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锂离子电池变频变幅交流低温自加热策略

电工技术学报 2019年第9期34卷 1798-1805页

作者：何锡添孙丙香阮海军王占国苏晓佳北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心北京100044 北京电动车辆协同创新中心北京100044

低温下锂离子电池的可用容量和功率大幅下降,而且充电困难。对锂离子电池进行低温加热是改善其性能的有效途径。该文建立了电池的热-电耦合模型,设计了一种变频变幅交流自加热策略,在保证极化电压幅值不变的条件下,以加热功率最大为目标... 详细信息

低温下锂离子电池的可用容量和功率大幅下降,而且充电困难。对锂离子电池进行低温加热是改善其性能的有效途径。该文建立了电池的热-电耦合模型,设计了一种变频变幅交流自加热策略,在保证极化电压幅值不变的条件下,以加热功率最大为目标,根据电池在各个温度下得到的最佳加热频率实时调整交流激励的频率和幅值。对比不同策略发现,采用变频变幅交流自加热策略,电池在700s内上升了47.67℃,相比恒频变幅加热策略,其温升速率最大可提高21.85%。所设计的变频变幅交流自加热策略具有良好的加热效果,有利于促进电动汽车在寒冷环境下的推广应用。

关键词：锂离子电池低温自加热热-电耦合模型变频变幅

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考虑老化一致性的电池模组热管理方法研究

电源技术 2024年第6期48卷 1103-1108页

作者：耿察民张天海杨小龙周月江苏方天电力技术有限公司江苏南京211102 南京成瑞科技有限责任公司江苏南京210000

锂离子电池内部生热导致的加速老化和热安全问题一直以来都是制约电池产业的瓶颈问题。此外,单体老化路径和一致性的差异也会造成电池老化程度不一致,引发电池内阻和发热量的差异。基于上述问题,提出了一种考虑老化一致性的电池组热管... 详细信息

锂离子电池内部生热导致的加速老化和热安全问题一直以来都是制约电池产业的瓶颈问题。此外,单体老化路径和一致性的差异也会造成电池老化程度不一致,引发电池内阻和发热量的差异。基于上述问题,提出了一种考虑老化一致性的电池组热管理方法,搭建锂离子电池热-电耦合模型对电池进行参数辨识,并利用有限元分析的方法对Z型槽空气冷却电池组进行三维建模。分析不同外界电流应力、入口风速以及不同老化状态对电池组温度分布的影响。进行了仿真与实验验证,结果表明实验与仿真温度结果误差在2℃以内。

关键词：锂离子电池电池老化热-电耦合模型

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高温环境下IGBT建模与结温预测方法研究

高温环境下IGBT建模与结温预测方法研究

作者：侯月哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)越来越多地应用在极端环境,如石油和天然气开发、新能源发电、电动汽车等领域,如何确保IGBT在高温环境下安全可靠工作成为国内外电力电子界学者重点关注的研究方向。本论文将着重研究IGBT器件的电、热参数... 详细信息

随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)越来越多地应用在极端环境,如石油和天然气开发、新能源发电、电动汽车等领域,如何确保IGBT在高温环境下安全可靠工作成为国内外电力电子界学者重点关注的研究方向。本论文将着重研究IGBT器件的电、热参数与结温和工作环境温度之间的关系,建立IGBT的电-热耦合模型,寻求结温实时预测方法,为后续IGBT可靠性分析与寿命预测提供理论基础。首先,根据IGBT的温度特性,在已有通用Spice模型的基础上建立计及温度的器件等效电路模型,得到器件内部物理参数与外部电特性之间的关系,建立器件阈值电压、导通电阻、饱和压降等电参数的温度模型,以模拟器件在不同结温下的静态和动态特性。研究考虑寄生参数下的IGBT损耗模型建立方法,通过对IGBT开关曲线的拟合并结合数据手册和实测开关波形提取模型参数,建立常温下IGBT的开关损耗模型和导通损耗模型。利用获得的IGBT的温度特性和温度模型,对开关和导通损耗模型进行温度补偿,研究建立器件总损耗的温度模型。利用有限元分析软件建立IGBT的3D实体模型,模拟器件的温度场分布,进而提取器件的热阻抗曲线和热网络参数并建立IGBT的Foster热网络模型,模拟从器件到散热片再到环境的整体热传导过程。最后,结合IGBT的损耗模型和热网络模型建立器件的热-电耦合模型,并将其应用于Buck变换器中进行器件结温预测仿真,验证环节选择IGBT的饱和压降作为热敏参数进行器件的结温预测,验证了上述热-电耦合模型的准确性。同时,利用实验分析了开关频率、占空比、环境温度等因素对器件结温的影响。

