CN112582650A - 一种铝空气电池温度优化与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种铝空气电池温度优化与控制方法，针对传统放电实验温度优化方法的不足之处，考虑到内阻是影响输出性能的根本原因，选取电池总内阻作为后续计算其输出电压的基础；首先从电池工作机理入手研究温度对总内阻的影响作用，建立温度‑直流内阻特性模型；再利用内阻模型计算得到不同输出电流下、不同温度工作时的输出电压，得到使电池在各个电流密度输出时输出电压最大时的温度值并绘制最优U‑I曲线；最后通过电池温度控制系统实现电池工作温度实时监测并进行温度优化控制；该方法能有效的通过温度控制提升电池整体利用效率，并且能防止电池工作温度过高而损伤电池，具有良好的工程经济性和应用前景。

Description

一种铝空气电池温度优化与控制方法
技术领域:
本发明属于铝空气电池领域，涉及一种铝空气电池温度优化与控制方法。
背景技术:
能源是经济发展的基础，全球经济的飞速发展和人口迅速增长所造成的环境问题日益严重，环境污染和能源过度开采使得全球能源供给问题日加严重。传统能源已经无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系要求。新能源的开发利用已经成为越来越受关注的课题。铝空气电池作为新一代能源电池，具有电流密度大、比能量高、原材料来源丰富、寿命长以及成本低等优点而备受人们青睐，有着光明的市场应用前景。
但是工作环境不合适会严重影响铝空气电池的输出性能，因此研究操作条件对电池输出性能的影响规律对优化操作条件、提高电池输出性能具有重要意义。目前对于铝空气电池大多数的输出性能研究主要是通过升级结构、电极材料、催化剂与添加剂等方法，对于电池的操作条件研究主要利用通过大量的放电实验来测定。但是这些方法会过多的依赖于高精度的硬件、传感器以及各种先进的材料等，可能还会对电池本身造成不可逆的损耗害，整体的工程经济性较差。
现有一种铝空气电池温度优化与控制方法，通过建立铝空气电池直流内阻特性模型，考虑温度对电池输出性能的影响，通过计算各个电流密度下的内阻，计算得到相同工作电流密度下，各个温度对应输出电压，并确定当前电流密度下输出电压最高时的温度为最优温度，并控制电池工作温度达到最优温度。
发明内容：
电池的输出电压能够最直接的反映出电池的输出性能，本发明基于所建立的温度-直流内阻特性模型，提出了一种铝空气电池温度优化与控制方法：首先通过分析铝空气电池内部机理，建立铝空气电池温度-直流内阻特性模型，通过内阻计算出电池在各个电流密度工作时的输出电压，并结合仿真与实验数据优化模型参数；在适当范围内，利用优化后的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，得到一条最优输出电压曲线，并记录电流密度对应的最优温度作为后续控制标准；在铝空气电池正常工作时，通过实时检测当前电流密度与工作温度，并与该电流密度的最优温度比较，得到T；最后利用温度控制系统实时控制电池温度达到最优温度，通过实验控制效果分析，该方法能有效的控制铝空气电池工作温度始终处于最优温度附近，并且实时性与稳定性都较好，证明方法是可靠、有效的。
为达到以上目的，该发明所叙述的方法有以下步骤：
步骤一：电池内部原理分析。铝空气电池实际工作时，温度会严重影响电池内阻和输出性能，控制铝空气电池温度保持在合适的范围是提升其输出性能的关键因素。由于极化现象的存在，电池的实际输出电压略低于理论电压，根据极化现象在不同输出阶段产生的原因及特点不尽相同，可将电池的总内阻(Rcell)分为活化内阻(Rf)、欧姆内阻(Rm)、浓差内阻(Rd)三部分。铝空气电池的总内阻(Rcell)是造成输出性能损耗最根本的原因，可表示为：
Rcell＝Rf+Rm+Rd (1)
步骤二：直流内阻特性建模。为了得到步骤一中的总内阻，首先需要根据电化学反应机理，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：
Figure BDA0002806576920000023
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：
Figure BDA0002806576920000021
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分别为模型仿真参数。
浓差内阻Rd与温度和电流密度之间的表达式为：
Figure BDA0002806576920000022
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：
Figure BDA0002806576920000031
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，效扩散率可以表示为：
Figure BDA0002806576920000032
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。
综上所述，结合式(1)、(2)、(3)、(4)得到铝空气电池总内阻(Rcell)表达式：
Figure BDA0002806576920000033
步骤三：利用总内阻计算输出电压。铝空气电池工作时，电池内部会产生闭环电流及副反应的现象，导致电池开路电压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) (8)
