关于燃料电池混合动力电车轨道的能源战略管理实验研究外文翻译资料

关于燃料电池混合动力电车轨道的能源战略管理实验研究

摘要 ：在本文中，一种燃料电池或者是电池混合动力建造而成的低地板轻型车辆（LF-LRV）的比例系统，其由质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统、电池组、DC / DC转换器和能量管理组成。 为了避免瞬变和电力需求的快速变化，并实现高效率的同时而不降低能量的机械性能，混合电车管理系统提出了基于协调多个电源状态机方法的策略。提出的能量管理策略用缩小的驾驶进行评估，通过验证土耳其电车轨道的周期，结果证明混合动车能源系统能够满足适当的驾驶周期。

关键词：质子交换膜;燃料电池;电车缩放系统; 能源管理战略;机器;

1.引言

能源危机和与石油供应导致的环境污染和温室效应，表明必须开发新的运输技术。由于燃料电池接近零排放、更少噪音、快速启动的优点，因此具有作为未来清洁能源的最大潜力。其中，聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）可以成为解决运输污染的新的有效办法，因为它具有较低的工作温度，更高的效率和更小的尺寸。近年来，更多的研究重点是发展PEMFC环保机车和电车，由它提供能源，进而促进可持续经济的发展和减少对化石燃料的依赖。由于燃料电池的有限响应，研究具有储能装置的燃料电池，如电池或超级电容器是必需的，以提高系统的动态性能，使其在一个短时间内满足高功率的需要。

这种组合使燃料电池系统得到了优化，使其能够实现更好的经济性和性能要求。部分负载由储能系统（ESS）提供能量，能量管理系统（EMS）通过对每一个采样的ESS进行时间上的分配，进而决定质子交换膜燃料电池的燃料供应。不同来源的电源能量管理策略对燃油经济性有很大影响，并且对电源的动态性能和使用寿命也有很大影响。

近年来，在文献中关于混合动力系统的各种能源战略研究已经出现了很多。基于模糊逻辑的能量管理策略提出了一种通过分配功率来控制燃料电池/超高压的方法，为了尽量减少氢气燃料电池/电池混合动力电车的资源的浪费，一个消耗最小化系统（ECMS）在路易斯费尔南德兹等人写的超级电容器电车轨道-预测控制燃料电池电池的能量管理这篇文章中已有介绍。基于燃料电池和电池的混合电力系统以及用于电车轨道的单个DC转换器文章中已提出通过状态机混合动力系统组成的燃料电池和镍氢电池集成单直流DC转换器。基于小波模糊逻辑的负载共享和控制算法的FC / UC妙桥车辆电力系统的建模和分析这篇文章中提出一个基于FC / UC混合小波负载共享的车载电力系统和模糊逻辑的控制算法，实现了小波和模糊逻辑的能量管理燃料电池/电池/超电容混合动力汽车的策略电力系统。这些能量管理策略，验证了在Matlab/Sinmulink缺乏考虑系统效率的仿真模型，所以很难验证其正确性和有效性的实时系统。因此，建立了一个实时的燃料电池/电池混合动力系统能量管理策略的验证规模是非常必要的。

在本文中，为低地板轻轨车辆（LF-LRV）开发了包括PEMFC系统，电池组，转换器和能量管理系统的燃料电池/电池混合动力调节系统。PEMFC系统作为电车轨道的主电源，蓄电池组用于在电车加速和巡航期间补充PEMFC输出功率，而且还用于制动期间的能量恢复。此外，基于状态机方法的有效的最优能量管理策略被提出用于LF-LRV电车轨道的电力系统，以适当地协调和分配每个电源的电力需求，并且以土耳其电车轨道的缩小的驱动周期为例说明。

本文组织如下：第二部分专门介绍燃料电池混合系统的混合系统结构; 第3节推导了一种基于状态机的高效优化能量管理策略; 第四节介绍了不同病例的实验设置和结果;第五节为主要结果。

2.系统描述

2.1混合功率缩放系统架构

文中，混合功率调节系统由PEMFC系统和并联连接的电池组组成。电子负载和电子交易所用于缩小土耳其电车轨道的驾驶周期。燃料电池系统和电池组通过其相关的do / dc转换器进行数据采集（DAQ）和控制PC。 整个系统示意图如图1所示。

图一：整体系统原理图

2. 2PEMFC发电单位

在混合动力系统中，PEMFC发电单元具有两个部件：PEMFC堆，燃料电池子系统和单向DC / DC转换器。PEMFC堆是由地平线燃料电池技术公司制造的1000吨重的PEMFC燃料电池堆，并且子系统包括空气冷却堆、鼓风机、HZ压力调节器和阀，用于与主控制器接口的控制器（启动和关闭控制，最佳温度控制）和保护器（过温度，过电流和欠电压）。因为燃料电池输出是未调节的，所以需要单向DC / DC转换器来维持稳定的总线电压，这就需要参考输出电压和最大输出电流。

