【車用燃料電池管理系統(tǒng)探究文獻綜述5400字】

車用燃料電池管理系統(tǒng)研究國內(nèi)外文獻綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u27701車用燃料電池管理系統(tǒng)研究國內(nèi)外文獻綜述 1119751.2國內(nèi)外車用燃料電池及現(xiàn)狀 164511.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)簡述 2273831.4燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀和趨勢 331411.4.1燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究方向 3182951.4.2燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀 5204141.4.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究意義 69661.4.4客車燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的趨勢 620937參考文獻 61.2國內(nèi)外車用燃料電池及現(xiàn)狀汽車工業(yè)發(fā)展到今天面臨著來自能源、環(huán)境、社會等方面的挑戰(zhàn)和壓力。傳統(tǒng)的汽車主要以燃燒各種石油提煉物的內(nèi)燃機來提供動了。隨著人們的不斷開采，地球上的石油資源正在逐漸減少，使得有牌子產(chǎn)生的環(huán)境污染嚴重威脅到人們的生存環(huán)境。基于這些問題，世界各國都在進行新能源的開發(fā)和利用，在眾多的高效、成熟、經(jīng)濟、綠色的新能源中，目前最為世界各國汽車工業(yè)界所看好的是集能源和環(huán)境與環(huán)保統(tǒng)一的綠色技術(shù)燃料電池[8]。燃料電池的種類很多，其分類方法也有多種。按電解質(zhì)的類型可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等5大類[9]。燃料電池(FuelCell，F(xiàn)C)是一種將氫氣和氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其過程不涉及燃燒，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)物為電、熱和水，是氫能應(yīng)用的重要形式。燃料電池汽車(FuelCellVehicle，F(xiàn)CV)采用燃料電池產(chǎn)生的電能作為動力，具有使用零污染、續(xù)航里程長和加氫時間短等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用有助于節(jié)約燃料以及減少大氣污染，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一[10]。中國對燃料電池汽車的研發(fā)也相當(dāng)重視，在《中國制造2025》等綱領(lǐng)性文件中，對燃料電池汽車及其相關(guān)技術(shù)提出了明確的發(fā)展規(guī)劃。目前，燃料電池汽車已經(jīng)成為中國汽車和能源領(lǐng)域發(fā)展的重要載體，對推動交通領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型以及提升重點產(chǎn)業(yè)國際競爭力和科技創(chuàng)新力具有特殊的戰(zhàn)略意義。美國、歐盟和日韓等國都投入了大量資金和人力開展燃料電池汽車的研究，豐田、本田、通用、福特、奔馳、現(xiàn)代等公司都已開發(fā)出燃料電池車型并進行示范運行，進入初步應(yīng)用階段。燃料電池客車方面，目前美國、德國、日本都推出了燃料電池客車，功率從120～200kW，都配有鋰電池，續(xù)駛里程300km左右，耐久性平均達到10000h。中國燃料電池城市客車在加速時間、最高車速等動力性指標(biāo)方面與國外的車型基本相當(dāng)，氫耗指標(biāo)有一定優(yōu)勢，儲氫瓶的最高壓力均為35MPa。表5為國內(nèi)外燃料電池客車技術(shù)指標(biāo)對比[11]。宇通確立“純電驅(qū)動”的技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，按照混合動力—插電式—純電動—燃料電池的技術(shù)路線，重點研發(fā)氫燃料電池客車，并于2014年獲得工信部批準(zhǔn)的燃料電池客車生產(chǎn)資質(zhì)，2015年，宇通燃料電池客車正式列入汽車新產(chǎn)品公告管理，宇通客車計劃2016年-2018年實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，提高產(chǎn)品耐久性和可靠性，降低成本，并嘗試百輛級的小規(guī)模示范運營。2019年-2020年待技術(shù)成熟后開始千輛級的大規(guī)模推廣應(yīng)用。1.