步骤四：结合仿真与实验结果优化模型。对上述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，再以仿真结果为指导，有针对性的进行实验验证。通过仿真得到电池总内阻、电池输出特性随温度与电流密度的变化规律，虽然具有一定的指导意义，但不能够等同于电池的实际工作情况，还需要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：绘制最优U-I曲线，得到每个电流密度下的最优温度。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，定该条曲线为最优U-I曲线，并记录下每个电流密度段的最优温度。
步骤六：根据最优U-I曲线进行温度控制。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。
附图说明：
图1发明方法具体流程图
图2理想与实际U-I输出曲线
图3不同温度下总内阻仿真图
图4不同温度下U-I输出特性仿真图
图5最优U-I输出曲线图
具体实施方式：
下面根据流程图图1并结合优选实施方案和附图说明铝空气电池温度优化与控制方法。本发明所述的铝空气电池温度优化与控制方法包括以下几个步骤：
步骤一：电池内部原理分析。铝空气电池实际工作时，电池内部复杂的电化学反应、传质传热过程都受温度的影响，当温度变化时会导致电池内阻和输出性能产生较为严重的改变。若温度过低，会使催化剂活性降低，电化学反应无法充分进行并且电解液电导率较大；若温度过高，则会导致铝电极发生大量副反应且降低空气电极性能。因此，控制铝空气电池温度保持在合适的范围是提升其输出性能的关键因素。如图2为铝空气电池在两种温度下的实际U-I曲线与理想情况示意图情况。
铝空气电池在实际工作过程中，极化现象会导致电池内部会消耗一部分能量，导致电池实际输出电压略低于理论电压。根据极化现象在不同输出阶段产生的原因及特点不尽相同，故将极化现象划分为活化极化损失(ηact)、欧姆极化损失(ηohm)和浓差极化损失(ηcon)，如图2所示。电池的总内阻(Rcell)即由活化内阻(Rf)、欧姆内阻(Rm)、浓差内阻(Rd)三部分组成，是造成铝空气电池输出性能损耗最根本的原因。总内阻(Rcell)可表示为：
Rcell＝Rf+Rm+Rd (9)
步骤二：直流内阻特性建模。为了得到步骤一中的总内阻，首先需要根据电化学反应机理，分别建立Rf、Rm、Rd三部分的温度与直流内阻特性关系模型。
活化内阻Rf与温度和电流密度之间的表达式为：
Figure BDA0002806576920000041
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：
Figure BDA0002806576920000051
其中，c为电解液浓度，c＝3mol/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：
Figure BDA0002806576920000052
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：
Figure BDA0002806576920000053
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，效扩散率可以表示为：
Figure BDA0002806576920000054
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。
结合式(9)、(10)、(11)、(12)得到铝空气电池总内阻(Rcell)表达式为：
Figure BDA0002806576920000055
步骤三：利用总内阻计算输出电压。利用步骤二中得到的总内阻表达式，建立U-I输出特性模型，计算电池输出电压。铝空气电池工作时，电池内部会产生闭环电流及副反应的现象，导致电池开路电压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) (16)
由U的表达式可知，电池在定电流工作时，其输出性能主要受总内阻Rcell影响，Rcell越小，电池输出电压越高，输出性能越好，因此在工作电流确定时，通过控制温度使总内阻Rcell降低能有效控制输出电压U保持在较大值，是提升电池输出性能的有效途径。
步骤四：结合仿真与实验结果优化模型。对上述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。再以仿真结果为指导，有针对性的进行实验验证。通过仿真得到电池总内阻、电池输出特性随温度与电流密度的变化规律，虽然具有一定的指导意义，但不能够等同于电池的实际工作情况，还需要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。
铝空气电池工作时，若温度过高会造成电池性能严重下降，甚至损伤电池，因此在本发明研究中，仿真和实验时温度设定最低为室温，最高不超过333K。由于在电池实际工作及测量控制过程中，温度测量会存在一定偏差与滞后，为保证电池性能优化与实验的可操作性，本发明将温度范围划分为293K、303K、313K、323K、333K。工作电流密度范围选取0-250mA，其他变量根据电池特性设定为较优值并保持不变，为了保护电池，设定其工作输出电压不得低于0.3V。如图3为各温度下总内阻仿真结果，通过对仿真图分析可知，电池从刚启动时，在活化段总内阻迅速下降，并在欧姆段达到最小值并保持稳定，当电流密度小于200mA时,温度越高，电池总内阻越小。当电流密度大于200mA时，受浓差内阻影响，总内阻开始迅速增大，且温度越高增长速度越快。图4为各温度下U-I输出特性仿真曲线，经过仿真结果与实验数据比较，证明模型具有较高的准确性和可靠性。
