燃料電池電動汽車動力系統特性研究綜述

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

1　電動汽車水熱泵系統的溫度調節[1]

開發了一種創新的解決方案，為電動汽車提供高效的熱預處理，提供低能耗，最大的舒適性和動力傳動系統，改善車輛的續駛里程。預處理策略有兩種不同的方式，直接從用戶獲取觸發器或預測駕駛員的行為（接近車輛），并根據用戶概況提供定制調節（溫度）。最后，通過水熱泵系統為車輛提供有效熱管理。即使在零度以下的溫度，熱泵系統也能使用來自環境的熱量，并且還設計成收集來自功率電子器件（即逆變器和電動機）消散的多余熱量。預處理的觸發是通過移動通信提供的。用戶在他的智能手機上有一個應用程序，它通過云服務器與車輛中的HMI（人機界面）進行通信（該項目是平板電腦）（圖1）。車輛HMI連接到CAN總線網關（GW），并將相應的消息發送到熱管理ECU（TMECU）。

圖1　預處理構架

觸發的方法是基于當司機的計劃和車輛的目標。一方面，如果預處理功能在駕駛員到達之前達到目標溫度，則會浪費能源。另一方面，如果駕駛員到達時車輛仍然沒有達到目標溫度，則舒適程度將被侵害。預測方法使用算法通過監視其運動來預測駕駛員對車輛的接近程度。但是，這種方法增加了錯誤觸發的可能性。結果表明，可以最大限度地提高駕駛員的舒適度，并且可以達到熱泵系統的高效工作點，以使車輛的行駛范圍最大化。

2　燃料電池混合動力汽車動力系統建模與仿真[2]

本文分析了以燃料電池，電池和光伏電池為動力的混合動力汽車動力總成的電氣系統。利用MATLAB/Simulink模塊進行建模。Simulink模型采用永磁同步電機驅動系統。對轉子轉速、電磁轉矩、電流、DC-DC轉換器電流、電壓、充電狀態、充電器性能、光伏面板性能和機械轉矩等進行仿真，并與現有技術方法進行了比較。

提出由PEM燃料電池、鋰離子電池和光伏電池組成的混合動力汽車動力系統Simulink模型。在Simulink模型中使用的燃料電池堆總數為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。在這個系統中，系統溫度保持在95°C。車輛燃料電池系統可分為四個子系統，其中氣流子系統對燃料電池整體性能影響較大。

400個燃料電池堆足以產生期望的280V電壓，當電流為280A時，由電池堆產生的功率為85.5kW，當電流為350A時產生功率為100.02kW。由于輔助負載由太陽能光伏面板支撐，所以從燃料電池產生的電力將被完全用于車輛的推進。電池堆電壓與電流的關系以及電池堆功率與電池堆電流的關系反映了燃料電池的準確發電量。

太陽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。從仿真結果可以看出，最初產生11.93V的面板隨著時間的推移而略微減少，一直保持到15.95s。在16秒和16秒之后，實現了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要求。

3　鋰離子動力電池第二次生命應用的經濟可行性[3]

這項研究的主要研究問題是，如果使用鋰離子動力電池（LITB）可以經濟地應用，那么可以降低電池電動車（BEV）的總體擁有成本（TCO）。在BEV中使用后，對LITB的二次生命（SL）應用進行全面的業務分析和評估，并確定BEV對TCO的影響以及回收和再利用之間的經濟比較。

系統研究的方法分為以下幾個步驟：

·系統的文獻檢索：SL應用研究、經濟可行性、安全性問題和研究

·文獻分析和評估SL應用當前可用的經濟評估

·重復利用和回收使用的LITB的經濟比較

·確定BEV對TCO的影響

·介紹結果和批判性討論

使用數據庫“Science Direct”、“WISO”、“Springer Link”、“Google Scholar”和“Research Gate”。搜索標準是2001年至2016年的出版文獻，基于純電動汽車的LITB再利用的SL申請。