关键词： IGBT 温度特性等效电路模型损耗热-电耦合模型结温预测

基于IGBT开关动态特性离线测试系统的大功率逆变器热—电耦合研究

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基于IGBT开关动态特性离线测试系统的大功率逆变器热—电耦合研究

作者：吴岩松浙江大学

学位级别：硕士

对大功率逆变器进行热-电耦合的研究可以为功率器件的选型与使用、散热器的合理设计、逆变器结构优化以及整个逆变系统的可靠运行提供有价值的参考。本文分别从电学和热学的角度出发,建立大功率逆变器的损耗模型以及热特性等效网络,最... 详细信息

对大功率逆变器进行热-电耦合的研究可以为功率器件的选型与使用、散热器的合理设计、逆变器结构优化以及整个逆变系统的可靠运行提供有价值的参考。本文分别从电学和热学的角度出发,建立大功率逆变器的损耗模型以及热特性等效网络,最终得到逆变器系统的热-电耦合模型。在电学方面,本文一方面基于中高压功率IGBT开关动态特性离线测试系统建立功率器件在不同阻断电压、集电极电流、器件结温、环路杂散电感以及驱动电压/电阻下开关动态特性的多维数据库,为损耗建模提供更加准确的数据：另一方面分析和等效了逆变器实际应用工况下的拓扑开关换流、调制方式以及负载类型等,以便在离线测试平台中更加准确地模拟器件的实际运行工况。最后通过准在线方式将器件级与电路级的研究相结合,计算出实际工况下各开关动作时刻的能量损耗,实现逆变器损耗的准在线建模。损耗建模与实测结果十分吻合,证明了该建模方法的正确性。在热学方面,本文分析和研究了IGBT模块与散热器的封装结构与材料热物理属性,通过有限元分析的方法实现了IGBT模块与散热器瞬态热阻抗的提取。获得的瞬态热阻抗曲线与厂商提供的曲线具有较好的一致性,并且通过不同温度与功耗下瞬态热阻抗曲线的对比,可以发现热阻抗曲线具有稳定性与普适性。瞬态热阻抗的提取有助于系统热特性等效网络的建立。论文最后,基于中高压功率IGBT开关动态特性离线测试系统建立逆变器“瞬时损耗”模型,通过提取IGBT模块与散热器的热阻、热容参数建立热特性等效网络,最终得到系统的热-电耦合模型,该模型可用来预测大功率逆变器在不同应用工况下器件的动态结温,丰富了逆变器系统的可靠性研究。

关键词： IGBT离线测试系统逆变器损耗准在线建模有限元分析瞬态热阻抗热-电耦合模型

基于生物地理学算法的多阶段大功率充电优化策略研究

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基于生物地理学算法的多阶段大功率充电优化策略研究

作者：张锟哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

近年来,电动汽车行业得到迅速发展以应对全球在可持续能源和气候变化方面的挑战。锂电池作为一种清洁能源已经成为电动汽车主要的储能系统。但由于锂电池复杂的化学特性,电动汽车快速充电一直是限制电动汽车大规模应用的瓶颈。大功率充... 详细信息

