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2019年, 第17卷, 第6期 刊出日期:2019-11-30
  

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  • 电源学报. 2019, 17(6): 0-Ⅳ.
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  • 新颖开关电源
  • 袁义生,梅相龙,毛凯翔
    电源学报. 2019, 17(6): 1-8. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.1
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    提出了一种宽电压范围输出的三电平DC/DC变换器,其包含两组并联的主桥臂和辅助桥臂以及级联形式连接的主变压器和辅助变压器。该变换器具有低压低功率和高压高功率两种工作模式,其中低压模式下辅助桥臂不开通以降低电路损耗,高压模式下辅助桥臂开通以提高输出电压。与传统电路相比,变压器具有更低的变比,分析了传统拓扑的损耗,并比较了新拓扑与传统拓扑在不同输出模式下的效率,得出新拓扑在低压模式下具有更高效率的结论。研制了一台2 000 W的原理样机,实验数据表明,在低压模式下新拓扑的效率仍可高达94%,较传统拓扑提升了3%,验证了理论分析的正确性。
  • 其他
  • 丁新平,余岱玲,宋英杰,张堃,公维平,张民
    电源学报. 2019, 17(6): 9-14. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.9
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    提出了一种集成开关耦合电感升压-反激变换器SCIBFC(switched-coupled inductor boost-flyback con-verter)。该变换器具有电压增益大、效率高等特性,适合应用于光伏发电等需要高电压增益的场合。在分析电路稳态工作原理和工作模式的基础上,推导出了电路各部分的相关关系;研究了电路寄生参数对电路升压增益等的影响,为选择高电压增益电路提供定量依据。SCIBFC电路的MOS管能够实现ZCS导通和ZVS关断,同时整流二极管能够ZCS关断,实现软开关,因此可以提高电路效率并改善电路EMI。最后搭建了20 W的实验样机,验证了所提电路的正确性和可实施性。
  • 杨玉岗,苗怀锦,许静,关婷婷
    电源学报. 2019, 17(6): 15-19. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.15
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    为了提高交错并联Buck变换器的轻载效率,在之前通道控制的基础上,提出了轮换型通道控制方案。当变换器工作在满载时,采用PWM控制方式;当变换器工作在轻载时,采用PFM控制方式,减少了因某一通道开关器件长期工作所带来的老化效应,使得变换器在全负载范围内具有更高的效率。以4相交错并联Buck变换器为例,通过仿真和实验验证了理论分析的可行性。
  • 新颖开关电源
  • 程为彬,李璐,郭颖娜,宋久旭
    电源学报. 2019, 17(6): 20-26. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.20
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    非线性现象在DC-DC开关变换器中普遍存在,具体表现为次谐波振荡和混沌等不稳定现象。针对此,研究了峰值电流控制下的DC-DC Boost变换器,通过采取固定斜坡补偿可消除其电路中的非线性现象,但降低了参考电流和输入功率。为解决上述问题,提出了一种优化的斜坡补偿方案来解决固定斜坡补偿带来的参考电流和输入功率降低的问题,同时推导出其参考电流和电感电流平均值的表达式,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性及所提优化补偿策略的有效性。
  • 系统仿真、建模与控制
  • 柴秀慧,曹晗,张波,焦猛,张纯江
    电源学报. 2019, 17(6): 27-33. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.27
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    实际存在的系统大多具有分数阶特性,利用分数阶微积分理论对原系统进行建模能够更加准确地描述系统行为,并且用分数阶PID控制器代替整数阶PID控制器可以获得更好的系统性能。首先利用Oustaloup算法对s0.8进行5阶拟合,进而构建出5阶拟合的分数阶电感电容模型,相比10阶模型得到简化。在建立了Boost变换器的分数阶数学模型基础上,采用分数阶PID控制器形成了电压电流双闭环的Boost变换器全分数阶化系统。利用MATLAB软件对分数阶电路模型、分数阶数学模型以及全分数阶化系统进行仿真。研究结果表明,分数阶模型可以更准确地描述Boost变换器特性,分数阶PID控制的全分数阶化系统具有良好的稳态和动态性能。