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)簡述熱管理是對一個系統(tǒng)的溫度和換熱量進行管理，把所管理的部件的溫度及換熱器控制在一定的閥值作為目的。熱管理技術(shù)是燃料電池發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)之一，熱管理技術(shù)有：1）冷起動。燃料電池在低溫下的性能比常溫下要差很多，溫度在零下時水會結(jié)冰損壞膜。因此，如何在停機時將水分從燃料電池中排除掉，或在啟動時加熱，以減少結(jié)冰量，是提高低溫啟動性能和可靠性的關(guān)鍵。2）散熱。PEMFC工作溫度低、熱負荷大，絕大部分熱量需要冷卻液帶走，同時散熱器中冷卻液與環(huán)境的溫差小，如何有效散熱，使燃料電池汽車正常運行，對其熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。對于汽車而言，傳統(tǒng)的發(fā)動機效率只有12%~15%，而燃料電池動力系統(tǒng)的熱效率一般為35%~42%，燃料電池發(fā)動機的效率遠高于傳動發(fā)動機，并且在產(chǎn)生相同功率的情況下，燃料電池比一般的汽車節(jié)能25%左右。盡管燃料電池有諸多優(yōu)點，但目前有不少技術(shù)難點沒有攻克，如熱管理散熱問題。燃料電池堆一般有兩個散熱途徑，空氣或冷卻液（本文指去離子水，）往往空氣散熱途徑無法滿足散熱需求，必須通過換熱器強制換熱。傳統(tǒng)發(fā)動機的大部分廢熱可通過機體本身和尾氣排除，然而在極端環(huán)境溫度下，燃料電池動力系統(tǒng)（FCPS）62%的熱量需要通過散熱器排除[12]。燃料電池在工作過程中熱量的來源主要有:歐姆電阻的產(chǎn)熱、反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣冷凝放熱、不可逆的反應(yīng)熱量和電化學(xué)反應(yīng)的熵變[13]。熱量中的80%～90%產(chǎn)生于陰極側(cè)催化劑層，只有約5%的廢熱能被空氣尾氣帶出電堆[14]，即PEMFC工作時產(chǎn)生的熱量，有95%依賴于冷卻介質(zhì)帶走。J.P.Owejan等[15]發(fā)現(xiàn):PEMFC產(chǎn)熱功率密度和有效功率密度隨著電流密度的增加而增加，當(dāng)電流密度大于一定的值時，產(chǎn)熱功率密度會高于有效功率密度。燃料電池在實際使用過程中，往往在高電流密度(≥0.8A/cm2)下工作，因此電堆通常具有較大的功率密度，產(chǎn)熱功率密度可達2.5～3.0W/cm2。燃料電池電堆持續(xù)高效率的工作依賴于高效的熱管理系統(tǒng)。一般而言，PEMFC熱管理需要考察兩個基本指標(biāo):反應(yīng)區(qū)域最高溫度和溫度分布均勻性。1.4燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀和趨勢現(xiàn)階段燃料電池客車大多搭載儲氫式燃料電池，整車合理布置并搭載高壓儲氫罐為燃料電池的燃料供給，這種匹配的技術(shù)方案在實際應(yīng)用中存在著許多瓶頸，如：成本較高的催化劑，使得電堆本體供應(yīng)商和客車制造商成本增高；對整車在不同工況下的熱管理要求較高；燃料電池系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)不完全會造成質(zhì)子交換膜壽命；采用高純度的氫氣作為燃料，對車輛使用地制氫、加氫、供氫、儲氫的設(shè)施建設(shè)和系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)等存在較大的挑戰(zhàn)。對目前燃料電池客車而言，通過研究匹配和與實際實驗數(shù)據(jù)分析已經(jīng)形成一套完善的供氫系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，但是由于電堆內(nèi)的水熱管理的強耦合性，電堆的水熱管理問題依舊是一個難點。合理的水熱管理能夠提高電堆的安全工作和壽命延長，還可以提高電堆的工作效率，提升電堆的輸出功率，進一步提高車輛的經(jīng)濟性和可靠性。1.4.1燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究方向隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)會有更加完善的發(fā)展，主要研究方向如下[16]：單向冷卻方式。對于PEMFC，單相冷卻方式主要有空氣冷卻和液體冷卻等兩種類型，也是目前運用最為廣泛的兩種冷卻技術(shù)。1）空氣冷卻?？諝饫鋮s的散熱方式多用于具有零部件少、成本低、系統(tǒng)效率高等特點的小功率(≤5kW)PEMFC系統(tǒng)中?？諝饫鋮s型燃料電池電堆有兩種結(jié)構(gòu)[17]:①反應(yīng)空氣(或氧氣)與散熱空氣分別設(shè)有流道，反應(yīng)所需空氣可由另外的空氣輸送設(shè)備提供，也可與散熱用空氣共用空氣輸送設(shè)備;②反應(yīng)空氣(或氧氣)與散熱空氣共用流道，燃料電池工作時，經(jīng)過陰極反應(yīng)區(qū)域的空氣只有小部分起到提供反應(yīng)所需要氧氣的作用，其他部分則帶走反應(yīng)過程中生成的熱量。