近年来,电动汽车行业得到迅速发展以应对全球在可持续能源和气候变化方面的挑战。锂电池作为一种清洁能源已经成为电动汽车主要的储能系统。但由于锂电池复杂的化学特性,电动汽车快速充电一直是限制电动汽车大规模应用的瓶颈。大功率充电通过增加充电功率、采用优化控制技术来更快地给电池充电,可以提升充电速度,成为缓解电动汽车里程焦虑的一种有效解决方案。但是,大功率充电由于充电电流倍率的增大会产生复杂的副作用,可能会对电池的性能产生影响。因此,制定合适有效的大功率充电优化策略成为解决电动汽车推广普及难题的重要技术途径。本文模拟电动汽车大功率充放电场景,搭建电动汽车储能系统大功率充放电实验平台。对锂电池内部特性进行深入研究,采用带遗忘因子最小二乘法根据滤波原理对锂电池内部特性参数进行估计和辨识,研究电池内部性能参数的物理表现和演变规律。为集总参数模型的建立奠定了基础,为大功率充电优化策略的制定提供了前提。为制定合适有效的大功率充电优化策略,本文从科学理论和满足用户实际需求角度出发研究锂电池充电过程中内外响应特性,建立了集总参数热-电耦合模型。并基于Simscape 块和Simscape 语言搭建了锂电池热-电耦合仿真模型以模拟锂离子电池的热-电响应特性。从满足用户需求和安全性的角度出发,基于集总参数等效电路模型,建立以充电时间和温升为优化目标函数,并构建了相应的约束条件。本文采用生物地理学优化算法解决电动汽车锂电池大功率充电的非线性时变优化控制问题,利用其适宜度函数自适应的特点,平衡充电过程中目标冲突,为大功率充电提供可行的最优解决方案。最后,以多阶段充电协议为基础,首先从可充入容量、充电时间、能量损耗等三个方面分析了充电阶段数量对多段恒流充电的影响,确定了五段恒流充电策略;然后,基于生物地理学优化算法,通过设置不同的权重因子以满足不同的需求,详细讨论了最短充电时间、最小温升充电策略。通过扫描帕累托最优解前沿确定最优平衡充电策略;最后,从充电时间、最大温升、可冲入电量、循环后容量衰减等方面与现有的多阶段充电策略进行比较。实验结果表明,所提多阶段大功率充电策略能够提供可行的充电模式,在充电速度和温度变化之间实现理想的平衡。

关键词：电动汽车大功率充电生物地理学优化多阶段优化热-电耦合模型

基于变频脉冲激励的动力电池低温加热策略研究

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基于变频脉冲激励的动力电池低温加热策略研究

作者：李凌任哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池具有污染小、能量密度高、充放电寿命长和充电效率高等优点。但锂离子电池的性能对温度较为敏感。在低温环境下,电池的容量快速衰减、内阻逐渐增大、可放出容量大大减少,这导致了电动汽车的续驶里程下降和储能电池无法满足供... 详细信息

锂离子电池具有污染小、能量密度高、充放电寿命长和充电效率高等优点。但锂离子电池的性能对温度较为敏感。在低温环境下,电池的容量快速衰减、内阻逐渐增大、可放出容量大大减少,这导致了电动汽车的续驶里程下降和储能电池无法满足供给需求,对寒冷地区的发展和推广造成了较大的阻碍。所以在低温环境下使用前对锂离子电池进行加热是非常有必要的。本文针对低温环境下的锂离子电池,提出了基于变频脉冲激励的低温加热策略。对电池通入频率时变的脉冲激励电流,以得到最大的电池内阻产热来快速加热电池,并进行变频脉冲激励的低温加热实验验证和仿真分析。本文首先对三元锂电池在不同温度下的电池性能进行探究,分别对电池进行了不同温度下的容量测试和混合功率脉冲特性测试,并根据实验结果绘制了电池内阻-荷电状态曲线和开路电压-荷电状态曲线,同时对电池的充放电工作机理、低温失效机理以及衰减机理进行了分析讨论。其次,分析电池的产热机理,测量不同温度下的电化学阻抗谱,分别搭建实部阻抗和虚部阻抗与电池温度、脉冲频率的三维关系模型,并结合电池等效电路模型和温升模型搭建电池的热-电耦合模型。基于模型制定了变频脉冲激励的低温加热策略,并对电池的频率变化和温升效果进行了仿真。根据频率变化曲线对三元锂电池实施了低温加热实验。同时设置恒频加热对比实验,对实验和仿真结果进行分析,验证了电池模型的准确性和低温加热策略的有效性。最后,为探究本文所提低温加热策略的适用性,选择了另一类型的聚合物锂电池进行低温加热实验。通过对电池进行性能测试、不同温度下的电化学阻抗谱测试,搭建聚合物锂电池的热-电耦合模型,进行低温加热实验并与仿真结果进行对比分析,验证该策略可以作为不同类型的锂离子电池在低温条件下的快速加热方式,在不影响电池荷电状态的情况下使电池可以快速达到工作所需温度。

关键词：锂离子电池温升模型热-电耦合模型电化学阻抗谱低温加热