燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)特性研究綜述

電動(dòng)汽車目前具有多種不同的形式，包括鋰離子電池、PEM電池等，還有不同的動(dòng)力系統(tǒng)，本文主要總結(jié)電動(dòng)汽車中，不同的電池和系統(tǒng)的一些特性。

1　電動(dòng)汽車水熱泵系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)[1]

開發(fā)了一種創(chuàng)新的解決方案，為電動(dòng)汽車提供高效的熱預(yù)處理，提供低能耗，最大的舒適性和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，改善車輛的續(xù)駛里程。預(yù)處理策略有兩種不同的方式，直接從用戶獲取觸發(fā)器或預(yù)測(cè)駕駛員的行為（接近車輛），并根據(jù)用戶概況提供定制調(diào)節(jié)（溫度）。最后，通過(guò)水熱泵系統(tǒng)為車輛提供有效熱管理。即使在零度以下的溫度，熱泵系統(tǒng)也能使用來(lái)自環(huán)境的熱量，并且還設(shè)計(jì)成收集來(lái)自功率電子器件（即逆變器和電動(dòng)機(jī)）消散的多余熱量。預(yù)處理的觸發(fā)是通過(guò)移動(dòng)通信提供的。用戶在他的智能手機(jī)上有一個(gè)應(yīng)用程序，它通過(guò)云服務(wù)器與車輛中的HMI（人機(jī)界面）進(jìn)行通信（該項(xiàng)目是平板電腦）（圖1）。車輛HMI連接到CAN總線網(wǎng)關(guān)（GW），并將相應(yīng)的消息發(fā)送到熱管理ECU（TMECU）。

圖1　預(yù)處理構(gòu)架

觸發(fā)的方法是基于當(dāng)司機(jī)的計(jì)劃和車輛的目標(biāo)。一方面，如果預(yù)處理功能在駕駛員到達(dá)之前達(dá)到目標(biāo)溫度，則會(huì)浪費(fèi)能源。另一方面，如果駕駛員到達(dá)時(shí)車輛仍然沒有達(dá)到目標(biāo)溫度，則舒適程度將被侵害。預(yù)測(cè)方法使用算法通過(guò)監(jiān)視其運(yùn)動(dòng)來(lái)預(yù)測(cè)駕駛員對(duì)車輛的接近程度。但是，這種方法增加了錯(cuò)誤觸發(fā)的可能性。結(jié)果表明，可以最大限度地提高駕駛員的舒適度，并且可以達(dá)到熱泵系統(tǒng)的高效工作點(diǎn)，以使車輛的行駛范圍最大化。

2　燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模與仿真[2]

本文分析了以燃料電池，電池和光伏電池為動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成的電氣系統(tǒng)。利用MATLAB/Simulink模塊進(jìn)行建模。Simulink模型采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、電流、DC-DC轉(zhuǎn)換器電流、電壓、充電狀態(tài)、充電器性能、光伏面板性能和機(jī)械轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行仿真，并與現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行了比較。

提出由PEM燃料電池、鋰離子電池和光伏電池組成的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)Simulink模型。在Simulink模型中使用的燃料電池堆總數(shù)為400，堆疊效率為57%。在燃料電池的情況下，工作溫度起著重要的作用。在這個(gè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)溫度保持在95°C。車輛燃料電池系統(tǒng)可分為四個(gè)子系統(tǒng)，其中氣流子系統(tǒng)對(duì)燃料電池整體性能影響較大。

400個(gè)燃料電池堆足以產(chǎn)生期望的280V電壓，當(dāng)電流為280A時(shí)，由電池堆產(chǎn)生的功率為85.5kW，當(dāng)電流為350A時(shí)產(chǎn)生功率為100.02kW。由于輔助負(fù)載由太陽(yáng)能光伏面板支撐，所以從燃料電池產(chǎn)生的電力將被完全用于車輛的推進(jìn)。電池堆電壓與電流的關(guān)系以及電池堆功率與電池堆電流的關(guān)系反映了燃料電池的準(zhǔn)確發(fā)電量。

太陽(yáng)能光伏面板將作為車輛的輔助電池，其典型地包含12V的額定值。從仿真結(jié)果可以看出，最初產(chǎn)生11.93V的面板隨著時(shí)間的推移而略微減少，一直保持到15.95s。在16秒和16秒之后，實(shí)現(xiàn)了11.928V的恒定供電，這非常接近于為12V電池充電，這意味著光伏面板成功地滿足了系統(tǒng)要求。

3　鋰離子動(dòng)力電池第二次生命應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性[3]

