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。

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。

三芯矿用电缆线芯温度预测及故障预警方法

矿用电缆受潮湿环境影响,易发生绝缘劣化;堆积在护套上的煤粉会影响电缆的散热,而线芯导体温度的异常升高最终可能会导致电缆放炮,甚至形成电气火灾,酿成严重的煤矿安全事故。针对电缆带电运行过程中无法直接测量其线芯导体温度,无法利用电缆线芯异常温升这一极早期特征来实现电缆故障预警的技术难题,采用理论分析与模拟实验相结合的方法,从电缆径向截面上的热传导规律入手,建立了基于等效三等分暂态热路模型的三芯矿用电力电缆线芯温度计算方法,可由电缆外护套表面温度实时计算出电缆线芯温度。针对电缆绝缘层、内护套以及外护套的热扩散率低导致材料内部温度梯度大,会严重影响算法模型计算精度的问题,通过分析电缆材料内部温度梯度的分布特征,使用对电缆绝缘层、内护套以及外护套进行等热容分层计算的优化方法,提出了三等分等热容分层暂态热路模型算法。以型号为MYJV22-6/6kV-3×50的矿用交联聚乙烯电力电缆为实验对象,通过电缆温度电流实验,测得该被试电缆在不同载流量下外护套表面和线芯导体的温度数据。经实验数据分析,证明三等分等热容分层暂态热路模型的计算误差随分层数增加而减小,并确定了电缆绝缘层、内护套以及外护套的最佳分层数均为50。结果表明,采用等热容分层的方法优化后的三等分暂态热路模型具有较高的计算精度,当电缆绝缘层、内护套以及外护套的分层数均为50时,其最大相对误差小于1%,平均相对误差为0.73%,可为矿用电力电缆线芯温度预测和故障预警提供一定的理论依据。

Coupler Loss Analysis of Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer System

The demand for electric vehicles has increased over the past few years.Wireless power transfer for electric vehicles provides more flexibility than traditional plug-in charging technology.Charging couplers are critical components in wireless power transfer systems.The thermal effect produced by the magnetic coupler in work will cause the temperature of the device to rise rapidly,affecting the work efficiency,transfer power,operation reliability,and service life.This paper modeled and analyzed each component's temperature distribution characteristics and thermal behavior.Firstly,the magnetic coupler's mutual inductance and magnetic circuit model are established,and the thermal model of the magnetic coupler analyzes the heat generation process.The thermal models of the coupler under three different magnetic core distributions are established,and the temperature rise of each component is obtained.The temperature rise of different parts of the coupler is verified by the temperature rise test structure of the experiment.

三相不平衡工况下配电变压器温升特性及绝缘损失分析

三相不平衡运行会增加配电变压器的附加损耗,引起本体局部温度异常升高,缩短绕组绝缘寿命。为此基于热电类比理论,以配电变压器每相绕组做为一个整体,建立热路模型。根据三相电流之间的关系将不平衡工况分为3种典型工况,以一台S13−M−200/10型变压器为例,比较热路模型与有限元模型在多种不平衡工况下的计算结果,二者获取的顶层油温与热点温度值保持了较高的一致性,验证了热路模型的准确性。在此基础上进一步分析不同类型、不同程度三相不平衡运行对顶层油温、热点温度以及绝缘损失的影响,结果表明:相同不平衡程度下,不同类型的三相不平衡工况对于顶层油温和热点温度的影响不同;绝缘相对热老化速率随不平衡度的增加非线性上升,尤其在高温天气下,热老化速率随不平衡程度的加深呈指数形式上升,可为配电变压器运行控制策略的制定提供技术支撑。

不同工况下功率型锂离子电池的热特性与仿真研究

本文针对功率型锂离子电池在使用过程中可能出现的热失控问题,以21700圆柱型锂离子电池为实验对象,采用混合功率脉冲特性(HPPC)测试方法,研究了不同条件下(温度、电流、荷电状态)内阻的变化趋势,并分别建立了基于温度、电流参数的Rint、Thevenin与双极化(DP)电路模型及电热耦合模型。借助Fluent仿真技术,进行了不同模型的验证,对比了不同放电倍率下模型仿真与实测温升的拟合精度。同时,实现了不同倍率下电池热行为的研究,为功率型锂离子电池的温度预测提供了一定的理论依据。

基于PLECS仿真的四开关Buck-Boost变换器参数设计

为了优化四开关Buck-Boost变换器的参数设计过程,分析了一种基于PLECS软件设计电路参数的方法。该方法在原理分析的基础上,利用PLECS仿真软件建立了电路的开环、闭环及热仿真模型进行参数选择,从而得到最优的参数组合。研制了一台100 W的实验样机,该样机在宽电压输入以及负载变化的情况下,电路具有较好的抗扰稳压效果,并且其输出效率达到93%左右。