LITB的再利用可以減少BEV的TCO，從而減少與傳統驅動器的車輛相比TCO的差距，這大約為4,000歐元，從而支持BEV更快的市場滲透率，新的電池成本預計將繼續下降。

4　模擬駕駛循環條件下PEM燃料電池堆的性能評估[4]

除了電池之外，聚合物電解質膜（PEM）燃料電池堆已經成為混合動力車和電動車的動力源。在此應用中，PEM燃料電池的動態性能對于確保車輛的平穩運行至關重要。本研究旨在通過利用計算流體動力學（CFD）方法來評估用于車輛應用的PEM燃料電池堆受到新歐洲駕駛循環（NEDC）的性能。

研究了NEDC曲線對PEM燃料電池性能的影響。根據數值結果檢查并討論幾種可能的情況。即穩定的入口流量，陽極、陰極、冷卻劑及其組合的可變入口流量。評估了代表動態入口流動條件的可能場景的六種情況，即穩定入口流量（情況1）、所有入口流量變化（情況2）、陽極入口流量變化（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）。

發現情況1（穩定的入口）產生最高的總功率密度。另一方面，陽極、陰極和冷卻劑（情況2）的動態入口流動狀態在整個行駛周期中產生最高的凈功率，并具有與穩定入口流量情況相同的熱、水和氣管理。實現了在實際汽車應用中根據PEM燃料電池堆的驅動循環特性控制進氣流的潛在實施方式，以獲得更高的凈堆功率，改進的氣體、熱和水管理以及更堅固耐用的電池堆。

5　環境溫度變化對電動車輛性能的影響[5]

美國能源部阿爾貢國家實驗室（ANL）和歐共體聯合研究中心（JRC）合作，共同研究關于電動車輛（EV）的能源效率。在ANL的先進動力總成試驗室（APRF）和JRC的車輛電氣實驗室（VeLA 8）評估了裝備有增程器（REX）的2014款寶馬i3插電式電動車。除了運行特定的循環之外，針對歐盟和美國的立法循環進行了測試，車輛在-30°C至50°的變化的環境條件下操作，數據分析側重于針對不同溫度和功率需求的車輛和部件特定的能源使用情況。

為了從車輛測試中產生可重復的、準確的結果，需要在受控的熱環境中加載靈活和可行的方法。對于這些結果，使用了兩個4輪驅動的底盤測功機：ANL的APRF和JRC的VeLA8。APRF的四驅車底盤測功機包括一個熱室和一個大型制冷系統的空氣處理單元，使車輛在-18℃到+35℃溫度范圍。另外，所有的測試溫度都可以通過或不通過提供高達1000W/m2的太陽輻射能的太陽能仿真燈進行評估。JRC的VeLA8是一款汽車動力裝置，設計用于在受控的環境條件下，在-30℃至+50℃的溫度范圍內測試輕型至中型全電動和混合動力車輛。測試單元中嵌入了一個四輪驅動底盤測功機。它能夠模擬真實的駕駛動作，速度可達260 km/h，加速度可達±10 m/s2，并可正確測量再生制動，排放測量系統也是專門針對混合動力汽車排放的準確評估而設計的。

6　燃料電池混合動力電動汽車：功率調節單元和拓撲的綜述[6]

燃料電池（FC）在汽車技術中的應用已經在過去幾年得到了很大的普及。通常，燃料電池混合動力電動車輛（FCHEV）由燃料電池、電池和/或超級電容器（UC）作為動力源組成，電源轉換器與電源集成在一起形成混合FC系統。

這有助于彌補個別電源的缺點。除了電源本身的技術效率之外，FCHEV的性能受電力電子和相關控制器的效率影響。本文綜述了汽車分類技術的最新進展，重點介紹了燃料電池、電池、超級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換器拓撲結構（圖2和圖3）。

圖2　FCHEV構型圖

根據配置中使用的功率級和控制技術對拓撲結構進行分類和討論。然后，按時間順序描述多級轉換和單級拓撲。還討論了FCHEV的各種拓撲結構、安全標準、現狀和環境影響的優缺點。此外，還闡述了FCHEV的當前發展、挑戰和未來前景。基于FC的研究和技術的快速增長在不久的將來為FCHEVs帶來了巨大的前景，預測氫氣與汽油相比的競爭成本。