這項(xiàng)研究的主要研究問題是，如果使用鋰離子動(dòng)力電池（LITB）可以經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用，那么可以降低電池電動(dòng)車（BEV）的總體擁有成本（TCO）。在BEV中使用后，對(duì)LITB的二次生命（SL）應(yīng)用進(jìn)行全面的業(yè)務(wù)分析和評(píng)估，并確定BEV對(duì)TCO的影響以及回收和再利用之間的經(jīng)濟(jì)比較。

系統(tǒng)研究的方法分為以下幾個(gè)步驟：

·系統(tǒng)的文獻(xiàn)檢索：SL應(yīng)用研究、經(jīng)濟(jì)可行性、安全性問題和研究

·文獻(xiàn)分析和評(píng)估SL應(yīng)用當(dāng)前可用的經(jīng)濟(jì)評(píng)估

·重復(fù)利用和回收使用的LITB的經(jīng)濟(jì)比較

·確定BEV對(duì)TCO的影響

·介紹結(jié)果和批判性討論

使用數(shù)據(jù)庫(kù)“Science Direct”、“WISO”、“Springer Link”、“Google Scholar”和“Research Gate”。搜索標(biāo)準(zhǔn)是2001年至2016年的出版文獻(xiàn)，基于純電動(dòng)汽車的LITB再利用的SL申請(qǐng)。

LITB的再利用可以減少BEV的TCO，從而減少與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的車輛相比TCO的差距，這大約為4,000歐元，從而支持BEV更快的市場(chǎng)滲透率，新的電池成本預(yù)計(jì)將繼續(xù)下降。

4　模擬駕駛循環(huán)條件下PEM燃料電池堆的性能評(píng)估[4]

除了電池之外，聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池堆已經(jīng)成為混合動(dòng)力車和電動(dòng)車的動(dòng)力源。在此應(yīng)用中，PEM燃料電池的動(dòng)態(tài)性能對(duì)于確保車輛的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。本研究旨在通過(guò)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法來(lái)評(píng)估用于車輛應(yīng)用的PEM燃料電池堆受到新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）的性能。

研究了NEDC曲線對(duì)PEM燃料電池性能的影響。根據(jù)數(shù)值結(jié)果檢查并討論幾種可能的情況。即穩(wěn)定的入口流量，陽(yáng)極、陰極、冷卻劑及其組合的可變?nèi)肟诹髁俊Ｔu(píng)估了代表動(dòng)態(tài)入口流動(dòng)條件的可能場(chǎng)景的六種情況，即穩(wěn)定入口流量（情況1）、所有入口流量變化（情況2）、陽(yáng)極入口流量變化（情況3）、陰極入口流量變化（情況4）、陰極入口流量變化（情況5）和冷卻劑入口流量變化（情況6）。

發(fā)現(xiàn)情況1（穩(wěn)定的入口）產(chǎn)生最高的總功率密度。另一方面，陽(yáng)極、陰極和冷卻劑（情況2）的動(dòng)態(tài)入口流動(dòng)狀態(tài)在整個(gè)行駛周期中產(chǎn)生最高的凈功率，并具有與穩(wěn)定入口流量情況相同的熱、水和氣管理。實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際汽車應(yīng)用中根據(jù)PEM燃料電池堆的驅(qū)動(dòng)循環(huán)特性控制進(jìn)氣流的潛在實(shí)施方式，以獲得更高的凈堆功率，改進(jìn)的氣體、熱和水管理以及更堅(jiān)固耐用的電池堆。

5　環(huán)境溫度變化對(duì)電動(dòng)車輛性能的影響[5]

美國(guó)能源部阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）和歐共體聯(lián)合研究中心（JRC）合作，共同研究關(guān)于電動(dòng)車輛（EV）的能源效率。在ANL的先進(jìn)動(dòng)力總成試驗(yàn)室（APRF）和JRC的車輛電氣實(shí)驗(yàn)室（VeLA 8）評(píng)估了裝備有增程器（REX）的2014款寶馬i3插電式電動(dòng)車。除了運(yùn)行特定的循環(huán)之外，針對(duì)歐盟和美國(guó)的立法循環(huán)進(jìn)行了測(cè)試，車輛在-30°C至50°的變化的環(huán)境條件下操作，數(shù)據(jù)分析側(cè)重于針對(duì)不同溫度和功率需求的車輛和部件特定的能源使用情況。

