基于Kalman滤波的镍氢动力电池SOC估算方法

动力电池的荷电状态(SOC,State-of-Charge)是电动车能量控制的重要参数,针对镍氢动力电池,建立了一种新的状态空间模型.电池模型采用荷电状态和极化状态作为状态向量,考虑持续充放电时电荷累积效应对电池电压的影响,对模型的状态方程进行了优化,增加了电荷累积项,以提高模型在变电流充放电过程中的精度.根据Kalman最优滤波理论,设计了电池荷电状态Kalman滤波递推算法,估算方法考虑了电池电压、电流和电池温度,给出了递推计算公式.根据恒流充电、恒流放电、脉冲充/放电、变电流充/放电实验的实验数据,对模型进行了仿真分析.结果表明,采用Kalman滤波估算方法有利于提高动力电池的荷电状态估算精度,适合应用在混合动力电动车中.      

考虑倍率的平流层飞艇储能电池建模与分析

准确掌握储能电池的实际电量是确保平流层飞艇实现长航时飞行的关键因素之一。首先，建立了平流层飞艇能源系统仿真模型，对能量输入和消耗进行动态分析。随后，对储能电池进行不同电流倍率的充放电测试，采用多项式拟合的方法，根据测试数据建立了储能电池充放电过程中荷电状态(SOC)、剩余放电时间(RDT)、剩余充电时间(RCT)的分析模型。最后，结合能源系统能量输入、消耗模型和储能电池模型进行飞行模拟仿真，获取各部分变化数据，与已有试验数据进行量化对比分析。结果表明:所构建储能电池模型在SOC、RDT、RCT的计算误差分别小于3%、1.5%、1.5%，能够准确反映电池工作过程中SOC、RDT、RCT的变化，可为平流层飞艇平台制定优化的飞行策略提供量化支撑。      

航天器介质材料深层充放电实验与数值模拟

空间辐射环境中高能电子诱发的介质材料深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一. 本文采用不同束流强度的电子枪电子, 研究了不同厚度的聚酰亚胺薄膜的深层充电过程; 利用Sr90放射源电子模拟GEO轨道高能电子环境, 研究了在其辐照下聚甲醛树脂和聚四氟乙烯材料的表面电位变化; 实验观测了深层放电产生的电流脉冲和电场脉冲. 提出了深层充电模型, 较好地模拟了实验测量结果, 并且分析了深层充电平衡电位和平衡时间随电子束流强度和介质电阻率的变化规律. 实验和数值模拟结果初步揭示了深层充放电效应的特征及规律, 表明深层充电现象随着电子束流强度和介质电阻率的增加而趋于明显, 介质电阻率是影响深层充电平衡电位和平衡时间的主要因素.      

利用健康因子的卫星电池容量估计方法

卫星在轨工作期间,准确估计电池容量对提高电源系统的安全性与可靠性有重要意义。为此,针对电池在工作过程中实际容量难以直接测量的问题,提出一种利用间接健康因子估计电池容量的方法。首先,从锂电池恒压充电模式下的电流数据中提取平均充电电流,将其作为反映电池容量变化的特征参数。在实现了锂电池健康状态表征的基础上,对比分析容量和平均充电电流随着充放电循环周期的变化曲线。然后,讨论了容量和平均充电电流之间的相关性,进而建立了容量估计模型。最后,通过从NASA锂电池数据集中提取容量和平均充电电流,划分训练集和测试集,验证了用该方法估计容量的有效性和准确性。     

电动汽车动力电池生热模型和散热特性

结合Bernardi生热速率模型建立了单体电池正极片集流体、负极片集流体和电池极板的热耦合模型以及成组电池传热模型;利用Fluent软件仿真分析了自然通风环境中LiFePO₄单体电池的生热特性,模拟了强制空气对流冷却条件下成组电池的生热和散热特性,分析了电池箱出风口位置对电池温度的影响;计算了不同放电倍率下电池组温度变化.计算结果表明:动力电池恒流放电末期,正、负极片的电流密度最大值出现在极耳处,正、负极耳温度高于极板温度,且正极耳温度大于负极耳温度;强制冷却条件下成组电池热特性满足安全工作温度要求;电池箱出风口位置直接影响冷却空气速度场和电池组温度场分布,出风口设置在电池箱下部有助于改善其热状态一致性.对特征点温度监控数据与仿真结果的误差小于5%,能够满足工程需要.      

