基于热电类比法的光纤陀螺环模块热分析

为分析光纤陀螺（FOG,Fiber-Optic Gyroscope）受外界环境变化温度影响导致产生Shupe误差,采用热电类比法对不同结构形式的光纤环（FOR,Fiber Optical Ring）模块进行热分析,比较对应的电路模型,提出并联的热容和串联的电阻是影响FOG温度性能的关键因素.采用有限元热仿真定性分析了并联的热容和串联的电阻对FOG温度的影响,验证了电路模型的正确性;在与热仿真相同条件下,通过温箱实验,将FOR温度变化与FOG输出性能建立关联.结果表明,通过加大FOR模块连接处的串联热阻和并联热容,可有效降低FOR的瞬时温差,尤其是较大的热容能有效减小FOR温变速率,从而减小Shupe误差,改善FOG的温度性能.      

锂电池相变材料/风冷综合热管理系统温升特性

锂电池在高倍率充放电过程中会产生大量热量,此热量不及时散出会导致电池超温进而影响电池的使用寿命,甚至导致安全事故。本文设计了一种新型相变材料/风冷综合热管理系统(TMS),并对综合热管理方式下的电池温升特性进行了实验和理论研究。基于集总参数法,结合电池生热及散热机理,建立了电池发热功率计算模型以及相变材料/风冷综合TMS电池温度场数学模型,计算了电池单体发热功率,分析了环境温度、电池充放电循环初始温度、相变温度、对流热阻以及电池和相变材料之间的导热热阻对电池综合TMS性能的影响。结果表明:综合TMS的冷却性能优于纯风冷热管理系统;电池充放电过程为非稳态传热过程,因此较高的初始温度带来超温风险;电池温度场数学模型能准确反映电池升温行为;较高的环境温度下,电池最大温升幅度降低,但可能导致电池最高温度超过安全温度;相变材料的相变温度越低,电池最大温升越低;减小导热热阻及对流热阻能显著提高TMS性能。     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

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.      

微脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探

针对平板烧蚀型微脉冲等离子体推力器（μ PPT）,开展了放电过程研究和性能表征。根据放电过程的电学测量和等离子体区域的发光行为分析,研究了μ PPT的基本放电特点和放电形态演变。从空间分布看,μ PPT放电空间可分为3个区域（阴极区、弧柱区和阳极区）,随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。从时间分布看,μ PPT放电是由多个幅度不同的脉冲放电构成,放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电。根据μ PPT等离子体区的电流片模型,估算了μ PPT元冲量和推力等基本性能参数。结果表明,放电间隙和烧蚀量对μ PPT性能参数有重要的影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比冲越小。放电时空形态是影响μ PPT的元冲量和比冲的关键因素,因此,开展放电回路和放电间隙的阻抗优化研究是提高μ PPT性能的有效途径。     

便携式太阳电池特性参数获取系统

为了快速以及准确地获取太阳电池的特性参数（包括光生电流、反向饱和电流、二极管理想因子、串联电阻、并联电阻、短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流和填充因子等11个参数）,研制了一套由太阳模拟器模块、控制及处理模块、电子负载模块、信号采集模块、按键模块和显示模块6个部分构成的测试系统.该系统的主要特点在于,依次采用程控恒流型和恒压型电子负载以及变频采样技术,实现太阳电池电流与电压信号高精度测量;集成太阳电池参数解析提取算法进入数字信号处理芯片,实现便携式提取电池光生电流等参数.对不同光强下单晶硅太阳电池的测量以及数据拟合,获取了11个特性参数;并得到拟合曲线中电流最大均方误差小于0.006 A,证实参数获取是正确的.      

空气域与流体域耦合作用下双层电池包散热特性

多层垒叠电池包内空气域的存在使各层模组热流场耦合在一起,从而影响电池模组的散热性能。以方形双层电池包为研究对象,建立考虑电池模组与空气对流换热的液冷热模型。该模型中电池发热功率基于试验测定结果,前处理软件采用ANSA确保仿真精度,后处理软件采用CFX,对在不同放电倍率、冷却液进液方向和进液流量下双层电池结构中空气域对液冷热管理系统热行为的影响进行了研究,并与不考虑空气域同工况仿真结果对比。结果表明:空气域的存在不会对液冷双层电池包上下层模组温度分布产生影响;但可以降低上下层模组间的温差,其中上下层模组最高温升的差值最大可降低49.1%,改善了整包电池温度的一致性。      

CT导航混联医疗机器人灵活性研究

总结了目前医疗机器人灵活性的分析方法,基于服务球的数值法,对5R串联机器人和4H并联机器人进行了灵活度计算,得到了各自的任务灵活度.针对9-DOF冗余度串并混联医疗机器人运动学的复杂性以及难以获得逆解的解析解的状况,给出了串联部分、并联部分的位移流形,推导了混联机器人的位移流形.提出了混联机器人的灵活性分析方法,即基于位移流形(黎曼流形)的方法,并定义了混联机器人灵活度的通用解析表达式.基于黎曼曲面外接椭球面的面积计算,得到混联机器人的灵活度超过了CT导航手术所需的灵活度,满足手术要求,为微创外科混联机器人灵活性分析和度量提供了新的参考.      