為了從車輛測(cè)試中產(chǎn)生可重復(fù)的、準(zhǔn)確的結(jié)果，需要在受控的熱環(huán)境中加載靈活和可行的方法。對(duì)于這些結(jié)果，使用了兩個(gè)4輪驅(qū)動(dòng)的底盤測(cè)功機(jī)：ANL的APRF和JRC的VeLA8。APRF的四驅(qū)車底盤測(cè)功機(jī)包括一個(gè)熱室和一個(gè)大型制冷系統(tǒng)的空氣處理單元，使車輛在-18℃到+35℃溫度范圍。另外，所有的測(cè)試溫度都可以通過(guò)或不通過(guò)提供高達(dá)1000W/m2的太陽(yáng)輻射能的太陽(yáng)能仿真燈進(jìn)行評(píng)估。JRC的VeLA8是一款汽車動(dòng)力裝置，設(shè)計(jì)用于在受控的環(huán)境條件下，在-30℃至+50℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)試輕型至中型全電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛。測(cè)試單元中嵌入了一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)。它能夠模擬真實(shí)的駕駛動(dòng)作，速度可達(dá)260 km/h，加速度可達(dá)±10 m/s2，并可正確測(cè)量再生制動(dòng)，排放測(cè)量系統(tǒng)也是專門針對(duì)混合動(dòng)力汽車排放的準(zhǔn)確評(píng)估而設(shè)計(jì)的。

6　燃料電池混合動(dòng)力電動(dòng)汽車：功率調(diào)節(jié)單元和拓?fù)涞木C述[6]

燃料電池（FC）在汽車技術(shù)中的應(yīng)用已經(jīng)在過(guò)去幾年得到了很大的普及。通常，燃料電池混合動(dòng)力電動(dòng)車輛（FCHEV）由燃料電池、電池和/或超級(jí)電容器（UC）作為動(dòng)力源組成，電源轉(zhuǎn)換器與電源集成在一起形成混合FC系統(tǒng)。

這有助于彌補(bǔ)個(gè)別電源的缺點(diǎn)。除了電源本身的技術(shù)效率之外，F(xiàn)CHEV的性能受電力電子和相關(guān)控制器的效率影響。本文綜述了汽車分類技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了燃料電池、電池、超級(jí)電容器和飛輪的部署。還討論了FCHEV中使用的配置，以及更新后的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2和圖3）。

圖2　FCHEV構(gòu)型圖

根據(jù)配置中使用的功率級(jí)和控制技術(shù)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分類和討論。然后，按時(shí)間順序描述多級(jí)轉(zhuǎn)換和單級(jí)拓?fù)?。還討論了FCHEV的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安全標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀和環(huán)境影響的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，還闡述了FCHEV的當(dāng)前發(fā)展、挑戰(zhàn)和未來(lái)前景?；贔C的研究和技術(shù)的快速增長(zhǎng)在不久的將來(lái)為FCHEVs帶來(lái)了巨大的前景，預(yù)測(cè)氫氣與汽油相比的競(jìng)爭(zhēng)成本。

圖3　FCHEV拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

7　燃料電池堆在多用途車輛混合動(dòng)力裝置中的動(dòng)力學(xué)研究[7]

將四模塊PEM燃料電池組結(jié)合到電力公用車輛的混合動(dòng)力裝置之前，對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)表征。為了確定其最佳操作參數(shù)，表征了具有開放陰極和空氣冷卻配置的4個(gè)3kW的燃料電池堆，具有100個(gè)膜電極（MEA）。

開放的陰極配置是提高燃料電池能量效率的常用方法。然而，強(qiáng)制對(duì)流經(jīng)常導(dǎo)致內(nèi)部脫水。特別是在高電流需求下，由于缺乏反應(yīng)物而導(dǎo)致的電壓反轉(zhuǎn)，多次由于反應(yīng)位置（膜-電極界面）處的脫水而成為這種配置的常見故障源。因此，水的管理對(duì)于防止燃料電池的性能下降和永久性失效至關(guān)重要。隨后，在發(fā)電廠集成到車輛中之前，必須建立智能水管理策略，以保證在車輛工作周期中保證燃料電池的性能。為此，建立了測(cè)試方案，基于線性伏安表，電化學(xué)阻抗譜和熱圖像測(cè)試每個(gè)模塊，以便觀察電池的電壓和電阻，作為內(nèi)部水合作用，反應(yīng)物濃度和堆內(nèi)熱量分布的指標(biāo)操作。對(duì)于每個(gè)模塊獲得極化曲線，并且從它們中穩(wěn)定運(yùn)行的點(diǎn)（電壓、電流、溫度和通氣口）被確定為在電動(dòng)車輛混合動(dòng)力裝置中的燃料電池操作期間額定性能的推薦條件。

