燃料电池汽车能量管理技术综述

1　超级电容器燃料电池混合动力汽车的能源管理策略[1]

本文主要研究超级电容（UC）与燃料电池混合动力电动车辆（FCHEV）的集成。目的是分析集成的UCs对FCHEV动力总成瞬态响应的影响。UC具有更高的功率密度，可以克服燃料电池的一些缺点。实现了削减峰值功率的功率管理策略。减少电池的功率负载，并在最有效的区域内超控燃料电池堆。深入研究燃料电池的特性和性质，并根据燃料电池堆内部功率图，确定最佳功率范围，确定哪些功率操作的重点在于尽可能多地吸收功率同时尽量保持氢气消耗最小。

用MATLAB/Simulink开发UC-Integrated FCHEV（UC-FCHEV）的集成模型（图1）。利用燃料电池的极化曲线来设计燃料电池的工作点，以维持其在最有效的区域中的运行。

图1　FCHEV顶层模型

结果显示，在驱动循环中，氢气消耗量从0.29千克减少到0.12千克。在行驶周期中，最大充电/放电电池电流从286安培降低到110安培。

城市驾驶循环（FUDS）的结果显示，在一个驾驶循环中，氢消耗从0.18千克减少到0.05千克。这种电流的减少增加了电池的使用寿命，因为它的过电流保护不会变热。电池的剩余电量（SOC）曲线还显示电池没有放电到其最小阈值，这增加了电池的健康状况，这取决于充电/放电循环的次数。来自燃料电池FC的电流决定了反应的速度，由于反应是放热反应，较高的电流产生了热管理问题。如此多的电力管理策略试图在欧姆损失范围内运行FC，在该范围内动作处于其允许的极限内。仿真结果显示了基于最大效率优化算法从FC中吸取的功率。优化的效率算法切换了从电池和FC获取的功率。

2　PEM燃料电池与超级电容混合的动力能源管理[2]

本文介绍了电动汽车的应用，以质子电解质膜燃料电池（PEMFC）为主要能源，超级电容（SC）作为辅助电源，组成混合动力源。PEMFC的主要缺点是动力学功率响应较慢，因为必须要限制燃料电池的电流斜率以防止燃料不足问题。超级电容的快速功率响应和高比功率可以补充主电源较慢功率的输出问题，从而产生系统所需的兼容性和性能。

图2　混合动力源电动车结构

本系统将安装在后轮上的异步电动机与三相逆变器分组（见图2）。混合能量源DC-DC转换器维持DC总线电压恒定。本文提出的混合能源管理已经证明，当电力电子器件的功率取决于驱动器的速度时，由升压型DC-DC转换器控制的电力效果的行为。基于超级电容器在斜坡、不同速度、快速加速等不同的工况，采用降压-升压型DC-DC变换器进行控制管理。转换器的拓扑结构不影响DC-DC变换器输出电压的性能，能量管理给电动汽车的系统和供电提供良好的动态特性。提出了新的拟合公式，给出了混合源功率、DC-DC转换器电压和行程距离之间的关系。这项研究使得在车辆循环工况条件下可以预测混合能源的动态行为，这是电动汽车的控制和功率管理的基础。对所提出的混合动力源的不同部分进行了仿真，然后使用电力管理控制来协调两个电源之间的电力供应。使用MATLAB/Simulink开发了混合能源的仿真模型，取得了令人满意的结果。所得结果显示了电动汽车混合动力系统生产的可行性。

混合能源需要能源管理，由电动汽车用PEMFC和超级电容器组成的混合电源管理是我们的目标，提出电动汽车中电源的设计方法，并确定超级电容器的数量和PEMFC电池的数量。

3　基于热管理的多堆燃料电池效率提高[3]

本研究旨在提出电动车（EV）的多堆燃料电池（FC）配置，以最小化其起动时间，加热/冷却和循环问题。为了正确地达到这样的期望的条件，提出了一种新型的热管理技术。将小功率多堆叠FC集成到EV中（模型见图3）。多堆叠FC解决方案由于其廉价的制造成本，重量，体积，安全性和能源消耗而在技术上被认为是方便的。