平面并联机器人的轨迹控制与在线监控

提出了三自由度平面并联机器人的运动学控制方法,通过逆向运动学求解实现对机器人的轨迹规划;提出完成并联机器人在线监控的2个步骤:首先利用解析法实现并联机器人的正向运动学分析,再综合运用二分法和插值法进行正解的在线计算.还研究和完成了基于PC的模块化机器人控制系统设计,该设计主要包括使用C+ +语言完成并联机器人运动学控制算法编程和设计基于PMD(Performance Motion Devices)的模块控制器.该控制系统在三自由度模块化平面并联机器人上进行了演示,并将在MATLAB下实现的数值法与C+ +语言编写的解析法进行了比较,其结果验证了运动学算法和运动控制器的性能.      

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.      

锂离子动力电池系统多尺度热安全研究

锂离子动力电池系统作为电动汽车最重要的核心部件，其动力性能和安全可靠性的提升是中国电动汽车进一步规模化发展的重大需求。锂离子动力电池的热安全问题贯穿于电池系统的整个生命周期，且在单体-模组-系统不同空间尺度下的表现形式不同。针对锂离子动力电池系统多空间尺度热安全问题，分别从单体电池生热、模组温度均一性、电池系统安全可靠性3个方面归纳总结了目前动力电池热安全设计的最新进展，并对一些重要研究成果进行了着重介绍，总结了锂离子动力电池系统热安全设计亟待解决的关键问题，提出了可行的解决方案，对今后的研究方向进行了展望，旨在为电池系统动力性能和安全可靠性提升提供有益的借鉴和参考。     

基于多米诺效应的锂离子电池热释放速率分析方法

常用实验手段测得单节锂离子电池热释放速率无法真实反映航空运输包装件内大量锂离子电池因发生多米诺效应导致热量散失及传递过程间歇性变化。本文提出一种基于多米诺效应的锂离子电池热释放速率等效分析方法,即通过自主设计的实验平台对3×3排布的典型18650型锂离子电池热失控后发生的多米诺效应及各节电池表面温度进行分析。利用FLUENT使用标准18650型锂离子电池热释放速率曲线用于同等实验条件下的锂离子电池热失控传播仿真模拟,采用二分法逐次修正标准热释放速率、使仿真和实验的锂离子电池表面温度相符。将获得等效的锂离子电池热释放速率曲线再次应用于仿真,得到各电池的最高温度及达到最高温度的时间和实验数据相吻合,验证了修正后的等效热释放速率模型可靠性。该方法可适用于各型号及不同数量包装件内锂离子电池热释放速率获取,指导航空运输锂离子电池火灾防控工程实际。     

高高原低气压环境对锂离子电池循环性能的影响

随着锂离子电池在中国高高原地区及机场的应用，其在高海拔低气压环境下的循环性能及老化机制成为一个亟须解决的问题。对此，在96 kPa-25℃（常温常压）及60 kPa-25℃（常温低压）环境下，通过电池健康状态、直流放电内阻、电化学阻抗、容量增量及微分电压曲线等电池电化学特征参数对NCM523软包锂离子电池的老化行为进行了分析。研究表明:60 kPa低气压环境加速了锂离子电池老化进程，电池内部结构受60 kPa低气压应力影响，致使电池欧姆阻抗和电荷转移阻抗较常压工况分别增加6.22%和45.76%，锂脱嵌反应受限，电池界面动力学衰退；因电池阻抗增大造成以正极活性锂离子损失主导的循环容量加速衰减，电池健康状态衰减率较常压工况高3.08%。      

基于热失控风险指数的锂电池安全评价方法

针对当前锂电池安全性研究侧重于特征参数实验测量及反应机理分析,基于风险评估理论提出锂电池热失控风险指数并应用于锂电池安全定量评价,以点燃参数乘以环境因子表征锂电池热失控风险发生概率,以热释放参数和火势增长参数表征风险造成后果。选取陆空联运的冷链货物温度监测装置中常用的锂锰电池（CR）和锂亚硫酰氯电池（ER）,利用自主设计搭建的锂电池热失控实验平台获取上述参数并计算热失控风险指数。实例分析表明:适合于陆空联运的冷链货物ER14250型锂电池热失控风险指数为0.84,其安全性相对最高。所提方法可直接指导陆空联运冷链货物温度监测装置的锂电池选择,保证运输安全。      

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。     

GEO卫星氢镍蓄电池在轨温度波动机理分析

在某地球静止轨道通信卫星平台布局的基础上,通过合理地简化和假设建立了南蓄电池舱作为热分析计算模型,对影响蓄电池在轨温度波动的机理进行分析。分析结果表明：在冬至,西板、对地+Y板和背地+Y板受照外热流的日变化会引起其内表面温度大幅度波动,通过舱内热辐射又会引起服务舱南板等结构板内表面温度波动,而服务舱南板通过导热将引起安装其上的蓄电池温度波动,这是导致蓄电池温度波动的根本原因。