电动汽车车—车能量互济控制策略研究

尽管电动汽车已经获得各国政府的大力推广,但偏远区域充电站数量不足而易产生的电池续航里程问题严重阻碍其发展.一旦电动汽车出现中途电量不足,车主只能选择等待救援.基于此,本文提出了电动汽车能量互济控制策略以确保车主实现车-车的快速电能互济.首先,针对车内蓄电池组等效短路比数值较低问题和互济装置低电压、大电流需求,构造了等效六通道交错浮动双升压变换器及其状态方程.其次,针对耗能车辆恒功率充电和供能车辆弱电源供电而易于产生低频/次同步振荡问题,利用等效状态方程构建了基于扰动观测器的滑模控制策略以提供符合标准的恒定电压/功率的直流电.进而利用比例-谐振控制器解决了并联六通道电流均分问题,从而减少了设备热损和提高了设备使用寿命.最后仿真和实验结果验证了提出的能量互济控制算法的有效性.     

锂离子电池失效的快速判定

通过锂离子单体电池的循环寿命实验,分析了该电池的充放电电流,电压以及内阻随循环次数的老化特性.研究发现,随着充放电次数的增加,电池在恒流阶段充入的容量占总容量的百分比的变化趋势和电池内阻变化相一致,因此可以根据恒流充电的时间来快速判定电池的衰减程度.     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

烧结烟气余热驱动圆筒式两级热电发电装置热力学分析与优化

针对钢铁工业中烧结烟气余热资源丰富但回收利用率低的现状,建立了烧结烟气余热驱动圆筒式两级热电发电装置的有限时间热力学模型.以最大功率输出为目标函数,应用Matlab优化工具箱优化了热电单元尺寸和工作电流,分析了烟气换热通道几何尺寸和多边形边数对优化变量和最优性能的影响,并从经济性角度计算了投资回收周期.结果表明:对于正方形截面管道,烧结烟气为350℃时,优化前功率为5.59 k W,优化后功率为7.97 k W,提高42.39%.热电模块价格为40元/块时,设备回收周期为6年左右.     

船海用蒸汽动力装置构形优化理论研究进展

本文从船舶蒸汽动力装置和海洋热能转换装置两个方面介绍了船海用蒸汽动力装置构形优化理论研究进展.首先回顾了包括蒸发器、过热器、经济器、锅炉整体和冷凝器在内的船舶蒸汽动力装置主要换热部件模型和包括蒸发器、冷凝器、双压透平和整体系统在内的海洋热能转换装置主要换热和能量转换部件和系统模型,然后介绍了基于熵产生最小化理论、有限时间热力学理论、理论和构形理论等现代热学理论的两种装置主要部件的构形优化和海洋热能转换系统的构形热力学优化工作,重点比较了优化前后、不同优化目标和不同系统结构下优化结果的异同.最后,对构形热力学优化应用于一般动力系统能量传递和转换过程优化设计和节能降耗的理论研究做出了展望.     

新型有序炭纳米棒阵列的合成及在电化学电容器中的应用

采用有序中孔硅为模板成功合成了排列有序的炭纳米棒阵列OCNR. XRD测试和TEM观测表明, OCNR为有序排列(p6mm)的炭纳米棒阵列构成. N₂吸脱附测试表明, OCNR具有典型的中孔结构和集中的中孔分布. 与超大比表面积的活性炭Maxsorb相比, OCNR具有更好的电容特性, 更高的功率输出和优异的高频电容性能, 这都得益于OCNR规整的孔道有利于电解质水合离子的快速扩散. 循环伏安研究表明, 在50 mV/s的高电压扫描速度下, OCNR的比电容值仍可保持在166 F/g, 而此时Maxsorb的比电容值却降低到73 F/g. 值得一提的是, OCNR在提供高功率输出的同时, 仍能保持高的能量密度, 可以应用于对功率输出和能量密度都有较高要求的场合.     

燃料电池-真空热离子混合系统的性能特性和优化分析

基于固体氧化物燃料电池（SOFC）和真空热离子发电器（VTIG）的粒子流及电流模型,建立考虑多种不可逆性的一类不可逆SOFC-VTIG混合功率系统的一般循环模型.通过该混合模型得到了混合功率系统的效率与输出功率表达式,应用数值模拟获得混合功率系统的效率和功率随系统一些重要参数变化的关系曲线,从而揭示了混合功率系统的性能特征,确定了系统一些重要性能参数的优化判据,讨论了混合功率系统中的一些不可逆损失对系统优化性能的影响.本文所得的结果可为实际SOFC-VTIG混合功率系统的优化设计和运行提供理论依据.     