基于BP神经网络的介质表面充电电位反演方法

为了实现全面、实时的在轨卫星充放电风险分析,基于在相同环境下,不同材料表面充电的关联性,利用BP神经网络建立了一种由Kapton材料表面充电电位反演卫星其他常用介质材料表面电位的模型。以Kapton材料的表面电位以及材料厚度为输入,其他介质材料的表面电位作为模型输出,使用COMSOL建立的表面充电模型对神经网络进行训练,将反演误差降低到10%以下,并利用Kapton与Teflon材料表面充电地面试验数据验证反演模型的准确性,结果显示Teflon表面电位的反演值与实测值间的相对误差小于16%。     

150kV逆变电源性能优化及其束源特性

为了进一步提高电子束流发生系统工作的可靠性和稳定性,提高电子束加工质量,采用AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓扑电路、新型功率变压器、高压脉冲检测技术、优化的束流反馈控制与灯丝加热电流闭环反馈控制技术等,分别优化了高压加速电源、偏压电源与灯丝加热电源。将所研制逆变电源与150 k V/30 k W电子枪、真空系统等组成了一套电子束流发生系统,测试了该电子束流发生系统输出的高压、最大束流以及灯丝加热电流、偏压变化对束流输出的影响。试验结果表明:经过优化的逆变电源高压输出达到-150 k V,高压输出线性度较好,最大束流达到200 m A;高压、灯丝加热电流给定时,随着偏压降低,束流输出逐渐增大;高压、偏压给定时,随着灯丝加热电流增大,束流输出存在死区、线性增大区和恒流区。     

CRRES卫星内部充电的模拟计算与验证

基于Geant 4软件建立一种用于计算航天器内部充电所产生电场的方法.分析载有IDM仪器的CRRES卫星当时所处的空间电子环境,使用该方法进行内部充电模拟,并将模拟结果与IDM仪器所测得的放电脉冲数据进行对比,不仅验证了该方法的有效性,更重要的是深入认识了引起航天器内部充电的空间环境特征以及材料特性对充放电效应的影响.介质内最大电场的模拟计算结果与CRRES卫星实际观测到的放电现象吻合;在材料的各项参数中,与辐射感应电导率有关的kp系数对稳态电场有很大影响,为了定量研究内部充电效应,需要在实验室精确地测定kp系数;材料的暗电导率、密度以及材料的分子构成等也与内部充电效应有关,对这些参数细致地研究有助于对内部充电效应的认识.      

基于神经网络及深层充电的电子通量反演模型

为了实现对空间高能电子通量的估计及航天器深层充放电的风险评估,基于深层充电和空间电子环境的关联性,利用人工神经网络（ANN）建立了一种由深层充电反演空间高能电子环境的模型。以深层充电探测电流密度及电子能量作为模型输入,电子通量作为模型输出,使用AE9模型对神经网络进行训练,将神经网络的MSE降低到了0.04122,并使用Giove A卫星的深层充电探测数据及GOES卫星的电子通量探测数据验证了模型反演电子环境的准确性。同时对由探测电流计算航天器典型介质材料最大内电场的神经网络模型进行了研究,以实现对航天器内充电风险实时评估。     

基于空间信息的GE O卫星蓄电池充电优化控制

以提高GEO三轴卫星氢镍蓄电池充电效率为目的,首次将卫星、太阳的空间信息与卫星蓄电池充电结合起来,设计了基于空间信息的蓄电池最佳补充充电方法,建立了极值法预测蓄电池充电最佳时段的解算模型,并仿真验证了蓄电池最佳充电时刻与蓄电池壳温最低时刻的一致性。在轨应用表明,采用地面解算模型充电与星上自主充电相比,有效充电容量提高了5倍,解决了常规地面蓄电池补充充电不能满足星上能源需求的难题。     

基于燃料电池的复合电源式装载机分层控制

装载机能耗高、排放差, 研究装载机新能源技术具有重要意义。结合装载机工况特性提出了燃料电池与超级电容联合驱动的电源系统, 围绕复杂工况下燃料电池和超级电容系统动态模型的实时工况数据进行自适应能量管理策略研究。设计了复合电源拓扑结构与动力传动方案, 建立装载机复杂工况下系统多状态模型, 基于Haar小波理论对整车系统进行功率分流, 提出模糊逻辑能量管理策略动态平衡需求功率中的低频分量, 采用粒子群算法对控制系统进行优化。仿真结果显示:载荷功率经过最优阈值3层Haar小波处理后, 功率变化大幅度减缓, 有效提升燃料电池系统的寿命；模糊逻辑控制器输出的燃料电池功率曲线变化光滑, 超级电容SOC值处于设定区域内, 提高复合电源系统的综合效率；经过粒子群算法优化控制器后, 燃料电池输出平均功率同比下降约5%, 超级电容SOC值在约0.6达到动态平衡状态, 改善了装载机的动态响应和稳定性。      