  • 肖蕙蕙,陈敏,陈艳,崔森,居鑫
    电源学报. 2019, 17(6): 34-40. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.34
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    为使Buck变换器输出电压响应速度快、增强系统鲁棒性及控制精度,削弱传统滑模控制的抖振现象,提出了一种基于多幂次趋近律的滑模控制策略。根据Buck变换器工作模式,利用状态空间平均化法建立了数学模型,并基于多幂次趋近律设计了对应的滑模控制器。仿真和实验结果表明,相对于传统PI控制策略,采用基于多幂次趋近律的滑模控制策略可使Buck变换器动态响应更快,鲁棒性更好。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 陈浩,胡雪峰,王建章
    电源学报. 2019, 17(6): 41-49. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.41
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    提出了一种高增益交错耦合电感DC-DC变换器,采用二极管、电容和电感构建无源吸收网络,回收再利用漏感能量,开关管的开关电压尖峰得到抑制,进而减小了开关管的电压应力;选用导通阻抗低的MOSFET,降低开关损耗,改善变换器效率。将2个电容和2个耦合电感副边相结合,1个导通周期内,当电容并联导通时,储存在耦合电感中的能量给电容充电;当电容串联导通时,将能量释放给输出端,从而获得高增益。此外,二极管的反向恢复问题得到有效抑制;交错并联控制抑制了输入电流纹波,变换器性能得到改善。对电路的操作原理和模态变化作了详细分析,最后搭建了1台300 W、20 V/240 V的实验样机,验证了理论分析的正确性。
  • 新颖开关电源
  • 王柏樟,张卫平,张晓强
    电源学报. 2019, 17(6): 50-56. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.50
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    LLC谐振变换器是具有低开关损耗、高效率和高功率密度、可以实现ZVS(zero voltage switching)等诸多优点的DC/DC变换器。谐振网络各元件的参数设计对提高变换器的性能有着重要影响。在对LLC谐振变换器的结构与工作原理、直流电压增益特性、实现ZVS的条件的分析基础上,总结出一种简单合理的LLC谐振变换器的设计方法,并对谐振网络各参数的权衡进行详细地分析与讨论,给出了具体的设计过程。最后设计了60 kHz、50 W的LLC谐振变换器,实验结果证实了设计方法的可行性。
  • 高频磁元件和集成磁技术
  • 李洪璠,刘歆俣,李洪亮,李洪珠
    电源学报. 2019, 17(6): 57-62. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.57
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    为提高Sepic变换器的电压增益,同时减小电感电流纹波及变换器体积,研究了一种新型磁集成组合式Sepic变换器。将2组Sepic变换器结合在一起,提出组合式Sepic变换器的拓扑结构,并将其中2个储能电感进行磁集成。新型组合Sepic变换器具有较低的电感电流纹波,且其电压增益是传统Sepic变换器的2倍,在采用磁集成技术后,合理设计耦合系数,集成下的电感电流纹波明显减小。分析了该变换器的各项工作性能;应用PSIM仿真软件对理论分析进行仿真验证;最后制作实验样机对理论分析与仿真数据进行实验验证。
  • 多电平、新颖PWM控制
  • 彭泓,田乐杰
    电源学报. 2019, 17(6): 63-69. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.63
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    Z源三电平逆变器通过注入直通状态可实现Z源三电平逆变器升压功能,但现有文献并没有考虑中点电位不平衡问题。为此,提出一种基于SPWM的方法来实现Z源三电平升压和中点平衡控制。首先通过注入直通状态实现升压控制,然后在此基础上,通过增加前馈改变直通占空比的方法实现了中点平衡控制。该方法不会增加Z源T型三电平逆变器的开关损耗,仿真和实验验证了所提方法的正确性。
  • 逆变器与UPS
  • 居鹏,高格,王林森,左英
    电源学报. 2019, 17(6): 70-76. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.70
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    大功率逆变电源系统故障的形式多样且后果严重,保护系统的准确性和实时性尤为重要。针对级联H桥逆变系统的结构特点,将其划分为交流输入、直流母线和交流输出3个环节,并对各环节可能出现的故障进行了分析。设计了包含硬件保护和基于DSP软件保护的综合保护系统,应用于ITER传感器稳态测试平台高精度电源中。实验结果验证了该综合保护系统的可行性和有效性。
