新能源汽车技术-动力电池&燃料电池2022年
采用引射器实现大功率燃料电池系统中氢气的循环利用是未来的主流方向，然而突出的问题是引射器在低功率工况下性能表现较差，难以满足覆盖宽功率范围的要求。本文针对170 kW级大功率燃料电池用引射器，建立了引射器内流动三维数值模拟模型，分析了在宽工况下引射器关键结构参数，即喷嘴出口直径Dt和等容混合室直径Dm对引射性能的影响规律，进而探讨了适用宽功率工况的引射器最佳结构参数组合。结果表明：选用较小的Dm能够形成较大的流动压差，防止二次流倒流，提升引射器低功率工况下的性能。当Dm/Dt在2.5~3.0时，引射器性能最佳，覆盖功率范围由70~170 kW拓宽至40~170 kW，引射器适应的功率范围拓宽近43%。研究结果为170 kW以上大功率燃料电池系统用引射器设计提供了重要参考。
针对新能源汽车动力电池的热失控与安全风险问题，本文从热失控的诱发与反应机理出发，通过分析现有动力电池安全管控方法，归纳了动力电池安全问题的研究现状与最新进展，分析了当前动力电池安全管控研究中存在的主要问题，指出了新能源汽车安全风险管控技术发展趋势，旨在推动动力电池安全风险预警和管控技术提升，保障驾乘人员生命财产安全，消除消费者安全焦虑， 促进新能源汽车产业发展。
为保证电动汽车运行安全，我国从动力电池的本征安全、主动防护安全和被动防护安全等方面入手制定标准，基本形成标准体系。本文中通过分析现有标准的历史沿革、面临挑战和完善建议，结合动力电池安全技术研究应用和国家政策引导等情况，表明基于大数据的动力电池运行状态监测预警是防止热失控的有效途径，并提出配套完善标准和管理机制的建议。
鉴于国产燃料电池车用离心式空压机高压比和大流量的进气需求，本文对100 000 r/min超高速离心式空压机转子稳定性设计中存在的共振失稳问题建立了复合截面转子-轴承系统模型并进行研究。剖析了增大轴承刚度和缩小轴承跨距时的临界转速提升，以及转子空心结构和温升造成的临界转速降低，并为刚性和柔性转子提出了不同的避震措施。还探讨了大转动惯量的叶轮由于回转效应影响对于高阶临界转速的显著提升作用。研究结果为燃料电池超高速离心式空压机转子和轴承设计提供良好的理论指导和设计参考。
根据重型商用车动力系统高性能、长续航里程、低成本的开发需求，本文提出了分布式驱动液氢燃料电池重型商用车技术方案，探索性地应用了大功率燃料电池系统、大容量车载液氢储供系统和分布式电动轮驱动系统等多项创新技术。基于燃料电池系统设计与匹配技术，开发了国内首套上公告的百千瓦级燃料电池系统（109 kW）；.基于车载液氢储罐设计、液氢汽化器设计和车载液氢BOG处理与全系统安全监控等关键技术突破，研制了国内首套车载大容量液氢储供系统（60 kg/110 kg）；基于轮毂电机磁热设计、构型设计和集成设计创新，研制了适用于重型车辆双胎并装车轮的电动轮，所开发的电动轮单轮峰值转矩16 000 N·m，短时峰值转矩超过18 000 N·m，电动轮峰值转矩密度可达60 N·m/kg。基于上述关键部件技术，完成了全球首辆分布式驱动液氢燃料电池重型商用车开发，设计续驶里程超过1 000 km，所研制的35 t级与49 t级重型商用车分别进行了道路试验，验证了液氢储氢、动力系统与分布式电驱动系统的技术可行性，为重型商用车的电动化探索了可行的方向。