基于制动边界与意图识别的再生制动策略

有效的再生制动策略能够增加电动汽车回收能量,提高其续航能力。通过汽车制动动力学以及相关法规的分析,提出了基于边界最大化的再生制动力分配策略,建立了基于制动踏板深度、车速、SOC的模糊制动意图识别模型,识别驾驶员制动意图;建立了基于电机效率曲线的电池充电保护模型,限制电池充电电流。通过对Cruise仿真平台的二次开发,研究本文提出的再生制动策略对于电动汽车续驶里程的影响。在新欧洲行驶循环(NEDC)条件下,该策略能够增加电动汽车续驶里程7.8%;在美国联邦环保局测试工况(FTP75)条件下,该策略能够增加电动汽车续驶里程27.3%。     

Active space debris charging for contactless electrostatic disposal maneuvers

The remote charging of a passive object using an electron beam enables touchless re-orbiting of large space debris from geosynchronous orbit (GEO) using electrostatic forces. The advantage of this method is that it can operate with a separation distance of multiple craft radii, thus reducing the risk of collision. The charging of the tug–debris system to high potentials is achieved by active charge transfer using a directed electron beam. Optimal potential distributions using isolated- and coupled-sphere models are discussed. A simple charging model takes into account the primary electron beam current, ultra-violet radiation induced photoelectron emission, collection of plasma particles, secondary electron emission and the recapture of emitted particles. The results show that through active charging in a GEO space environment high potentials can be both achieved and maintained with about a 75% transfer efficiency. Further, the maximum electrostatic tractor force is shown to be insensitive to beam current levels. This latter later result is important when considering debris with unknown properties.     

基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法

为综合研究步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹对多足机器人步态稳定性和能耗的影响,文章提出一种基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法,将步态优化过程转换为两个嵌套的子优化问题。首先,采用一种基于零力矩点稳定性理论的机身运动轨迹规划方法,针对给定的下一步落足点和支撑多边形,规划机身运动轨迹,在保证机身轨迹连续平滑的同时,确保机器人在迈步过程中的稳定性。其次,提出一种基于能耗指标的周期性步态优化方法,建立足式机器人虚拟样机模型作为步态优化模型,对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化,保证机器人的步态稳定性,得到使机器人前进单位距离能耗最小的步态。最后,搭建足式机器人虚拟样机仿真平台,仿真结果表明,采用本文的步态优化方法,在保证机器人平稳前进的同时,机器人前进单位距离能耗与优化前相比降低了约14%。     

MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chemical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynamics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.     

空间磁场环境模拟线圈驱动恒流源设计

针对空间磁场环境模拟线圈磁感应强度0~20 Gs连续可调,磁场稳定度优于1%的要求,采用前级电压源与后级电流源串联的主电路拓扑结构,结合电压双闭环控制和电流闭环负反馈控制的方法,实现了稳定的电流输出,减小了功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功耗,提高了恒流源的效率.测试结果表明:恒流源输出电流0~10 A连续可调,霍姆赫兹线圈中心磁感应强度能达到20 Gs的设计要求,电流稳定度优于0.1%,磁场稳定度优于1%.      

中国CNG/汽油两用燃料汽车全生命周期评价

基于GaBi软件建立了压缩天然气（CNG）/汽油两用燃料汽车全生命周期评价模型,利用该模型分析了两用燃料汽车从原材料获取到报废回收各阶段的能耗和排放,以及全生命周期能耗和排放对CNG-汽油使用里程比、整车总使用里程和电力结构的敏感性。研究结果表明:全生命周期内,使用阶段能耗和污染物排放最多,占全生命周期的50%以上;主要污染物为CO、NO_x和SO₂等;CNG/汽油两用燃料汽车在成本较低的情况下可有效降低环境影响,但发展CNG专用汽车则对节能减排更为有利;实施报废汽车回收利用、增大CNG使用里程比、提高利用可再生能源发电的比例可有效降低全生命周期的能耗和排放。      

纤维素航油缩合-加氢工艺能耗分析

随着纤维素原料制备糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸平台化合物技术的日益成熟，平台化合物再利用技术成为国际热点。通过研究平台化合物自缩合与交叉缩合工艺特点，以及后续加氢制备合成航油烷烃的可行路径，设计了利用2条纤维素生物质平台化合物全组分制备航油的工艺，通过能耗分析与评价，确定了每条工艺路线中的主要能耗单元及主要输入的耗能物质。结果表明:糠醛-乙酰丙酸交叉缩合加氢工艺相比糠醛自缩合加氢工艺、5-羟甲基糠醛自缩合加氢工艺在热耗、氢耗等方面有明显优势。为实现秸秆的全组分利用，提出糠醛-乙酰丙酸交叉缩合加氢联合5-羟甲基糠醛自缩合加氢工艺，根据目前的工艺技术，航油收率可达19.6%。