  • 系统仿真、建模与控制
  • 张旗,蔡逢煌,王群兴,苗中磊
    电源学报. 2019, 17(6): 77-83. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.77
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    双Buck逆变器由于无桥臂直通、可靠性好等优点而被广泛应用,然而当负载突变时输出波形质量较差。在建立逆变器控制系统状态空间模型的基础上,引入了电流内环PI控制、电压外环重复控制的复合控制策略。其中,电流内环PI控制,可实现系统快速动态响应,解决负载突增输出电压跌落问题;电压外环重复控制提高系统稳态精度。相比传统PI双闭环控制,该复合控制策略下的系统可实现无静态误差,可有效提高控制精度及输出波形质量,增强抗负载突变扰动能力。仿真与实验结果验证了该方法的有效性及可行性。
  • 电力传动与变频调速
  • 方学礼,高钰
    电源学报. 2019, 17(6): 84-90. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.84
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    在高电压-大电流的大功率牵引传动系统中,驱动逆变器受到开关损耗和散热条件等的限制,逆变器的最高工作开关频率通常只有几百赫兹。为了提高逆变器的输出性能,通常在中频段采用同步调制策略。针对同步SVPWM,总结了满足半周期奇对称HWS(half-wave odd symmetry)、1/4周期偶对称QWS(quarter-wave even symmetry)和三相对称3PS(quarter-wave even symmetry)的对称性规律,介绍了其中的同步CSVS的脉冲生成规律及发波方式。通过阻感负载下的仿真和实验,对同步CSVS的电流谐波特性进行分析,得到了电流谐波含量随调制比的变化规律以及电流谐波主要集中次数的分布规律,为同步CSVS的应用提供了一定的参考价值。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 王秀瑞,何晋伟,杜李扬
    电源学报. 2019, 17(6): 91-97. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.91
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    电池储能系统BESS(battery energy storage system)串并联结构可以实现小容量低电压等级储能系统接入直流微电网的应用,可以提高端电压且实现储能系统扩容。针对直流微电网BESS的串并联结构,提出一种基于电池荷电状态SOC(state of charge)的分散控制方法。该方法可以实现反下垂控制分配串联模块间电压与下垂控制分配并联模块间功率的目标,且反下垂特性不影响下垂外特性。通过低带宽通信将所有电池SOC信息上传到中央控制单元得到每个BESS的下垂系数与反下垂系数,可以有效实现不同BESS间按容量精确分配功率的目的,消除电池差异延长寿命,避免过放。通过建立小信号模型,分析系统稳定性;通过搭建Simulink仿真模型,验证分散控制的可行性与有效性。
  • 逆变器与UPS
  • 刘勇,贺生国,盘宏斌,刘鹏,雷延科
    电源学报. 2019, 17(6): 98-107. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.98
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    受线路物理属性、下垂特性等因素的影响,传统下垂控制无法精确调节功率分配以及会导致DG输出端电压跌落。提出一种基于分布式控制的自适应电压平移法,各DG通过自身与其相邻DG加权功率间的偏差调节各自的电压偏置值,可减小因线路阻抗差异而导致的无功功率无法均分的影响。在此基础上,进一步提出一种改进型下垂控制策略,通过引入DG输出电压幅值与电压偏置值的差值反馈,构建改进型下垂特性曲线,可有效改善逆变器无功下垂系数、无功负载和输出电压幅值跌落之间的内在矛盾,进一步提高系统性能。建立了基于改进型下垂控制的2台三相逆变器并联系统小信号数学模型,分析了各参数对系统受扰动后的动态以及稳定性影响。仿真以及实验结果验证了所提控制策略的有效性。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 熊宁,崔文婷,朱文广,杨为群,李伟伟,王光
    电源学报. 2019, 17(6): 108-114,136. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.108