图3　电池多堆FC运行模式

每个FC将根据FC的温度和所需的车辆功率进行激活。使用MTCSim软件进行仿真，热管理的策略如下：

关于我军整体外语能力建设的几点思考 ………………………………………………… 王 萍 叶建军（4.53）

对于电池SOC＜25%，所有FC提供的功率为电动汽车需求功率及其辅助设备的110%。对于25%＜SOC＜90%，建立了电力需求的线性变化。允许有一个调整的补充变量，在速度周期的开始和结束之间，保证SOC相等。当电池SOC＞90%时，FC提供的可能性比较小。因此，在使用电池能量期间不考虑其他额外的激活周期。每个FC温度表示可能的最大输出功率。

仿真结果证明了所提出的热管理方法的能力，除了优化其行驶性能之外，还有效地提高了电动汽车多堆叠FC的寿命、循环和效率。使用多堆FC作为独特FC的备选方案的有效性。电动汽车整体效率得到提高，相关的FC使用寿命得到延长。预热/冷却过程管理有助于改进FC的动态响应。然而，由于冷却电路的复杂性，将这种配置集成到EV中仍然是困难的。显然，液压冷却系统需要更多数量的阀门和分配器，这些阀门和分配器特别属于FC的激活顺序。控制系统在温度升高的同时正确执行任务，无需过热恢复和预热。双相冷却技术可视为多堆冷却过程的替代选择，因为它具有更短的激活时间和足够的效率。未来进行的研究可以处理所提出的热管理方法的实验验证以及其他控制技术，以提高EV的使用寿命，循环，效率和可靠性。

4　集成混合动力汽车子系统的热管理策略[4]

智能热管理是一种在车辆周围重新分配和重新布置热能的技术，以达到最佳的行驶条件。在BEV（蓄电池电动车辆）上，比较热门的特定领域是电池和电池仓的热管理，而不需要电池本身大量使用电力，尽量减少子系统调节对车辆续驶里程的影响。

本文将系统工程应用于评估和选择能够在几个车辆子系统之间传热的BEV应用的集成热泵。涵盖了预热和冷却情况，特别侧重于预热（预计是BEV续驶里程减小的最坏情况）。该工作确定了最小化使用电能来加热流体（例如电池舱通风空气）的PTC（正温度系数）设备的方式，这种能量通常从蓄电池获取。所研究的热泵配置的优点在于从蓄电池汲取热功率，通过整个车辆系统优化的热能传递，改善了车辆的续驶里程。

整体车辆模型架构包括传动控制器、电驱动和热泵系统、BEV电池。热泵型号包括流体回路、变速箱、底盘和制动模型。车辆模型是在标准的气候测试周期中模拟的，包括以稳定的50km/h持续30分钟，然后以100km/h持续30分钟以及在最后30分钟车辆静止。外部条件设定为零风速和-5℃的环境温度。允许热泵从环境中提取热量，条件是冷却器液体流体回路低于环境温度。结果表明，移动热量（热泵系统能耗）和发热（PTC）消耗的能量大大降低，BEV电池所用电能也大大降低。

5　电动汽车测试能源管理的解决方案[5]

本文提供了一个越野电动车（EV）电动动力传动系统灵活的方法，适用于车载能量管理的硬件和软件解决方案。电动汽车原型由一个由96V LiFePO4电池组提供的无刷交流驱动器组成，能够使用两个不同的额外的能量存储系统。还给动力系统提供了电流和电压实施信号调理和测量系统，从而分析和测试从研究活动中获得的模拟结果。最后，为了展示电动汽车原型的正确运行条件，提出并讨论了一些实验性的措施。

