绝缘开关设备是电力系统中的重要设备,其稳定性一直备受关注。在正常气象环境下,评估GIS隔离开关热点温度达到最大温度限值所需的载流量,可以确定设备本身的载流量裕度,为电力系统中的电力调度提供参考。本文主要以GIS(Gas Insulated Switchgear)隔离开关为研究对象,首先从GIS隔离开关模型开始通过将热量的传递类比为电路来建立对应一阶热路模型,在此基础上进一步将热路模型等效为负荷致热的一阶热路模型和环境致热的一阶热路模型,利用建立的GIS隔离开关多物理场仿真模型开展暂态场仿真,得到了负荷致热等效热路模型的阻容参数,并基于时间序列分析法与ARIMA模型建立了具有较高精度的环境致热温度预测模型。随后利用预测的环境致热温度,以105℃为最大温度限值,预测得到了GIS隔离开关的动态载流量曲线,建立了动态载流量评估方法,为GIS隔离开关动态载流量的评估提供参考。

架空导线动态增容的热路法稳态模型

应用动态增容技术提高现有架空导线的输送能力,需要准确计算架空导线的隐含容量。为此,首先分析了架空导线动态增容的基本原理并比较了各种传统动态增容模型的优缺点。然后,根据传热学理论建立了架空导线动态增容的热路法稳态模型,该模型仅需监测导线温度以及环境温度,并根据该模型推导了架空导线允许载流量的计算方法。最后,设计了室内、室外架空导线加载不同阶跃电流的温升实验。实验结果表明:在室内较稳定条件下,随着导线温度升高等效热阻RX逐渐减小,当温升达44°C时RX减小了7.7%;室外实验中根据模型计算的允许电流与实际值相对误差为-1.7%。可见,根据架空导线热路法稳态模型可实现对架空导线隐含稳态载流量的准确评估。

单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究

由于电缆热容的存在,当施加阶跃电流时,电缆温度随时间逐渐变化,经一段时间后达到热稳态,导体温度变化的速度一般用热时间常数来反映。为此,以单芯电缆为研究对象,介绍了电缆热时间常数;建立了电缆本体及周围介质的暂态热路模型并进行简化等效;计算了空气敷设和直埋敷设单芯电缆的热时间常数;并在试验现场进行了阶跃电流下的单芯电缆温升试验,通过对实测导体温度暂态过程的曲线拟合求得了电缆实际的热时间常数,验证了理论计算的正确性。电缆的热时间常数可用于估算阶跃电流作用下的导体暂态温度响应、以及到达最高允许温度所需要的升温时间,为电缆的运行状态监测及故障预警提供理论支持。

电弧热等离子体建模、仿真及应用综述

电弧现象是电气工程领域的基本问题,在该领域的研究包括电弧利用和电弧抑制2个方面,借助常规实验条件观测电弧等离子体物理状态属性较为困难,对其采用建模、计算、试验等分析手段,是优化电气结构、完善工艺过程等方面的重要依据。在综合已有电弧研究文献基础上,从建模机理及分类、数值计算方法、计算仿真软件、应用领域及测试系统等方面进行了全面的归纳与整合。首先可把电弧建模划分为外部电气特性和内部物理–化学特性两种方式,前者将电弧视为系统电路组成部分,通过数值拟合或经验值提取等方式确定模型参数后进行仿真,研究其外特性变化;后者是以流体力学、动力学、热力学、电磁学等理论为建模依据,进行电弧内部机理分析,反映了电弧流体的整体宏观属性和粒子细致微观属性的动态物理化学过程。其次,在数值计算方面,介绍了常规数值计算和数值实验的内容、区别和适用范围,对数值计算方法进行了分类汇总。从电弧模型的应用对象及应用角度,介绍了几种模型的计算过程及步骤。再次,汇总了目前常规使用的商业仿真软件,对其核心算法、特点及操作步骤进行了介绍,总结了各自适用范围和领域。最后,根据电弧的应用领域及产生电弧的背景参数,分析了所适用的建模理论依据及模型种类,并对不同应用场合下的电弧实验测试手段及平台的使用情况进行了综述。

基于有限元法的电缆变压器绕组的暂态热路模型研究

对一个电缆变压器的绕组 ,通过求解有限元方程 ,得到其稳态条件下温度场和流场的分布。在此基础上 ,建立绕组以单匝电缆为单位的暂态热路模型 ,利用该模型可求解暂态条件下绕组各处的温升变化。

架空导线动态增容的热路法暂态模型

建立了架空导线动态增容的暂态热路模型,通过监测导线温度及导线周围环境温度便可实时计算出架空导线的允许载流量。设计了室内导线加载阶跃电流的实验,结果表明导线温度的理论计算值大于实测值,最大误差小于1℃,温升时间与环境热阻有关。设计了室外导线加载恒定电流24h的实验,通过暂态热路模型计算出导线实时最大允许电流,并初步分析了环境条件与导线温度的关系。