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    针对传统系统太阳辐照波动预警准确率低、误差大和预测效率低的问题,提出并设计了新的并网型分布式光伏发电辐照波动预警系统,采用基于蚁群BP神经网络的辐照波动预测方法获取了预测结果的最优解。预警系统中包含太阳能电池组件、微型逆变器和单机辐照度预警子系统等,采用三端稳压模块LM7803电源模块,保障极端天气正常供电;选择单晶硅太阳电池片的光照传感器,将太阳辐射的光能变换成电能;采用指数平滑法结合趋势移动平均法对太阳辐照进行预测,得到预测时间段范围内的平滑指数,以此作为计算参数,根据蚁群BP神经网络算法,通过构建新传递函数,优化网络结构,改进BP神经网络训练,求出预测结果最优解。试验结果表明:所提系统能在不同天气条件下有效预测并网型分布式光伏发电的辐照波动,且预测误差较小;在不同天气类型下,系统预警的准确率始终高于98%,且预警时长平均用时24.08 s,相比于其他系统用时较短,实现预警系统稳定运行,保证输出电能质量,有力支撑系统优化。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 苗中磊,蔡逢煌,王群兴,王武,林琼斌,黄捷
    电源学报. 2019, 17(6): 115-127. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.115
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    近年来,作为保证直流微电网稳定高效运行的一种有效技术方法,分级控制在国内外受到广泛关注。分级控制的实现通常建立在下垂控制之上,因此该文对基于下垂控制的直流微电网分级控制技术进行综述研究。首先,通过对已有下垂控制方法进行分析比较,系统地评述传统下垂控制方法的局限性。其次,针对传统下垂控制的缺陷,主要介绍了改进的主级控制、次级控制和第三级控制的分级控制方法,同时根据通信方式的不同,将次级控制分为三种协调控制方法。此外,该文着重讨论基于一致性算法的分布式次级控制在直流微电网应用中的优越性和协调控制所面临的通信问题及其解决方法。最后,对直流微电网下垂分级控制的现有研究技术进行对比总结,指出其目前存在的问题和未来发展趋势。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 杨海柱,岳刚伟,康乐
    电源学报. 2019, 17(6): 128-136. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.128
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    复杂环境条件下,光伏阵列由于被遮挡其输出特性呈现多峰值特性,传统最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)算法不再适用。为此,在研究光伏阵列多峰值输出特性的基础上,提出一种基于粒子群优化PSO(particle swarm optimization)算法和电导增量法INC(incremental conductance)的多峰值MPPT算法。该算法分成2步:第1步先由PSO算法将输入位置调整到最优值附近;第2步再由INC算法得到全局最优解,其中对传统PSO算法进行改进,INC算法采用变步长扰动。在Matlab中进行仿真,结果表明该算法可实现复杂环境条件下的最大功率跟踪,并具备较快的响应速度和稳定的寻优效果。
  • 模块化多电平变换器
  • 郭怡婷,王俊年
    电源学报. 2019, 17(6): 137-144. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.137
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    由于传统方法在恶劣环境下检测风光互补电路故障的效果差、抗干扰性能低,设计风光互补电路故障在线检测系统。首先建立在线检测系统总体逻辑结构,分析检测系统的硬件与软件组成要求。结合硬件要求,对检测系统电路中风机控制器与光伏控制器的电流进行控制,实现平衡负载及提升蓄电池续航能力;在检测系统中,设置上位机与下位机共同组成其故障检测模块,结合系统功能模块及障碍检测算法完成系统故障的全面检测。实验结果表明,所设计系统在恶劣环境中对故障检测准确率高于93%,对不同类型故障的平均故障检测时间和检测结果误差率分别为1.93 s和2.11%,远远低于对比系统,说明该系统的检测效率高。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 施泉生,晏伟,任洪波,丁建勇
    电源学报. 2019, 17(6): 145-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.145
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    针对冷电联供型微网的运行成本优化,引入冰蓄冷储能系统,建立了含光伏、风电、微型燃气轮机、电储能和冰蓄冷等可再生能源和常规能源以及冷电储能装置的优化模型。以经济运行成本最小为目标,运用混合线性整数规划方法,并利用数学优化软件CPLEX求解。最后在算例中建立3种不同场景的冷电联供微网系统进行对比分析,验证了本文所建立模型的有效性和可行性,结果表明含冰蓄冷装置的冷电联供型微网能够有效地降低运行成本,电储能和冷储能结合与单一储能模式相比具有显著的经济效益,体现了综合能源利用和优化。
  • 电池及充电技术
  • 蒋勇斌,王跃,董晓帅,刘军文,王来利,陈天锦
    电源学报. 2019, 17(6): 153-161. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.153