根据广泛采用的均布模组式电池包结构，搭建均布模组热失控扩散试验平台，开展均布电池模组热失控扩散试验，分析均布模组热失控扩散行为特性和热流传递的规律。结合由电池包热失控引起电动汽车火灾事故真实案例和均布模组热失控扩散试验结果验证均布模组式电池包热失控的扩散模式。结果表明：均布模组式动力电池包热失控扩散模式包括模组内热失控扩散和模组间热失控扩散；首先发生热失控的模组1内热失控时间间隔分别为44、34、31 s，而受模组1的影响而发生热失控的模组2内热失控时间间隔明显缩短，分别为17、15、11 s，模组内热失控时间间隔越来越小，电池单体热失控释放的触发相邻电池单体热失控的热量随着热失控的扩展逐渐减小；模组间热失控扩展存在明显的时间间隔，通常达到若干分钟量级；电池单体在热滥用条件下的起始温度可分为热失控触发温度和热失控环境触发温度，模组间的壁面热辐射和空气热传导增大了相邻模组内的热失控扩散速度，壁面热辐射传递的热量最高可达95.18 kJ，空气热传导传递的热量最高为3.58 kJ，模组间热量的主要传递方式为壁面热辐射。为阻隔模组内热失控扩散，应加强模组间热失控扩散的防护措施。
为探究用户的行为习惯对电动汽车电池老化的影响，本文基于大数据的统计分析方法，依托企业监管平台大量高品质的用户和车辆数据，开展了用户车辆所在地域、用户的充电方式偏好和驾驶风格对电池老化的影响规律研究。结果表明：随着电池平均运行温度的升高，电池容量衰减呈先减后增的趋势；北京用户的电池老化程度比广东用户整体高10.59%~19.09%；随着快充频率的升高，电池的容量衰减率呈逐渐增大的趋势，但增大的速率逐渐减小；偏好快充充电的用户车辆的电池老化比偏好慢充充电的用户快33.45%~56.24%；激进的驾驶模式会加剧电池老化，整体比温和型的驾驶模式快1.73%~10.37%。研究成果对车企优化整车功能设计，指导用户健康行车具有借鉴意义。
燃料电池空压机的动态工作特性直接决定了燃料电池系统的实际工作性能。为通过试验系统地分析空压机的瞬态性能变化规律，搭建了空压机动态性能测试台，设计了一种可反映空压机真实工作特征的瞬态测试工况，分析了单个瞬态测试循环下空压机性能与运行参数的变化特性。结果表明，空压机在瞬态工况下的运行点主要位于稳态脉谱图的中间窄带部分，处于较高效率的工作区间；空压机的进出口流量差受压比和温度比共同影响而剧烈波动，且在高转速区域流量差较大，主要介于3.5~8.5 m3/h之间；高转速区域最大功率消耗达到5.6 kW，造成较大的寄生损失，而出口温度变化的敏感性较低；当空压机转速由9 750 r/min快速降低至4 450 r/min时，流量变化存在约2 s的滞后。
质子交换膜燃料电池气体扩散层（GDL）内部纤维孔隙特性对GDL液态水传递能力，以至电池的性能和寿命都有重要影响。本文中基于流体体积法建立了能捕捉液态水穿过GDL纤维孔隙运动行为的气液两相模型，分析了GDL纤维的孔隙率、形状、间距纵横比和接触角对GDL内液态水传递的影响。结果表明，GDL纤维间距的纵横比通过影响横、纵向的毛细力来决定液态水的运动方向，沿纵向增大接触角能加速液态水的爬升，从而明显提升GDL的排水能力。
本文中提出一种基于自适应无迹卡尔曼滤波器（AUKF）的锂离子电池荷电状态（SOC）估计方法。首先建立电池的2阶RC等效电路模型，并对模型的参数进行辨识；其次针对无迹卡尔曼滤波（UKF）算法的不足，引入一般滤波器的收敛判据，从自适应调整测量噪声、调整过程噪声和修正卡尔曼增益的角度改进UKF算法，形成了基于AUKF的SOC估计方法。最后用测试数据和公开电池数据集进行验证，结果表明该方法具有较快的收敛速度和较高的估计精度。
为实现燃料电池汽车在多信号灯场景下的节能驾驶，本文中提出一种基于分层凸优化的快速车速规划和能量管理方法。结合车辆静态氢耗图，运用动态规划获得车辆通过信号灯的最优绿灯窗口，并确定最优行驶路径的搜索区域。建立以车辆需求功率累计最小为优化目标求解车辆加速度的二次规划问题，并运用Matlab/OSQP求解器获取车辆最优行驶路径。根据最优行驶路径，采用基于交替方向乘子法的能量管理策略，实现各动力源输出功率的合理分配。针对9个信号灯场景的仿真结果表明，所提方法的电机工作点平均效率比智能驾驶员模型高10%，氢耗低45%。此外，该方法计算速度快，具备实时优化的潜力。