步骤五：绘制最优U-I曲线，得到每个电流密度下的最优温度。根据实验优化后的内阻特性模型，通过式(16)计算得到的各温度、各输出电流密度下的输出电压，电流密度间隔取5mA左右，绘制各电流密度、不同温度下输出电压最高点组成的曲线，如图5所示，圆点所表示的点即为设定条件下各个电流密度下输出电压最高的曲线，定该条曲线为最优U-I曲线，并记录下每个电流密度点的最优温度。
分析图5中的最优U-I曲线，可将铝空气电池各个电流密度工作时的温度控制范围划分为：
(1)当电流密度小于170mA时，T最优＝333K左右；
(2)当电流密度为170-225mA时，T最优＝323K左右；
(3)当电流密度大于225mA时，T最优＝313K左右。
步骤六：根据最优U-I曲线进行温度控制。在铝空气电池正常启动工作状态下，电池温度一般为室温，经测定为20℃(293K)左右。结合步骤五中所划分的温度控制范围可知，当铝空气电池启动后，即需要对电池温度进行提升，等待其工作稳定后，测量电池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，若△T大于0，则控制电池降温；若△T小于0，则控制电池升温。在电池工作过程中会根据输出功率的大小而产生不同的热量，工作功率较大时产热较多，电池内部温度上升较快；工作功率较小时产热较少，电池内部温度上升较慢，因此在上述过程中，需不停的检测电池温度传递到信号处理器进行实时控制。
本发明的所述的铝空气电池温度优化与控制方法，其特征在于：在铝空气电池实际工作中，其输出特性会随外部负载改变而产生改变，因此有必要对电池在任意输出电流下的输出性能进行优化。通过放电实验测定等传统的温度优化方法不仅操作复杂，对硬件要求较高，并且电池本身工作时产生的热量会给实际操作带来不同程度的精度影响，本发明所述方法从机理上研究了温度对总内阻的影响作用，建立温度-直流内阻模型，利用内阻模型计算不同输出电流下、不同温度工作时的输出电压，得到使各个电流密度输出时输出电压最大的温度值，并实现电池工作温度实时监测并进行温度优化控制，该方法能有效的通过温度控制提升电池整体利用效率，并且在一定程度上能防止电池温度过高损伤电池，具有良好的工程经济性和应用前景。

Claims (2)

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：
Figure FDA0002806576910000011
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：
Figure FDA0002806576910000012
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：
Figure FDA0002806576910000013
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：
Figure FDA0002806576910000021
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：
Figure FDA0002806576910000022
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：
Figure FDA0002806576910000023
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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CN113346113A (zh) * 2021-05-28 2021-09-03 襄阳达安汽车检测中心有限公司 一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法
JP7256573B1 (ja) 2022-06-27 2023-04-12 中汽研新能源汽車検験中心（天津）有限公司 シミュレーションと試験を組み合わせた燃料電池の性能最適化方法、装置及び電子機器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113346113A (zh) * 2021-05-28 2021-09-03 襄阳达安汽车检测中心有限公司 一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法
JP7256573B1 (ja) 2022-06-27 2023-04-12 中汽研新能源汽車検験中心（天津）有限公司 シミュレーションと試験を組み合わせた燃料電池の性能最適化方法、装置及び電子機器
JP2024003738A (ja) * 2022-06-27 2024-01-15 中汽研新能源汽車検験中心（天津）有限公司 シミュレーションと試験を組み合わせた燃料電池の性能最適化方法、装置及び電子機器

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