[发明专利]一种铝空气电池温度优化与控制方法

权利要求书

1.一种铝空气电池温度优化与控制方法，所述方法包括：通过分析铝空气电池内部机理建立起铝空气电池温度-直流内阻特性模型；基于所述特性模型，通过结合所述铝空气电池在各个电流密度工作时的输出电压、仿真数据、实验数据得到优化模型；通过所述优化模型计算并绘制各个温度、电流密度下的U-I曲线，取任意电流密度下输出电压最高的点，得到一条最优U-I输出曲线，并记录各个电流密度对应的最优温度作为控制标准；通过实时检测当下电流密度与工作温度，并与所述当下电流密度对应的最优温度比较，得到温度差△T；通过温度控制系统实时控制电池温度达到并始终保持在最优温度；具体步骤如下：

步骤一：将所述铝空气电池的总内阻(R_cell)表示为：

R_cell＝R_f+R_m+R_d

式中，R_f为活化内阻，R_d为浓差内阻，R_m为欧姆内阻；

步骤二：分别建立R_f、R_m、R_d三部分的直流内阻特性模型；

活化内阻R_f与温度和电流密度之间的表达式为：

式中，i为工作电流密度，Acm^-2；i₀为参考状态下的交换电流密度，Acm^-2；α为电荷转移系数，α＝0.015；n为电化学反应转移电荷数，n＝4；△G为电化学反应活化能；T为工作温度，K；T₀为参考温度，293K；F为法拉第常数，96485C/mol；R为理想气体常数，8.314J/(mol·K)；

欧姆内阻R_m与温度之间的表达式为：

其中，c为电解液浓度，mol/L；L为电池宽度，cm；S为电池电解液截面积，cm²；β_i为模型仿真参数；

浓差内阻R_d与温度和电流密度之间的表达式为：

其中，δ为扩散层厚度，μm；C_g表示反应物总浓度，mol/L；

τ表示与电流相关的关系式：

D_eff为有效扩散率，在多孔结构中，考虑到温度对扩散率的影响，并根据Bruggeman修正，有效扩散率可以表示为：

式中，ε表示多孔电极孔隙率，ε＝0.5；D₀为标准扩散常数，2.2×10^-9m²/s；

综上，铝空气电池总内阻(R_cell)表达式为：

步骤三：电池开路电压E_ocv与理想能斯特电压之间存在一定的电压降，电池输出电压U为其与各部分极化损失之差，电池输出电压U可用总内阻R_cell表示为：

U＝E_ocv-i·R_cell＝E_ocv-i·(R_f+R_m+R_d)

步骤四：对步骤一至三中建立的直流内阻特性模型与U-I输出特性模型进行仿真分析，分析温度、电流改变对电池输出性能的影响作用，为保证电池输出性能与实际可操作性，所述方法温度设定为293K至333K之间，每10K为一个阶段，再以仿真结果为指导，有针对性的进行实验验证，通过结合仿真数据与实验数据，对建立的内阻特性模型和U-I输出特性模型进行拟合和误差分析，优化模型参数，验证模型的有效性和准确性；

步骤五：根据实验优化后的内阻特性模型计算得到的各温度、各输出电流密度下的输出电压，绘制不同条件下输出电压最高点组成的曲线，定所述输出电压最高点组成的曲线为最优U-I曲线，并记录下每个电流密度段的最优温度。

2.根据权利要求1所述的一种铝空气电池温度优化控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述铝空气电池设有温度控制系统，所述铝空气电池稳定工作时，先测量其工作电流及电解液温度，经信号处理器处理后得到当前温度T_cell与当前电流对应的最优温度T_最优的偏差值△T，再将温度偏差值△T传递到温度控制器，最后通过温度控制系统控制电池工作温度达到最优温度T_最优，在此过程中，不停的检测电池温度传递到信号处理器进行控制。