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可再生能源和可持续能源研究
混合燃料电池动力汽车能量管理系统研究:问题与挑战
摘要
燃料价格和温室气体排放的新问题引起了替代能源的关注来源，特别是在交通运输部门。交通运输部门占总燃料消耗量的40%。因此，越来越多的关于混合动力电动汽车和他们的能量管理系统的研究一直在进行。本文着重对燃料电池的能量管理系统研究为基础的混合动力汽车与电池和超级电容器相结合。燃料的各个方面和分类本文阐述了细胞混合动力系统的研究。不同类型的FC混合动力汽车控制模型和算法来自模拟和实验的解释，详细的分析理由，最优化的控制策略。FC混合动力系统的各种组合的性能总结在表中，以及相关的参考文献。本文提供的FC混合动力系统的综合调查，其来源于很多研究人员的组合，模型，能量管理系统（EMS）。从严格的审查，它是观察到现有的技术，越来越多的能力，能够执行；然而，可靠性和智能系统仍然是不高的标志。因此，目前关于FC混合动力电动汽车技术问题和挑战的重点是未来的发展，未来的足球电动汽车研究的简要建议和讨论。这篇研究将有希望引出对经济的发展，更长的寿命，氢的可行和高效的电子接口和良好的表现为未来的FC混合动力电动汽车越来越多的努力。
1引言
自从丰田普锐斯和本田Insight分别在1997和1999推出的汽车行业以来，混合动力电动汽车（HEV）成为一种现象。一个33千瓦的电动机的额定功率是由第一代普锐斯实现，与第三代有一个60千瓦的额定功率为10千瓦的额定功率与洞察力。本田混合动力车只使用一个电动马达和一个逆变器，而丰田混合嵌入2个电动马达和2个逆变器的分裂功率。本田的配置很简单，但有局限性，功率流和系统优化。同时，丰田的设计更为复杂，因为功率可以单独由电池供电，单独使用汽油，或是电池和汽油的组合.这样的设计提供了无级变速器和电动马达较大的空间，因为离合器不使用。然而，超过25%的投诉是针对普锐斯。
HIV的想法开始，早在20世纪初，当电动车未能在市场上获得成功，由于昂贵的电池技术和有限的练习场。电动汽车和混合动力电动车辆之间的差异，可能会出现相当小。然而，在每个车辆及其控制的影响方面的差异是巨大的大量。一种电动车辆（EV）上操作的电力驱动;包括电池，电动机和发电机，如本田EV此外，通用汽车EV1，和丰田RAV4 EV。另一方面，一个HEV操作使用一个电动马达和内燃机（ICE），由于其分别由电池和燃料的，能量源。该HEV降低化石燃料的消耗，由于电力需求低时电池运行的运作，只有加速或高负载功率运行期间的燃料。其中，使得它的方式进入批量生产HEV车型是本田的Insight，丰田Prius，最近本田思域混合动力车。然而，污染，全球变暖和燃料价格急升的问题，迫使汽车制造商推出燃料电池汽车。
燃料电池已经吸引了相当大的对温室气体的零排放的注意。此外，来自燃料电池的能量是从空气的氢气和氧气的化学反应，这是一种丰富的资源绘制。燃料电池通过电化学方法直接转化化学能转化为电能的。燃料电池包括两个电极浸没在电解液和夹在一起。七类型的燃料电池是在市场上买到：质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接甲醇燃料电池，碱性燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池和微生物燃料电池。这些类型的燃料电池是可商或用于研究。选择适当的燃料电池，因为所产生的不同操作温度和功率水平是至关重要的。成本和效率是选择最佳的燃料电池的重要考虑因素。
氢可以被甲醇和丙烷从碳氢化合物和生物过程的改造来提供。该气体也可以从通过使用电解槽，打破在水中的化学键成氢气和氧气在电解过程中吸取，然后收集氢气在气罐。实施可再生能源，如燃料电池，可以产生这样的顾虑如效率，成本和限制。效率取决于系统的配置，设计和元件选择。此外，系统的成本强烈依赖于它的效率[9]。其他的局限性，如车辆速度与要达到一定的速度所需要的功率的关系也需要考虑。因此，混合燃料电池电动车辆的想法出现了。
混合动力电动汽车有一个以上的电源，它在确定哪些电源应该被激活或绘制提供的重要功能。能量管理系统（EMS）控制所述能量源供给电动机。换句话说，显影系统作为主要来源和辅助源]之间的能量的功率分配器。这项研究认为，燃料电池作为主源，与所述电池和超级电容器（SC），为混合动力汽车的辅助源。电池是由通过电解质分离，以化学能转换成电能的电极的电化学装置。几种类型的电池在市场上可用的。这些类型包括铅酸，锂离子（Li离子），镍金属氢化物（NiMH），碱性镍镉，等。其中，镍氢电池和锂离子是在电动车中最常用的。
超级电容器是用于在短时间内提供峰值功率电化学电容器。超级电容器的电特性是类似的电容器的，由由非多孔材料的任一电气双层电容器，诸如活性碳或含有过渡金属氧化物，氮化物和聚合物具有相对高的表面区域的伪电容器。电力电子接口是所述能量源和所述马达之间的互连或整合，并且通常包括电源转换器。功率转换器可以是一个简单的逆变器或DC-DC转换器（也称为斩波器）与逆变器.