2）液體冷卻。汽車、船舶及大型運輸機等需要大功率(＞5kW)動力系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，對燃料電池的功率密度有更為嚴格的要求，對燃料電池環(huán)境溫度適應(yīng)性的要求也更高。液冷型燃料電池的比功率一般可達到2kW/kg，是空冷型的4～8倍，環(huán)境適應(yīng)性也比空冷型好。液體的比熱容比空氣大，采用液體冷卻方式，燃料電池的溫度分布更為均勻。液體冷卻是在燃料電池陰、陽極板之間設(shè)計獨立的冷卻液流道，依靠冷卻液強制對流換熱，將燃料電池工作過程產(chǎn)生的熱量帶走。采用該冷卻方式的燃料電池動力系統(tǒng)，零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱所用的附件功耗大，一般占有效輸出功率的10%左右。燃料電池對冷卻液的離子濃度有嚴格的要求，當(dāng)離子濃度超過一定值后，會影響燃料電池的性能，甚至影響運行安全。燃料電池冷卻液需選用去離子水或?qū)Ｓ玫姆纼鲆?。為了從熱管理方面提升燃料電池的性能、延長使用壽命，人們在燃料電池極板冷卻流道結(jié)構(gòu)上開展了一系列的研究，以獲得更低的最高溫度，提高極板的溫度均勻性[18-21]。相變冷卻方式。單相冷卻方式是利用冷卻介質(zhì)的顯熱帶走燃料電池工作過程產(chǎn)生的熱量;而相變冷卻方式則是利用物體相變時會吸收大量的熱量的特性來對熱源進行冷卻。常用的相變冷卻有蒸發(fā)、流動沸騰、熱管散熱和相變材料等4種。（1）蒸發(fā)冷卻。蒸發(fā)冷卻是指冷卻液在低于沸點的條件下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，帶走熱源熱量的冷卻方式。一般而言，燃料電池的蒸發(fā)冷卻是將冷卻液和空氣一起從陰極側(cè)進入系統(tǒng)。冷卻液可以加濕空氣，提升質(zhì)子交換膜含水量，提升燃料電池性能;同時，很大一部分的冷卻液會被空氣帶入反應(yīng)熱源核心區(qū)域被蒸發(fā)掉，帶走反應(yīng)中生成的熱量，使反應(yīng)區(qū)域保持合適的溫度。由于蒸發(fā)和冷凝換熱比單相對流換熱更高效，可大幅度降低冷卻水泵的負荷，散熱器的體積也會小很多。（2）流動沸騰冷卻。流動沸騰冷卻是指冷卻液在達到沸點的條件下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，帶走熱源熱量的冷卻方式。流動沸騰冷卻過程中，冷卻液的溫度恒定在沸點不變，可滿足燃料電池反應(yīng)區(qū)域均溫性的要求。與傳統(tǒng)液體冷卻方式類似，該冷卻方式需要設(shè)計獨立的冷卻液流道。（3）熱管散熱技術(shù)。熱管散熱主要依賴于蒸發(fā)段的液體汽化，將熱量轉(zhuǎn)移到冷凝段，然后從冷凝段散出到外界。熱管的材質(zhì)一般為銅或鋁合金，能保證熱源面溫度保持較好的均布性。另外，冷卻液在熱管內(nèi)的循環(huán)不依賴于外界動力元件。目前，該技術(shù)在燃料電池中的應(yīng)用仍然處于實驗階段。熱管散熱技術(shù)在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛起步，需要進一步研發(fā)，將熱管散熱技術(shù)與燃料電池有效地結(jié)合。（4）相變材料散熱技術(shù)。近幾年，相變材料(PCM)散熱技術(shù)倍受關(guān)注，它是利用材料發(fā)生相變時的潛熱帶走熱源熱量。相變材料在燃料電池方面的應(yīng)用研究極少，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用大多數(shù)也處于初期階段。相變材料運用熱管理領(lǐng)域具有溫度分布均勻、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單和維護成本低等優(yōu)點[22-23]。葉鋒等[24]提出可將相變材料的儲能功能運用于熱管理系統(tǒng)中，提高能源利用率。燃料電池電堆內(nèi)部空間狹窄，依賴相變材料帶走反應(yīng)過程生成的熱量，不是特別的有意義，而利用相變材料對燃料電池的廢熱進行回收利用，也將是一個值得研究的方向。1.4.2燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀熱管理系統(tǒng)對電堆的水熱特性影響較大，截止目前，國內(nèi)外大量學(xué)者對此進行了不少的研究。王賢海[25]提出了一種用于研究溫度對電池性能影響的仿真建模方法，結(jié)合燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造，在Matlab/Simulink平臺上進行了溫度控制仿真研究。Peng等人[26]依據(jù)建立的電堆冷卻劑循環(huán)冷卻數(shù)學(xué)模型和控制經(jīng)驗法則，提出了一種溫度模糊控制策略，保證了電堆具有理想的工作溫度范圍。Zhao等人[27]建立了能夠較為準(zhǔn)確的模擬輸出電壓、冷卻水流量溫度和散熱器電壓的水冷系統(tǒng)模型，進行了熱管理控制仿真并與相應(yīng)的實驗系統(tǒng)進行了對比驗證。