进行了实验测试。具体来说，执行一个测试来估计越野电动车所能达到的最大速度。Sevcon控制器执行速度和扭矩的测量，并通过CAN总线发送到显示器，耦合电动机和变频器已经通过初步校准。使用清晰的VIEW显示模型，可以显示EV速度、电流范围、BMS数据等。在电机最大功率条件下获得的最大速度（在4 000 rpm时提供的扭矩为49 N·m）是电子方式限速为50公里/小时。牵引传动的效率在相同的运行条件下计算：当电驱动为车轮提供20.51 kW的机械功率时，电池组在完全充电条件下（充电状态大于90%），提供247A的电流，动力总成的效率大约等于77%。最后，还进行了另一项测试，仅使用锂电池ESS来评估我们的越野电动车的续驶里程。当放电深度等于80%时，我们认为电池完全放电。我们在大学校园内尽可能接近真实驾驶条件，将最高时速限制在40公里/小时。测试结果显示，每公里的能源消耗约为83 Wh/km。预计EV续驶里程与模拟结果相比减少约10%（续驶里程约为37公里）。

6　燃料电池电动汽车能量管理系统的设计[6]

燃料电池混合动力电动车辆（FCHEV）中的动力源的设计是运输应用中的吸引人的领域，FCHEV结合了质子交换膜燃料电池（PEMFC）和超级电池（UB）。在FCHEV中部署一个合适的UB，作为高效能源管理的备用系统（图4）。UB的用途是确保在瞬态响应期间快速传输电力，并在氢气不存在的情况下提供永久电力，使用MATLAB/Simulink环境进行测试和评估。

图4　PEMFC/UB 控制图

PEMFC提供车辆的主要动力源，基于有效动态模型的PEMFC最大功率为20kW，UB是混合动力储能装置。其阳极包括一个SC和一个铅酸电池阳极。UB技术的成立是为了评估和测试部分充电状态（PSoC UB）频段的性能优势（UB在部分充电状态下运行）。UB与传统电池相比是高效的，因为它结合了超级电容器的快速功率响应和铅酸电池的长寿命。

作者详细介绍了PEMFC与UB的有效结合，提出了PEMFC/转换器子系统为主电源，而提出的UB/转换器子系统被作为备用电源，以确保峰值功率期间的负载需求。因此UB旨在提高车辆效率，目的是调节直流母线电压。PSoCUB UB使用拟议的EMS确保了最佳固定频段。仿真结果通过使用ECE驱动周期来获得，包括所提出的EMS中的充电-放电模式。根据展会结果，与其他PEMFC混合动力电动车相比，提高了车辆的效率，提高了车辆的驱动功率。

7　燃料电池混合动力电动汽车的最佳能源管理策略[7]

能源管理策略（EMS）对任何混合动力汽车的性能都有巨大的影响，因为它决定了几乎与动力总成相关的每个组件的运行点。这意味着它的优化是一个非常复杂的任务，必须考虑一些目标，包括氢消耗，驱动能力、部件退化和直线性能。EMS对于燃料电池混合动力电动车辆（FCHEV）特别重要，不仅要最大限度地减少氢消耗，而且要减少燃料电池的电气应力，并最大限度地延长其使用寿命。这是因为燃料电池堆的耐用性和成本是阻止FCHEVs与传统车辆竞争的主要障碍之一。在这项工作中，开发了一种新型的EMS，专门用于燃料电池混合动力电动车（FCHEVs），不仅考虑氢消耗，还考虑燃料电池的劣化，以优化车辆的整体运行成本。这项研究内容被认为是第一次量化EMS对燃料电池退化的影响，包括电压降低的多个原因。这种新策略的性能在模拟上与最近的文献策略进行了比较，这些策略都是为了优化氢消耗而设计的。结果发现，包含降解指标导致燃料电池寿命增加20%，氢消耗仅增加3.7%，这意味着整体运行成本降低了9%。除了直接实施降低氢消耗之外，这种用于优化劣化的技术还允许以无偏差的方式比较替代的车辆设计。为了证明这一点，新颖的优化技术随后用于比较替代系统设计，以便确定燃料电池和电池组的最佳经济规模。发现通过使用能够满足负荷循环的平均功率要求的尽可能小的燃料电池堆，通过使用超大尺寸的电池组以最大化燃料电池效率并且将瞬态负载最小化，都可以使总体运行成本最小化。