为了延长燃料电池寿命并提高燃料经济性，燃料电池必须在最大效率工作点工作。 燃料电池效率与输出功率成反比，而燃料电池转换器在高输出功率下具有较高的输出效率.PEMFC发电单元的综合效率曲线如图2所示，曲线的峰值表示最佳工作点。

图二： FC /转换器组合效率

2. 3能量存储单元

许多电池系统已经在混合动力车辆（公共汽车，轻型卡车和电车）中使用Pb-Acid，Ni-Cd或Ni-MH进行测试。在本文中，36V / 36A电池组由三个并联的铅酸电池组成，用于吸收短期波动。茶恩 DC15036F-SDC / DC转换器用于调节电池组向总线传输的功率。 该半桥转换器具有双向电流控制能力。可接受的输出电流范围为36A，最大输出功率为2880W。

3. 能源管理战略

在混合动力系统中，针对不同动力源的能量管理策略在影响动力源的燃料经济性，动态性能和使用寿命方面具有很大的效果。在本文中，基于状态机的有效的最优能量管理策略被提出来控制FC和电池之间的能量流，其大小取决于负载功率，燃料电池系统的操作状态和电池组。

FC动态响应很慢。因此，当混合系统组件达到其限制值时，FC参考功率的变化将发生。在这种情况下，考虑了以下限制条件：FC系统输出功率的最大值、最小值，电池组功率的最大值和最佳值，以及电池SOC。为了避免电池组的SOC状态频繁切换，设计了基于开关延迟的SOC状态，如图3所示。状态机控制决策在表1中示出，并且图3示出了取决于不同的操作条件和SOC状态下的FC的所需功率。

图3：电池组SOC水平的滞后循环

表1：状态机控制决策

图4：燃料电池系统的功率图

图4是基于能量管理策略的燃料电池系统的所需功率，负载功率和电池组的SOC的关系。

因为EMS的输出参数是燃料电池参考功率，所以电池输出功率是燃料电池参考功率和负载功率之间的差，然后除以总线电压以获得电池组参考电流，并且通过调节器调节电池组电流到该值。并且利用调节电压的燃料电池转换器控制总线电压。图5所示为燃料电池混合系统的控制结构。

图5：燃料电池混合系统的控制结构

4. 实验和结果

在本文中，混合功率调节系统设置如图所示（见图6），包括DC / DC转换器并联连接的PEMFC发电系统和电池组，由DAQ和 RS232组成的能量管理策略。 采用土耳其萨姆的LF-LRV电车轨道缩小驾驶循环时间，进而评估在不同情况下使用实验测试中所提出的能量管理策略的性能。 混合系统参数如表2所示。

图6：燃料电池/电池混合动力比例系统

表2：混合动力规模系统的参数

在该实验测试中，有三种情况被描述为情况1，情况2和情况3，并且实验结果示于图7-12中，其具有不同的初始电池SOC：0.30,0.60和0.85。

情况1：初始电池SOC为0.30的实验

在情况1中，电池组以低SOC：0.3工作。为了将电池SOC增加到合适的范围，电池组将由燃料电池产生单元以最大效率值进行充电。燃料电池和电池组的输出功率，负载功率如图7所示。电池组的SOC如图8所示。图7和图8表示了燃料电池产生单元试图对电池组充电，并且电池组SOC快速增加到0.32。

图7：当SOC为0.30时负载功率、FC和电池变化图

图8：燃料电池/电池混合功率调节系统

情况2：初始电池SOC为0.60的实验

在情况2中，电池组的初始SOC为0.6，意味着电池组以正常SOC进行工作。 因此，燃料电池系统将主要以最大功率工作，有时以负载功率工作。基于能量管理策略，燃料电池和电池组的输出功率，负载功率如图9所示。图10中给出了电池组的SOC，电池组试图将SOC保持在适当的范围内。

图9：当SOC为0.60时负载功率、FC和电池变化图

图10.：SOC为 0.6的电池的SOC和输出功率

情况3：初始电池SOC为0.85的实验

在情况3中，电池组的初始SOC为0.85，因此，电池组应当放电以达到高SOC。燃料电池系统将主要在低功率下工作，有时在负载功率下进行工作，燃料电池和电池组的输出功率，负载功率如图1所示。电池组的SOC如图12所示。