然而，在能量管理系统主要关注的问题是如何有效使用的策略还是控制方法。除此之外，能量管理系统在SC面临在其发展和应用的一些问题和挑战。本文分析和讨论，以提出最有效的能量管理系统为燃料电池混合动力电动汽车，能量管理系统为燃料电池混合动力电动汽车以前的方法。这些问题和发展燃料电池混合动力电动汽车的挑战进行了讨论，以提供知识和信息向社会作为一个整体。这是涉及到新的环境管理体系的未来发展或燃料电池混合动力电动汽车改善以往能量管理系统的研究具有重要意义。
2 燃料电池混合动力电动汽车分类
燃料电池混合动力电动汽车中而必须相应地管理，以确保供给到电动马达的能量足以按需求或负载功率能量的多个源方面进行了综述。这是因为，在某些情况下，能量可以从电池或从燃料电池或从两个能源绘制。在其他情况下，能量从两个燃料电池和电池吸收，并且在某些点，电池和SC的收费。的FC-HEV操作条件可以与所需要的能量或电机的操作，如启动，巡航，加速和制动。不过，这项研究彻底审查了EMS目前或以前的燃料电池混合动力汽车，然后总结并提出了今后研究的或改进的建议。
单独的燃料电池，通常是PEMFC，供给的燃料电池车似乎有限制，如缓慢动态特性。另外，PEMFC的膜电极组件是开放的故障，如膜破裂，内部气体泄漏，电池驱/干燥。而且，PEMFC中具有相对于慢动态响应负载变化，从而缩短所述燃料电池的使用寿命。性能，可靠性，耐久性，成本，燃料供应，公众满意度，和瞬变中表现都在开发燃料电池电动汽车，可以与那些垄断街头内燃机汽车竞争埃森TiAl基合金的因素。因此，汽车制造商开始生产燃料电池混合动力汽车。丰田生产的丰田FCHV，而本田生产的本田FCX-V4和FCX清晰[20]。与此同时，现代也产生其自身的燃料电池汽车，也就是，图森FCEV，其中嵌入了一个燃料电池和电池组。通用汽车公司，在另一方面，发布了旗下雪佛兰Equinox燃料电池车在2008年提要氢和电池。戴姆勒发布了其F-CELL B级车在2005年有什么地方大众汽车在2008年发布了帕萨特领驭燃料电池车。燃料电池和电池的混合动力的燃料电池电动汽车，这些面临电池寿命的限制，虽然，这是超级电容器现在被许多家汽车制造商考虑的原因。
大量的研究已经进行和混合动力汽车，其中混合动力汽车的EMS本文综述发表。帝释等。报道混合动力车使用两个能量存储装置，一个具有延伸的行驶距离和另一个与该加速度和再生制动有助于高功率可逆性高能量存储能力。再生制动是将制动电能被传递到一个可再充电电池用于以后使用，不像普通动态制动，其中运动能量被转换成电能的[26]的条件。许多研究已在燃料电池混合动力汽车进行的，无论是整合使用电池或SC或两者燃料电池，拿出一个有效的环境管理体系。这些研究的审查和比较分析在下面的章节呈现。
2.1燃料电池---电池混合动力电动汽车
大量的研究已经进行了有EMS接近燃料电池电池。电池能够提供大电流启动马达并可以作为负载限制装置，使燃料电池在低功率初始操作，然后前进到高功率操作[10]。爽等。 [27]进行了电源管理策略集成串行再生制动的研究。 （1）配电模块划分需求功率转换成直流电源和电池电源，（2）制动策略模块可以是串行或并行的：电源管理用的控制器，它包括两个模块进行。被选择的序列制动的策略，因为串行制动策略具有再生能量的比例更高。通过使用Matlab / Simulink环境为中国城市公交车行驶工况进行模拟。结果显示，相对于最小化功率损失的目的，经修订的最优策略实现了减少79％，而现有的最优策略实现减少60％[27]。然而，这项研究的亮点是串行再生制动的基础上最小化功率损耗。因此，在强调力量分裂算法并不明显。此外，结果只表现出相对的模拟性能的再生和非再生制动之间的比较，以及功耗和充电（SOC）状态的规则库，现有的优化和修改后的最优策略。
用于燃料电池 - 电池混合动力汽车的结构的总体框图，由阿拉维等人和基洛纳等人所说明。[33]，如图1所示。在EMS涉及燃料电池和蓄电池的概念是，这两种能源之间发生负载分担。然后能量被供给到DC总线。然后直流电压将被送入一个逆变器的直流电压转换成交流电压，其可以移动至交流电动机。