该研究在拉夫堡大学进行，Microcab H4测试车已经可用于测试，这辆车在伯明翰大学以前使用了大约2年。Microcab H4是一种小型校园车辆，设计用于大学校园内的低速客运和邮件投递。它的最高时速约为30mph，并配备了一个1.2kW的燃料电池和一个2kWh的电池组，其能量损失见图5。

图5　Microcab H4能量损失（Iain Staffell）

8　燃料电池混合动力汽车在线能量管理策略[8]

本文提出了一种基于驾驶循环预测的能量管理策略，采用非线性自回归神经网络（NARNN）对燃料电池混合动力汽车（FCHEVs）进行控制，其结构见图6。在FCHEV运行期间，这种基于预测的策略可以实时预测不同速度类型的未来行为，特别是对于短程和中程预测时间。为了有效地预测不同驾驶类型的行为，采用移动窗口方法对NARNN模型进行迭代训练和评估，并执行离线优化策略。通过使用所提出的预测方法，可以事先有效地预测未来的驾驶数据。这一预测信息对FCHEVs在线能源管理中的预测控制理论和实施具有重要意义。仿真结果证明了所提出的在线能源管理策略的有效性。未来的工作将旨在提高时间序列预测方法的准确性，以准确预测未来的功率曲线。

图6　建议的FCHEV动力总成构架

这项工作考虑的车辆是基于一次能源燃料电池系统和辅助动力装置（锂离子电池组）的混合动力电动车。质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是FCHEV的主要能源。与储能锂离子电池不同，燃料电池是一种能量转换装置，将化学能转化为电能。作为燃料电池类型之一的PEMFC由于具有能量转换效率高，运行温度低，运行压力低的优点而被广泛应用于电动汽车中。

锂离子电池被用作二次能源，以便在制动阶段恢复动能，并且还用于在燃料电池系统升温期间向负载提供所需的功率。因此，在FCHEV运行期间，充电状态（SOC）代表锂离子电池剩余容量与满充电标称容量之比，应保持在最佳区域。

9　用于电动汽车IGBT电源模块热管理的两相液体冷却[9]

这项工作的主要目标是展示用于大功率电子模块热管理的两相冷却技术的优势，以及SKIM909GD066电机逆变器作为热/流体分析的测试工具。然后在基于三维有限元的热模型中设置耗散功率，传热系数和流体温度，以模拟电动机逆变器中IGBT的两相冷却。两相冷却与单相冷却的比较是为了证明两相解决方案的优势。

SKIM909GD066模块专为汽车应用而设计，具有高功率密度和苛刻的环境条件操作能力。使用COMSOL Multiphysics 5.2（一种基于FEM的数字工具）模拟IGBT模块，提取温度曲线。假设IGBT模块在顶部和侧面绝热；因此，热量从芯片流向冷板，通过不同的层。图7中显示了该模块的叠层结构：键合线和封装被很好地近似去除，因为它们在热平衡中的作用可以忽略不计。

图7　逆变器层叠结构

已经进行了两相冷却与单相冷却的比较以证明两相溶液的优点。本研究的主要结论如下：

·仿真结果表明，两相冷却将传统冷板的传热系数从1 000 W/m2℃（单相冷却系统）提高到12 000 W/m2℃（两相冷却系统）。

·有限元模拟表明，制冷量可从1500W增加到4000W，保持IGBT结温低于175℃。

·两相冷却功能可在IGBT中电源模块的温度更均匀。对于2100W的耗散功率，单相冷却将在IGBT中产生40.6℃的最大梯度温度，而在相同条件下，两相冷却可将温度降至16.1℃。

·两相热管理系统可能适用于需要低于环境温度的应用场合的功率逆变器设计

·结果表明，传统的汽车空调系统可用于更有效地冷却功率转换器。

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