Saygili等人[28]開發(fā)了電堆系統(tǒng)基于能力平衡的仿真模型，并進行了相應(yīng)的動態(tài)測試，研究并評估了可能被采用的閉循環(huán)冷卻水循環(huán)控制器和控制策略。1.4.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究意義由于水熱管理存在前耦合性，電堆內(nèi)的水熱特性很難調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)，熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定和溫度的控制長時間無法達到適應(yīng)狀態(tài)。所以，在不同工況下，為保證電堆輸出功率的高效性和穩(wěn)定性，盡可能小的避免電堆內(nèi)質(zhì)子交換膜的損傷（過濕或干燥），電堆熱管理系統(tǒng)的研究是對電池的性能、耐久性及壽命延長具有重要意義。故，電堆熱管理系統(tǒng)具有相當(dāng)大的研究價值。1.4.4客車燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的趨勢從目前燃料電池發(fā)動機的各種散熱技術(shù)看，在客車燃料電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，單相冷卻依舊是目前客車燃料電池領(lǐng)域運用得最為廣泛的技術(shù)，但基于相變冷卻的熱管理技術(shù)在燃料電池的熱管理領(lǐng)域有著非常重要的意義和前景，值得進一步研究。另外，研究能耐更高溫度的PEMFC是一個非常有意義的方向，它對于燃料電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展也會有著很大的影響。參考文獻[1]衣寶廉．對我國燃料電池發(fā)展的思考與幾點建議［EB/OL］．(2016－03－28)［2018－04－17］．[2]李建秋．關(guān)于我國燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢和建議［EB/OL］．(2018－01－22)［2018－04－17］．[3]李相哲，蘇芳，林道勇.電動汽車動力電源系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.[4]陳全世，朱家璉，田光宇.先進電動汽車技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.[5]Ehsani，M.等.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車-基本原理、理論和研究[M].2版.倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2010.[6]律翠萍,葉芳.質(zhì)子交換膜燃料電池的水熱管理[M].北京：節(jié)能，2005（8）,6-10.[7]李玉鵬，李進.燃料電池城市客車電電混合動力系統(tǒng)研究[M].客車技術(shù)與研究，2014，（06）21－24（30）.[8]郝利君，孫業(yè)保，孫巖.燃料電池電動汽車[J]，商用汽車，2001，（02）35-38.[9]TomazicD，PfeiferA．CooledEGＲ-AMustOrAnOptionfor2002/04［C］．SAEPaper2002－01－0962，2002．[10]王吉華，居鈺生.燃料電池技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述(上)[J],現(xiàn)代車用動力，2018，（02）7-12（39）.[11]中國汽車技術(shù)研究中心．中國燃料電池汽車發(fā)展路線圖［EB/OL］．(2018－02－12［2018－04－15］．https://wenku．baidu．com/view/dffaa284846a561252d380eb6294dd88d1d23d1b．html．[12]李正秋and蔣燕青（2009）.“上海世博會燃料電池汽車散熱器性能研究”.上海汽車（03）：8－10.[13]KANDLIKARSG，LUZJ.ThermalmanagementissuesinaPEMFCstack—Abriefreviewofcurrentstatus［J］.AppliedThermalEngineering，2009，29(7):1276－1280.[14]周奕，陳建利，趙陽，etal.燃料電池客車散熱系統(tǒng)設(shè)計分析［J］.上海汽車，2010(1):19－20.[15]OWEJANJP，OWEJANJE，GUWB，etal.WatertransportmechanismsinPEMFCgasdiffusionlayers［J］.JElectrochemSoc，2010，157(10):1456－1464.[16]劉波，趙鋒，李驍.質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的進展［J］.電池，2018（3）:202-205.[17]SOHNYJ，PARKGG，YANGTH，eta