功率器件集总参数热路模型及其参数提取研究

为准确计算功率器件运行温度,在热平衡原理和热电类比理论基础上,提出功率器件集总参数热路模型。为实现模型等效热路参数的提取,设计相关温升实验平台,并基于遗传算法对热路模型进行辨识。研究结果表明,辨识方法能够有效克服功率器件等效热路参数难以确定的问题,揭示模型参数随电流等级及散热器规格变化的规律。在获得模型参数变化规律后,即便未知功率器件的实验温升曲线,所提模型也可准确计算器件温升的动态过程,克服传感器直接测温所带来的弊端,尤其适合在传感器固定困难及测量精度易漂移的场合应用。

油浸式电力变压器动态热路改进模型

油浸式电力变压器绕组的热点温度是指导变压器负载运行方式和影响变压器绝缘寿命的重要参数,准确计算绕组热点温度具有重要意义。在分析运行变压器散热过程的基础上,考虑油箱外壁与周围环境的热量传递,利用传热学原理和热电类比方法,定义非线性热阻和集总热容,并考虑油粘度随温度的变化,建立电力变压器动态等效热路的改进计算模型。将模型的计算结果与实验室自然油循环自然空气(oilnatural-air natural,ONAN)冷却方式下100 kVA/5 kV油浸式温升试验变压器实测数据和IEEE Std C57.91推荐方法计算值进行对比,比较结果表明:通过改进模型计算的变压器顶层油温和绕组热点温度具有较高的精度。

高功率密度轮毂电机温度场建模研究

本文对高功率密度轮毂电机温度场建模问题进行研究,通过热路模型理论分析给出温度场预测精度的影响因素,提出一种按损耗分布加载的精确温度场仿真方法。采用正交傅里叶分解算法对铁耗进行分析,揭示永磁电机铁耗的分布规律;结合热路模型分析以及与传统仿真方法对比,指出轮毂电机高速运行情况下采用该方法的必要性。

基于电接触元件暂态热路建模的接触电阻测量研究

目前,接触电阻的检测主要是电压电流法或电桥法,其不足是仅适于离线应用。提出了一种在线式的接触电阻间接测量新方法。首先在建立电接触元件的理论物理模型和径向暂态热路分析模型的基础上,推导出热路响应方程;然后再在建立元件轴向热传导数值分析模型的基础上,最终推导出计及温度和电流的接触电阻曲线关系,提出通过曲线的时间常数计算电接触元件的接触电阻。大量的理论分析、计算与有限元分析ANSYS仿真表明,所研究的测量方法可以准确求取接触电阻的值,为电气设备的在线监测和热缺陷分析提供了理论依据。

电子线路板热可靠性分析方法的研究

该文研究用ANSYS软件对电子线路板做热可靠性分析时的建模问题,通过仿真分析,得到如下两点推论:(1)铜箔分布的不均匀性对PCB传热有重要的引导作用,因此在建模时应尽量予以考虑;(2)内部到外部热阻小的发热元件可以当作简单方块来处理,这样就使整板的建模大大简化。根据以上推论对一种新型星载电子线路板进行了ANSYS建模和计算,并把计算的结果与实验测试数据进行比较分析,验证了这种简化建模方法具有足够的准确性,使用方便,可以应用于星载及真空等环境中各种电子线路板的热可靠性分析研究。

外皮温度监测的单芯电缆暂态温度计算与试验

导体温度是反映电缆运行状态的关键因素,因而有必要实现对它的监控。实际中对运行电缆导体温度的直接测量难以实现,工程中常采用计算的方式来获取,而复杂多变的电缆外部因素使得对导体温度的精确计算也非常困难。为此,在电缆外皮温度监测的基础上,建立了单芯电缆暂态热路的数学模型;分别推导出只考虑电流变化和只考虑表皮温度变化两种情况下的暂态温升递推公式,进而推导出单芯电缆暂态温度的完整叠加公式;并采用经典4阶Runge-Kutta法求解微分方程组计算电缆本体温度。同时编制了电缆暂态计算软件,可根据电缆外皮温度的监测,计算电缆导体和金属护套暂态温度。为验证暂态模型和软件编制的正确性,在试验现场进行了单芯电缆暂态温升试验,并将计算结果与试验测得的温度数据进行了对比验证。结果表明,基于电缆外皮温度监测的单芯电缆暂态温度计算具有较高的精度,可用于单芯电缆实际运行中的温度控制、电缆状态监测及其故障预警等方面。

基于有限元方法的电缆变压器绕组的热路模型研究

对一个电缆变压器的绕组,通过求解有限元方程,得到其温度场和热气流场的分布。在此基础上,建立其分布参数的热路模型。利用该模型经修正后求解了不同负载条件下绕组的温度分布,并将有限元法计算值和实测值进行了比较,证明了模型的正确性。这种方法为研究该类变压器的温度特性提供了方便。