斯特林循环输出功率优化分析

基于有限时间热力学理论,结合理论和熵产理论,以输出功率最大为目标对斯特林循环进行了分析和优化,探讨了损失、耗散、熵产、熵产数及改进熵产数在系统参数优化方面的适用性.研究表明,当循环的热源为给定温度的无限热容热源时,系统的最大损失率对应于最大输出功率,最小熵产率和耗散率极值不与最大输出功率对应.当系统的热源为有限热容热源时,在给定高低温热源流体入口温度和热容量流的条件下,系统的最大损失率、最小熵产率、最小熵产数和最小改进熵产数均对应于系统最大输出功率,而耗散率极值不对应.随着高温热源流体热容量流增加,系统的输出功率、损失率、熵产率和耗散率均随之增加,而熵产数和改进熵产数先减小后增加.综合而言,在本文讨论的各种工况下,损失的概念用于斯特林循环输出功率优化时,其一致性优于本文讨论的其他参数.     

电动汽车锂离子动力电池充放电性能试验分析

根据电动汽车动力电池研发需求,对锂离子单体电池进行了一系列充放电试验,得到了该电池在不同放电倍率,以及不同温度条件下的充放电特性、开路电压、温升、内阻与效率特性.结果表明,锂离子电池具有比能量高、内阻小、放电效率高、放电特性良好等优点;锂电池的荷电状态与电池开路电压存在近似线性关系,这使得利用开路电压结合安时法估计电池的SOC成为现实.     

三类微型能量转换系统有限时间热力学性能优化的研究进展

随着分子生物技术、纳米技术和微电子技术的发展,微型能量转换系统日益受到人们的重视.微型能量系统中能量转换的机理和效率研究是涉及热力学、统计力学、物理学等多学科交叉融合的新课题,而能量系统的性能优化是揭示微型系统能量转换机理、提升能源利用效率的一个关键问题.本文在概述有限时间热力学理论产生和发展的基础上,结合国内外的研究现状,阐明性能优化对微型能量转换系统的意义,综述利用有限时间热力学理论对热驱动布朗马达、能量选择性电子机和热离子装置这三类典型微型能量转换系统进行热力学分析和优化研究的最新进展,并提出进一步的研究展望.     

基于概率方法的化学反应驱动热机有限时间热力学分析

基于Arrhenius动力学理论的化学反应驱动热机的功率优化,通过综合考虑将化学反应速率系数作为有限时间限制的条件以及化学反应过程与热机热力耦合过程的最优构型问题,分别对一级反应动力学模型和二级反应动力学模型进行了有限时间热力学分析,得出了化学反应与热机热力耦合关系的有限时间热力学特性对功率优化的影响.结合本文的计算结果与前人的工作分析可知,化学反应驱动3种热机模型时均存在一个最佳流率使装置的输出功率达到最大值,但在实际情况下,化学反应驱动一个按广义卡诺循环运行的热机时才能输出最大功率,且此时的最佳流率也能使装置的燃料效率接近最优.基于概率分析的有限时间热力学方法能够更加精确地描述热力系统的各项性能参数,本文通过概率分析的方法建立了一级反应动力学理论的概率模型,得到了化学反应驱动热机的功率和燃料效率的波动界限.所得结果不仅包含了传统分析方法的平均解,还将微尺度情况下的随机起伏考虑进去,能为微型尺寸系统的实际性能的预测提供更加丰富的信息.     

用于稳定金属锂负极的FeF_2/PVDF复合保护层

通过在金属锂箔表面涂覆氟化亚铁(FeF_2)/聚偏氟乙烯(PVDF)的复合保护层,制备了FeF_2/PVDF保护层修饰的改性金属锂负极.采用扫描电子显微镜(SEM)对循环前后的电极形貌进行表征,并通过恒电流充放电、电化学交流阻抗谱和倍率等测试对改性金属锂负极的电化学性能进行分析.研究发现,与传统的金属锂箔负极相比,具有保护层的金属锂负极循环后表面无锂枝晶和"死锂"产生,因此表现出良好的循环稳定性,恒电流(1 mA/cm~2)充放电循环1300 h,充放电间的电压迟滞始终稳定保持在50 mV;该改性金属锂负极与磷酸铁锂正极匹配后的全电池也展现出优异的倍率性能,在3 C的电流密度下放电比容量依然可以达到110 mAh/g.     

时变能量网络建模与分析

不同类型的能源系统通过能量转换设备(感应电动机、离心泵等)相互耦合,研究能源系统的动态特性及其仿真方法对综合能源系统优化设计及性能分析具有重要的实际意义.为对时变能量网络进行建模和分析,本文从能量本质的角度出发,通过深入探讨能量传递及转换机理,分别建立时变传递线(管)路和能量转换设备的能量网络等值模型.在时变能量网络模型的基础上,提出通过构建时变能量网络方程(包括状态方程和输出方程)对综合能源系统的动态特性进行建模仿真的分析方法,最后通过具体算例对本文所提分析方法的有效性及实用性进行验证.本文的研究内容为时变能量网络的建模、分析、优化及规划奠定了基础.     