圖3　FCHEV拓撲結構

7　燃料電池堆在多用途車輛混合動力裝置中的動力學研究[7]

將四模塊PEM燃料電池組結合到電力公用車輛的混合動力裝置之前，對其進行電化學表征。為了確定其最佳操作參數，表征了具有開放陰極和空氣冷卻配置的4個3kW的燃料電池堆，具有100個膜電極（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，強制對流經常導致內部脫水。特別是在高電流需求下，由于缺乏反應物而導致的電壓反轉，多次由于反應位置（膜-電極界面）處的脫水而成為這種配置的常見故障源。因此，水的管理對于防止燃料電池的性能下降和永久性失效至關重要。隨后，在發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，建立了測試方案，基于線性伏安表，電化學阻抗譜和熱圖像測試每個模塊，以便觀察電池的電壓和電阻，作為內部水合作用，反應物濃度和堆內熱量分布的指標操作。對于每個模塊獲得極化曲線，并且從它們中穩定運行的點（電壓、電流、溫度和通氣口）被確定為在電動車輛混合動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的發生。建議在電池組運行過程中每10分鐘進行一次這種調節，以避免電池堆電壓損失。

8　提高混合動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汽車（FCEV）在效率、耐久性和對環境的生態影響方面的創新解決方案。主要目的是說明除了優化電動汽車運行效率之外，使用多堆疊燃料電池（FC）系統對整體效率提升的興趣。

在電動汽車中，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排放的副產物，例如水和熱。所考慮的系統主要是利用過熱來預熱堆疊式FC以節省能量并改善全局系統性能。由FC和電池組成的混合結構如圖4所示。電源總線將FC連接到電機，轉換器監測FC需求的電力。為了設計該結構并獲得實時多域耦合問題（例如電和熱），使用數學時間計算模擬（MTCSim?）軟件。該軟件由Segula Technologies于2012年開發，主要用于開發新型發動機，能源管理和零部件尺寸。使用MTCSim?，可以確定系統的電力需求，以模擬電動汽車的整體效率問題。

圖4　FC混合動力結構

基于MTCsim軟件的數值模擬結果，多堆疊FC集成被認為是提高FC車輛效率的理想解決方案。此外，由于每個/所有FC的管理激活過程，每個FC的激活響應時間和每個FC的使用壽命增加。熱管理解決方案顯示，FC的熱量增加了25.3%，整個FCEV系統的熱量增加了5%，FC過熱恢復是提高在FCEV中的多堆FC系統的整體效率的創新解決方案。

9　用于EMI測量的電動汽車動力電池建模無源阻抗網絡的開發[9]

建立了一個無源阻抗網絡，建模動力電池的阻抗。因此，首先測量360V混合電池組的阻抗。基于這些測量結果，提出了代表電池阻抗及其特征值和共振的等效電路。使用這個等效電路，設計阻抗網絡，用于混合動力汽車（HV）牽引系統部件的電磁干擾（EMI）測試。在最后一個步驟中，使用牽引系統組件集成在電動車輛牽引系統中的回路設置中來驗證該無源阻抗網絡。

動力電池一般是由多個串聯并聯的電池單元組成，以提高總電壓和容量。主要由兩個電極組成，兩個電極之間有一個隔離器。電阻和電感可以用來模擬兩個電極。中間的隔板用電容器和等效電阻建模。由于所有電池串聯連接，電感、電阻和電容可以相加。混合動力車輛電池組的阻抗在10kHz至30MHz的頻率范圍內以主動模式進行測量。驗證測量顯示，當使用阻抗網絡時，在示例性牽引系統的EMI測量期間可以獲得幾乎相同的結果。使用網絡可以改善在EMI測量期間獲得的結果，因為DC端口的高頻阻抗等于使用真實動力電池的情況。基于所提出的等效電路，甚至可以模擬其他電池的阻抗來研究其對牽引系統的EMI的影響。

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