從該研究中獲得的結(jié)果表明，在燃料電池組操作期間保持恒定的水合作用需要避免電池電壓反轉(zhuǎn)的發(fā)生。建議在電池組運(yùn)行過(guò)程中每10分鐘進(jìn)行一次這種調(diào)節(jié)，以避免電池堆電壓損失。

8　提高混合動(dòng)力汽車整體效率的熱管理方法[8]

本文提出了一種多層燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）在效率、耐久性和對(duì)環(huán)境的生態(tài)影響方面的創(chuàng)新解決方案。主要目的是說(shuō)明除了優(yōu)化電動(dòng)汽車運(yùn)行效率之外，使用多堆疊燃料電池（FC）系統(tǒng)對(duì)整體效率提升的興趣。

在電動(dòng)汽車中，電池和功率放大器被用作輔助能源。使用FC最重要的好處之一是零CO2排放的副產(chǎn)物，例如水和熱。所考慮的系統(tǒng)主要是利用過(guò)熱來(lái)預(yù)熱堆疊式FC以節(jié)省能量并改善全局系統(tǒng)性能。由FC和電池組成的混合結(jié)構(gòu)如圖4所示。電源總線將FC連接到電機(jī)，轉(zhuǎn)換器監(jiān)測(cè)FC需求的電力。為了設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)并獲得實(shí)時(shí)多域耦合問題（例如電和熱），使用數(shù)學(xué)時(shí)間計(jì)算模擬（MTCSim?）軟件。該軟件由Segula Technologies于2012年開發(fā)，主要用于開發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)，能源管理和零部件尺寸。使用MTCSim?，可以確定系統(tǒng)的電力需求，以模擬電動(dòng)汽車的整體效率問題。

圖4　FC混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)

基于MTCsim軟件的數(shù)值模擬結(jié)果，多堆疊FC集成被認(rèn)為是提高FC車輛效率的理想解決方案。此外，由于每個(gè)/所有FC的管理激活過(guò)程，每個(gè)FC的激活響應(yīng)時(shí)間和每個(gè)FC的使用壽命增加。熱管理解決方案顯示，F(xiàn)C的熱量增加了25.3%，整個(gè)FCEV系統(tǒng)的熱量增加了5%，F(xiàn)C過(guò)熱恢復(fù)是提高在FCEV中的多堆FC系統(tǒng)的整體效率的創(chuàng)新解決方案。

9　用于EMI測(cè)量的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池建模無(wú)源阻抗網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)[9]

建立了一個(gè)無(wú)源阻抗網(wǎng)絡(luò)，建模動(dòng)力電池的阻抗。因此，首先測(cè)量360V混合電池組的阻抗?；谶@些測(cè)量結(jié)果，提出了代表電池阻抗及其特征值和共振的等效電路。使用這個(gè)等效電路，設(shè)計(jì)阻抗網(wǎng)絡(luò)，用于混合動(dòng)力汽車（HV）牽引系統(tǒng)部件的電磁干擾（EMI）測(cè)試。在最后一個(gè)步驟中，使用牽引系統(tǒng)組件集成在電動(dòng)車輛牽引系統(tǒng)中的回路設(shè)置中來(lái)驗(yàn)證該無(wú)源阻抗網(wǎng)絡(luò)。

動(dòng)力電池一般是由多個(gè)串聯(lián)并聯(lián)的電池單元組成，以提高總電壓和容量。主要由兩個(gè)電極組成，兩個(gè)電極之間有一個(gè)隔離器。電阻和電感可以用來(lái)模擬兩個(gè)電極。中間的隔板用電容器和等效電阻建模。由于所有電池串聯(lián)連接，電感、電阻和電容可以相加?；旌蟿?dòng)力車輛電池組的阻抗在10kHz至30MHz的頻率范圍內(nèi)以主動(dòng)模式進(jìn)行測(cè)量。驗(yàn)證測(cè)量顯示，當(dāng)使用阻抗網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在示例性牽引系統(tǒng)的EMI測(cè)量期間可以獲得幾乎相同的結(jié)果。使用網(wǎng)絡(luò)可以改善在EMI測(cè)量期間獲得的結(jié)果，因?yàn)镈C端口的高頻阻抗等于使用真實(shí)動(dòng)力電池的情況?；谒岢龅牡刃щ娐?，甚至可以模擬其他電池的阻抗來(lái)研究其對(duì)牽引系統(tǒng)的EMI的影響。

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