李和刘汇报了燃料电池，电池组合设计和基于模糊逻辑控制器的电源管理优化的研究。该组合优化的电源管理，这意味着直接算法进行了模拟三个循环工况：城市测功机驾驶附表（UDDS），公路燃料经济性测试（HWFET）和新欧洲行驶循环（NEDC）。结果表明：在HWFET最高的效率和在UDDS最高DOH，并在UDDS最低效率，但在HWFET最低DOH。低DOH与少制动解释，因此，较少的电池recharging.Nevertheless，在所有驾驶循环有人提出电池SOC变化不大，显示它没有充分利用。这可以延长电池的寿命，但成本很高考虑到电池的费用是根据规模和固定结构。然而，直接的算法没有阐述和动态的问题如能源饥饿和阳极 - 阴极压强差在这项研究中被忽略了。
燃料电池，混合动力汽车电池的EMS另一项研究报道了肖和王等。肖和王应用模糊控制在9千瓦的电动汽车四种操作模式。这个概念是计算所需的总功率，考虑到功率负通过加速度制动和制动踏板位置时，然后从燃料电池或电池组的燃料电池的工作点和SOC分配功率。错误或负载功率，电池电量，燃料电池发电，回收动力的变量三角从属关系函数，和SOC分别设定为[？3千瓦，9千瓦]，[？3千瓦，6千瓦]，[0千瓦， 5千瓦]，[0千瓦，3千瓦]和[0.3，对于这个控制策略0.9]。模糊控制通常嵌入IF-THEN规则，但这些规则都没有在报告中可见。该研究集中于接口与加速器和制动踏板通过DSP320TM2812硬件平台的定位控制策略，但模拟仅持续15分钟，并在硬件性能结果不清楚。
同时，Ouddah等。进行的一项研究比较了两种EMS的另一个燃料电池的电池HEV。第一EMS是基于电源频率分裂，其中，所述频率分解分配的频率分量到每一个源。在这种策略中，燃料电池单元被分配来供应低频，并且电池被分配来供应高频。与此同时，其他的EMS是一种最优控制策略，其中Ouddah等。施加庞特里亚金的最低原则，其中该系统是通过状态空间动力学方程表示。在最优控制策略，电池提供未由燃料电池提供的瞬态能量。通过使用SimPowerSystems的工具箱在Matlab / Simulink进行了考虑欧洲行驶循环（ECE-15）的模拟。结果表明，在负载功率满足，由最优控制策略减少了氢的消耗。然而，这项研究仅限于模拟，并且没有监视的速度和SOC。在电源转换器的损失也被忽视。
特伦和Stefanopoulou[29]报道，燃料电池，混合动力汽车电池的最佳功率分流。控制策略是基于确定性的动态规划。该方法最小化从SOC偏差，氢耗和氧过剩率的串行乘法函数定义的成本函数。使用纽约市的循环ADVISOR仿真工具，FTP-72，和SFTP驱动周期来代表轻度，中等和侵略性的驾驶循环，分别控制策略进行了模拟。但是，模拟只专注于电池尺寸的最优控制性能的影响。然而，80千瓦的功率和129千米/ H系统忽略了动力系，直流电动机，逆变器，和直流/直流转换器的能量损失。
基于由谢等人的报告。用于燃料电池 - 电池混合动力汽车的EMS是基于神经网络算法。在神经网络结构是三层向前结构具有三个输入：直流输出功率（P DC）：一个输出负载功率（PL），总负载功率间隔时间的变化量（EP L）和电池的SOC，以及。因为编码的关键是遗传算法合适的编码是必不可少的。适应度函数提供的信息，以指导遗传算法搜索，并逐渐接近最佳参数组合。在EMS是由使用的顾问，基于Matlab的城市测功机驾驶附表（UDDS）驱动器周期工具进行模拟。模糊逻辑和神经网络之间的比较的结果表明，在燃料消耗7.23％减量，而是动态的表现是在后者，这在0.4秒在加速时间的增加是明显的降低。
同时，Karunarathne等。报告了燃料电池 - 电池混合无人机电动汽车它采用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）为基础的控制器，来控制车辆的推进系统的研究。这项研究的重点只是模拟其在Matlab SimPowerSystems的工具箱和能量管理系统（EMS）在Simulink中进行。所获得的结果证明，能共享是基于电力需要和SOC。然而，它需要在现实生活中的应用进行扩展，以确保它的真实表现。阿拉维等。另一方面，报告了基于频率间隔的燃料电池用电池混合型电动车辆的能源管理。模拟用的400瓦负载功率能量管理系统的车辆动态模型在城市驾驶的欧洲循环使用。然而，在该报告中，有一对模拟工具没有证据。
另一项研究报告了Kelouwani等。上的燃料电池的电池充电式混合动力电动汽车（PHEV）的能量管理系统（EMS）。EMS的施加最
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