[发明专利]一种铝空气电池温度优化与控制方法在审
申请号: | 202011372652.X | 申请日: | 2020-11-30 |
公开(公告)号: | CN112582650A | 公开(公告)日: | 2021-03-30 |
发明(设计)人: | 卫东;梁旭鸣;沈永超 | 申请(专利权)人: | 中国计量大学 |
主分类号: | H01M8/04298 | 分类号: | H01M8/04298;H01M8/0432;H01M8/04537;H01M8/04701;H01M12/06;G01R31/367;G01R31/385;G01R31/389 |
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地址: | 310018 浙*** | 国省代码: | 浙江;33 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 空气 电池 温度 优化 控制 方法 | ||
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(Rcell)表示为:
Rcell=Rf+Rm+Rd
式中,Rf为活化内阻,Rd为浓差内阻,Rm为欧姆内阻;
步骤二:分别建立Rf、Rm、Rd三部分的直流内阻特性模型;
活化内阻Rf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Rm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;βi为模型仿真参数;
浓差内阻Rd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;Cg表示反应物总浓度,mol/L;
τ表示与电流相关的关系式:
Deff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(Rcell)表达式为:
步骤三:电池开路电压Eocv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Rcell表示为:
U=Eocv-i·Rcell=Eocv-i·(Rf+Rm+Rd)
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Tcell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。
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