一种考虑漏电流功耗的快速校正线性模型的瞬态热分析方法

随着集成电路特征尺寸不断缩小,三维集成电路越来越受重视。然而,由于三维集成电路采用多层堆叠,导致芯片内部能量密度极高、散热困难。因此,精确的三维集成电路热分析是控制三维集成电路温度的重要前提。此外,实验结果表明稳态和瞬态热分析的温度差异可高达60 K,因此,在某些温度敏感的关键场景中,快速、准确的瞬态热分析是必不可少的。基于已有文献提出的漏电功耗校正线性模型稳态热分析方法,本文进一步提出了快速校正线性模型方法应用于瞬态热分析问题中。该方法采用后向欧拉法对时间进行离散,并通过减少每个时刻点中迭代方程雅可比矩阵的更新以提高计算效率。实验结果表明:本文提出的方法在最高温差不超过0.521 K的精度下,相比已有的方法有约1.3~3.1倍的加速效果。

考虑轴向散热的10 kV三芯电缆中间接头稳态热路模型分析

电缆接头线芯温度计算是实现电缆载流量预测重要环节。该文通过三芯电缆接头结构分析其散热路径,进一步考虑了电缆接头的轴向散热,提出了改进的热路模型。以10 kV三芯电缆中间接头为例开展有限元温度场计算,并根据温度-热源的响应实现稳态热路模型的参数辨识。同时,分析了不同电缆电流以及环境散热条件下稳态热路模型的等效性,与有限元仿真结果吻合良好。该模型可以有效提高电缆接头热点计算的效率。

110 kV单芯电缆缆芯暂态温度径向感知模型研究

为了实现基于电缆表面温度测量的电缆缆芯暂态温度实时反演,本文首先分析电缆内部径向热流扩散路径特点,建立了电缆各层结构的热阻热容集中参数等效模型,并分析热路等效模型的误差影响因素。其次开展110 kV单芯电缆本体暂态温度场有限元仿真计算,分析了交联聚乙烯绝缘层分层建模的必要性,并确定分层数量。最后分析了材料参数的分散性对径向感知模型反演精度的影响。研究表明,本文提出的暂态温度径向感知模型具有较高的反演精度,可应用于各种工况下缆芯温度的实时监测。

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。

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。

基于绕组热分布的改进油浸式变压器绕组热点温度计算模型

为准确计算变压器的绕组热点温度,给变压器的过载能力及绝缘寿命评估提供依据,在分析变压器绕组热分布热性及导热途径的基础上,提出了一种改进的基于底层油温的变压器热点温度等效计算模型。该模型通过明确定义热点温度的等效热源并考虑变压器油粘度及铜损的温度特性,得到了变压器热点温度等效计算模型的解。通过搭建变压器温升试验平台,采用光纤测温系统对变压器绕组的热点温度进行了测试分析。将实测数据与热路模型的计算结果及其它现有热路模型计算得到的温度曲线的对比分析结果表明,依据所提出的改进热点温度模型计算得到的变压器绕组热点温度曲线所对应的误差系数明显小于其它方法的计算结果,至少减小了40%,具有更高的预测精度。

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。

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。

考虑轴向传热的单芯电缆线芯温度实时计算模型研究

为了研究轴向传热对电缆线芯温度的影响,首先以单芯电缆的三维微元热路模型为基础,建立了考虑单芯电缆轴向与径向传热的三维热路模型,且根据该三维热路模型实现了单芯电缆线芯温度实时计算的理论推导。其次,通过不同敷设环境下分别加载恒定与阶跃电流的实验,讨论了电流、电缆敷设环境与外界环境温度等因素对轴向、径向温度分布的影响。实验结果表明,电流是决定轴向温度梯度变化趋势的主要因素,空气中电缆的线芯温度上升速度最快,土壤中电缆次之,水中电缆最慢。最后通过有限元仿真工具,对比了空气中电缆中间接头三维有限元模型与二维有限元模型计算的线芯温度。研究结果表明,只考虑电缆径向传热的二维热路模型会造成线芯温度计算的误差,而考虑电缆轴向与径向传热的三维热路模型能够提高计算的精度。

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。

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。

油浸式配电变压器分布式热路模型

变压器运行时的热点温度与其绝缘寿命息息相关,是变压器负载最关键的限制因素。为此以配电变压器的散热结构为基础,将变压器油看作绕组的外界环境重点关注绕组层间的散热过程,从而建立了油浸式配电变压器的分布式热路模型。通过该模型可计算出热点温度,获取热点位置。并以100、315和400kVA柱式变压器的相关参数为依据,对所建模型的准确性进行了校验。在额定运行条件下,模型计算结果与变压器温升试验报告中实测的绕组平均温升间的偏差在5%以内,验证了模型的准确性。负载导则法计算出的热点温度略高于模型计算值,而负载导则法留有一定裕度,因此对比结果进一步验证了模型的有效性。模型计算结果表明靠近铁芯与靠近油流的绕组温度较低,中间层绕组温度较高;额定运行条件下不同层绕组的最大温差可达10℃以上。