图11：当SOC为0.85时负载功率、FC和电池变化图

图12：SOC为0.85时电池的SOC和输出功率

5.结论

在本文中，这是一个混合动力调整系统的电车轨道，由PEMFC作为主要来源和电池组作为次要来源。 基于状态机的EMS被提出以确定系统的每个部件的操作点并且优化系统效率。针对来自土耳其的电车的缩小的驱动周期来评估混合动力系统。 结果表明混合系统能够满足适当的驾驶循环周期。

致谢

作者感谢审稿人的建议。 这项工作得到国家自然科学基金（51177138，61473238，51407146），国家重点技术研发计划（2014BAG08B01）和四川省青年科技基金（2015JQ0016）的支持。

一个千瓦级高温质子交换膜燃料电池堆及其冷却技术

王成浩，王文林

绿色能源与环境研究实验室

工业技术研究所

台南台湾

电子邮件：CHYang@itri.org.tw

摘要：本文研究提出了一种千瓦级高温质子交换膜燃料电池及其冷却技术。冷却方法采用内部冷却方法精确控制堆叠温度。最冷温度和最热温度的测量点之间的温度差为7.3K。在这项研究中，我们在HT-PEMFC电池堆中使用两种冷却机制的密封方法来证明一个简便和便宜的密封技术。本文研究中所使用的密封材料是特定的硅酮密封剂和基于硅氧烷/氟化弹性体的O形环，冷却剂是三甘醇。冷却剂流量高达60LPM，在600秒内稳定地提高叠层的温度为1600℃。本文提出的冷却/密封技术的HT-PEMFC堆叠的峰值功率密度可以达到383mW / cmz。最后，实验证明具有简便和便宜的密封技术的冷却设计可以实现成本效率问题的要求，并且能够提高HT-PEMFC堆叠技术的适用性。

关键词：HT-PEMFC; 燃料电池; 冷却方法

1.背景介绍

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）近年来已经成为人们关注的焦点，因为常规的燃料电池类型不能满足每种应用的所有规格[1] 。基于磷酸掺杂聚苯并咪唑 （PBI）膜的HT-PEMFC，能够在120-180℃下操作，高温还能够增强其内部的电化学动力学[2-3]。HT-PEMFC堆具有结构简单，无气体增湿，较高的CO耐受性等优点，与HT-PEMFC堆和常规PEMFC堆相比，它有更加先进的余热废除和热回收管理系统。

另一方面，可以去除用于燃料的常规加湿装置，并且冷却技术可以更简单。 此外，由于HT-PEMFC的发电机系统具有较大的优化潜力，能够提高整体系统效率[4-5]。从效率的观点来看，工作温度的升高能够增强电化学反应速率，特别是在氧气燃料侧。然而，HT-PEMFC堆的较高操作温度会导致出现密封材料的选择难、启动时间长和堆热管理等一系列问题。在温度范围内的HT-PEMFC操作中需要考虑的重点是热管理，这直接影响启动和冷却所需的工作温度。冷却技术通常使用液体传热流体或空气作为冷却介质。冷却概念和冷却介质的选择取决于堆栈架构。空气冷却最常用于小活性电池区域，因为在活性电池区域会发生温度梯度[6]。使用传热流体的液体冷却是千瓦级功率范围内的标准冷却方法[7]。液体冷却可以进一步分为内部冷却和外部冷却。对于千瓦级或长堆栈的稳定热管理，内部液体冷却方法将是更好的选择。内部液体通常用于冷却千瓦级燃料堆，它是国际上通用的用于在传热流体冷却的使用方法。因此，我们使用内部液体冷却技术设计和制造千瓦级HT-PEMFC堆。 不仅冷却方法影响燃料堆，密封的方法同样对其有影响，因为它可以影响燃料堆的可靠性、效率和可维护性。因此，液体冷却堆叠的首要任务是制造可靠的密封方法。密封弹性体垫圈通常由硅树脂或氟弹性体制成，用于在组装期间密封堆叠[8-9]。

根据以前的研究，有效的冷却方法和可靠的密封方法在千瓦级长堆叠的开发中是非常重要的。因此，本文提出了关于2千瓦 HT-PEMFC堆叠的设计和制造的研究。 在研究中，我们使用两种密封方法，基于氟弹性体的垫圈和密封胶，证明这些密封方法适用于HT-PEMFC堆叠的工作温度。然后，不仅可以在堆叠中使用，也具有可靠的堆叠密封。

本研究的目的是为了进行设计、制造一千瓦级的HT-PEMFC长堆栈，并且对其冷却方法的有效性和稳定性进行验证。同时，还设计了在操作和测试期间将堆温度维持在120-160℃所需的冷却技术。对流场，热传

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