多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶的制备及其电化学性能

以NH_4VO_3为原料,通过180℃下水热反应和550℃下NH_3处理制备了多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶,并对多孔VN纳米带气凝胶的电化学性能进行了分析.SEM和TEM分析表明所制备的多孔VN纳米带的宽度为100~400 nm,孔尺寸为10~20 nm.电化学阻抗谱分析表明多孔VN纳米带气凝胶对I3.还原反应具有很高的催化活性,电荷迁跃电阻为1.36Ωcm~2.用多孔VN纳米带气凝胶电极组装的染料敏化太阳电池的光电转换效率为7.05%,与传统的Pt电极电池相近.循环伏安和恒流充放电实验表明多孔VN纳米带气凝胶具有较好的电容性能.当电流密度为0.5 A/g时,多孔VN纳米带气凝胶在2 mol/L KOH溶液中的比电容达到292.2 F/g.因此,所制备的多孔VN纳米带气凝胶可以作为高效的电极材料应用于染料敏化太阳电池对电极和超级电容器电极中.     

基于广义传热定律的传热与热功转换优化

基于广义传热定律,本文分别从熵产和（火积）损失的角度对简单的传热过程与热功转换过程进行了优化,对熵产和（火积）损失的概念在上述过程优化中的适用性进行了讨论分析.研究表明,对于传热过程,（火积）损失率就是（火积）耗散率,该概念可有效优化传热过程.然而,在给定传热温差时,最大传热量不与最小熵产率对应,因此熵产最小化方法不一定适用于传热优化.对于热功转换过程,最大（火积）损失率和最小熵产率同时与系统最大输出功率对应.因此熵产最小化方法和（火积）理论均可用于优化本文讨论的热功转换过程.     

表面介质阻挡纳秒脉冲放电能量特性和诱导流动特性研究

聚焦于表面介质阻挡纳秒脉冲放电(NS DBD)基本问题,设计不同结构激励器,研究放电能量特性、诱导流动特性.结果表明:单位展长激励器单次放电能量随激励电压增大而非线性增大,其值在0.1~1 m J/cm量级,与激励器长度和激励频率无关;NS DBD瞬时功率可达几百千瓦,而时均功率较低,仅为瓦量级.NS DBD诱导流动的速度较低,在0.1 m/s量级上;提升激励电压对诱导速度提升不明显;随激励频率增大有所增大.NS DBD可诱导形成冲击波,其初始运动速度稍高于音速,不同结构激励器诱导冲击波在传播位置上无明显差别,主要影响诱导冲击波个数;激励电压对冲击波传播速度无明显影响;唯象学仿真表明不同沉积能量诱导冲击波速度不同,实验对应下的沉积能量诱导冲击波波速近于音速.     

纳米发电机应用:自驱动系统

智能传感是未来数字社会和智能社会的基础.然而,如何给数量庞大、分布广泛的各类传感节点提供持续的电源供给是一项巨大的挑战.摩擦纳米发电机(TENG)是近年来兴起的一种新型的机械能量收集技术,可以有效地将低频、低幅的机械能量转换为电能,一方面可以实现自主的、自驱动的机械信号传感;另一方面可以与能量存储器件集成,实现自充电的电源系统.同时,由于TENG在材料选择和结构设计上的多样性,适宜的应用场景非常广泛.因此,本文系统介绍TENG在自驱动系统方面的应用研究进展,主要包括自驱动传感和自充电系统两方面的典型研究工作,最后分析展望了现有研究的挑战和未来的潜在方向.     

应用于热光伏电池的一维Si/SiO_2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率.针对锑化镓(GaSb)电池热光伏系统的光谱控制要求,选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构;重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配,对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构;采用光学镀膜技术加工了滤光器结构,并测试其光谱特性,根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度.最后,测试了滤光器的抗高温性能.     

基于介电弹性软体材料的能量收集:现状、趋势与挑战

介电弹性体作为一种新型电活性软体功能材料,因具有柔性好、变形大、比能密度和能量转换效率高等多项优点,在面向人体及自然界的能量收集领域具有巨大的应用潜能.本文综述了国内外有关介电弹性体用于能量收集的研究现状及主要进展,着重围绕DE能量收集行为机理及模型描述、材料性能对能量收集的影响、能量收集器件结构设计、电路设计及相关产品的开发与应用等研究内容,分析了当前研究中存在的主要问题及挑战,并对该课题未来的发展趋势及研究重点进行了展望.     

固体氧化物燃料电池-斯特林热机混合动力系统的性能优化

应用电化学、非平衡态热力学和有限时间热力学等理论,建立包含多种不可逆损失的固体氧化物燃料电池与斯特林热机组合而成的混合动力循环系统理论模型,导出混合系统的输出功率和效率的表达式,确定混合系统的最大输出功率和最大效率及其工作在最大输出功率或工作在最大效率时的运行条件,给出系统的优化工作区域,详细讨论了热力学循环过程的不可逆性对混合系统优化性能的影响,探讨了固体氧化物燃料电池与斯特林热机之间的最佳匹配关系.所得结果可为实际混合动力系统的设计和优化运行提供理论依据.