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    无线电能传输是一种方便灵活的电能传输方式。以串联-串联SS(series-series)谐振无线电能传输系统为研究对象,通过变频移相控制实现了后级的恒压输出与前级逆变器的零电压开通。首先基于无线电能传输系统的交流等效电路对系统特性进行分析,提出一种在采用变频移相控制下能够同时实现恒压与零电压开通的频率区间存在性判断方法。基于此判断方法,根据相角裕量与系统安全要求对谐振网络参数进行限定,保证了系统在当前设计参数下能够在相应工作指标下正常运行。最后搭建了一套250 W无线电能传输装置,对系统分析的正确性与参数设计的合理性进行验证。
  • 张新亮
    电源学报. 2019, 17(6): 162-167. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.162
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    针对锂电池在无线充电过程中特性参数实时变化导致充电系统失谐的缺点,提出了谐振频率跟踪控制方法,并给出实现方案。使用Matlab/Simulink来实现谐振频率跟踪算法,通过改变模拟电池内阻参数来模拟锂电池的充电过程。搭建了实验验证平台,实验结果证明该方法能够使工作频率与谐振频率相一致,工作可靠,并能够有效提高系统的传输效率。
  • 电源的数字控制
  • 吴津庆,陈宗祥,葛芦生,承良超
    电源学报. 2019, 17(6): 168-176. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.168
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    提出了一种对误差信息进行多精度反馈编码的方法。该方法通过将主模块的电流基准值的误差信息进行多精度反馈编码后传输到从模块,而主从模块通过误差信息来恢复电流的基准值,实现并联变换器均流。与传统的将主模块电流基准值信息直接进行编码发送到从模块相比,该方法在电流基准信息发生改变时仍然有效。通过对编码区间段进行合理地划分,可以在不增加传输数据量的同时,提高有效数据位的利用率。通过对误差信息多精度反馈编码,可以有效降低无线网络延时对系统的影响,从而进一步提高无线并联系统的开关频率。最后,实验验证了该方法的有效性。
  • 系统仿真、建模与控制
  • 王忠豪,宾洋,刘硕,罗文广
    电源学报. 2019, 17(6): 177-187. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.177
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    分块化方法是将单片质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)沿阳极和阴极流道划分成15个连续的子模块;然后将每个子模块视为1个独立的PEMFC集总模型,用第n个子模块的输出(即气体摩尔流量和压力)作为第n+1个子模块的输入;最终获得单片PEMFC内部的电流密度分布和膜中水含量分布。基于此建模方法,分别建立了稳态和动态的分块化PEMFC仿真模型。仿真结果对比表明,动态分块化PEMFC模型不仅能预测电流密度分布和膜中水含量分布,还能较为合理地描述PEMFC的动态特性。
  • 电池及充电技术
  • 钟国彬,曾国建,刘新天,何耀
    电源学报. 2019, 17(6): 188-192. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.188
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) 可视化 收藏
    在动力锂电池的循环使用过程中,温度对其容量衰减有直接影响,而电池结构的密封性导致其内部真实温度无法直接测量。针对此问题,通过测量电池表面及环境温度并运用等效热模型估计其内部的真实温度,构建电池容量衰减与内部温度的ETM-Arrhenius模型,预测锂电池在循环使用中的容量衰减特性。对锂电池进行不同温度下的循环寿命试验,结果表明,该模型能在长期循环中准确预测锂电池容量的衰减程度。
  • 储能控制及系统
  • 张研,曹永娣
    电源学报. 2019, 17(6): 193-198. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.6.193
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    以26650电池为研究对象,针对用于100 kW·h/480 V储能系统的锂电池pack进行模块化结构设计、数值模拟和试验研究。根据储能系统对电池子系统模块温度一致性、电压电流一致性、机械可靠性、装配工艺性以及模块标准化要求,运用CFD流体传热计算机数值仿真模拟和实验方法对电池模块、集流板以及电池机柜的关键参数进行分析研究。研究表明:合理的电池间隙不仅让冷却风与每个电池进行充分热交换,还能改善风冷通道、减少模块体积;增加斜板设计可以使模块内部各电池组冷却均匀,有效解决电池因热累积带来的温升过高问题;集流板优化设计可以改善电池单体外连接件电阻的一致性,从而改善充放电电流、电压的一致性。为电池模块的开发、大规模储能系统集成以及研制满足国际技术要求兆瓦级储能系统提供参考。