本文利用Bernardi生热速率方程，通过仿真和实验验证建立了可靠的电芯生热模型，仿真和实验误差在2%以内。在此基础上建立汇流排产热影响下的模组生热模型，针对原冷却系统对模组顶部区域和汇流排上冷却效果不足等进行改进设计，在冷却板布置方式上提出将冷却板布置在模组侧面，再通过仿真分析选取合适的冷却板厚度、冷却液体积浓度和冷却液入口流速，最终设计的冷却系统模组汇流排体平均温升降低了15.56%，电芯体平均温升降低了11.48%，模组顶部表面平均温升降低了20.34%，同时模组电芯上的温度分布也更加均匀。
锂离子电池在老化过程中，其内部呈现非线性的复杂变化，因此直接使用动态条件下的锂离子电池运行时段的数据（电流、电压和温度）进行电池健康状态的实时估计是一个具有挑战性的问题。本文中选取锂离子电池随机充放电数据，对动态数据的部分片段进行时频特征提取，组成时频特征矩阵作为输入，构建级联式卷积神经网络和门控循环单元容量估计模型，对输入数据进行内在特征提取，并进一步挖掘各时间序列中的相关特征，实现锂离子电池动态条件下的容量估计。利用美国航空航天局锂离子电池随机使用数据集进行实验验证的结果表明，该方法能在仅已知电池的额定容量的情况下，准确完成锂离子电池容量估计。最后，本文还分析了模型超参数设置、原始数据时序长度、网络输入和模型结构对容量估计精度的影响。
动力电池在电动汽车行驶过程中不断产热，持续高温会降低电池的使用寿命，危害汽车的运行安全。因此，采取高效、节能的冷却优化策略，提高动力电池工作效率十分必要。本文基于电池的生热特性和牛顿冷却定律建立电池组集中质量热模型，并与AMESim中建立的电池液冷系统模型进行对比，验证其准确性。针对电池热管理系统的高度非线性与时变性，提出一种在多维搜索空间迭代逼近最优值的迭代动态规划（IDP）策略。通过MatLab-AMESim联合仿真对比，证明了此方法以最小的能耗对电池组温度进行快速冷却，且冷却液流速稳定，验证了IDP优化策略的高效性与节能性。
针对现有电池单体有限元模型单元数量多、计算速度慢、在整车碰撞分析难以应用的问题，提出一种采用梁单元，反映电池单体壳体的压溃和弯曲特性的有限元模型。通过对比电池单体的轴向压溃、径向挤压和压痕试验结果，验证了建立的电池单体简化模型的有效性。应用该简化模型进行了6×4电池组撞击刚性墙和刚性墙撞击电池组两种工况的仿真，并根据电池单体短路失效临界应变，确定电池发生短路失效的临界撞击速度和撞击质量。结果表明，在电池组撞击刚性墙工况中，撞击速度为245 km/h时，靠近刚性墙第2和第3层电池单体最先失效；而在刚性墙撞击电池组工况中，撞击质量为16.06 kg时，最先失效的电池单体位于靠近刚性墙的第2层。因此，应依据不同的工况来确定电池组内首先失效单体的位置。
铝水解制氢技术具有储氢密度高、安全、产物环境友好等优势，成为最具竞争力的制氢技术之一，能满足特种场景下燃料电池的供氢需求。本文中通过高能球磨工艺制备了铝基复合材料85%Al-9%LiAlH4-3%Bi-3%NaCl，研究其在不同场景下的制氢性能和特种环境下的安全性，并通过设计、制造铝水反应制氢装置实现了氢气流量的稳定供应。结果表明，在50 ℃温度下，铝基复合材料最大产氢量可达1 435 mL/g，火烧实验中能保持良好的阻燃效果，所设计的铝水反应制氢装置可实现氢气0.8 L/min流量的稳定供应，可满足低功率燃料电池的使用要求。
本文中聚焦机械滥用下的动力电池安全研究，总结和分析了锂离子电池在压痕、针刺和压缩等机械滥用条件下的失效机理，并详细阐述了目前针对电池机械滥用仿真的多种分析模型。最后对未来关于锂离子电池机械滥用失效机理、仿真模型和安全设计方面的研究做出展望。
为提高动力电池液冷系统和加热系统的冷却和加热效果与安全性，本文中基于理论分析和数值模拟的方法设计了一种新型冷热集成系统。其中，液冷板采用独立式盘绕铝管嵌入铝材基板结构，并设计了流量分区以适应电池模组差异化的冷却需求，而低温条件下电池模组的快速加热，则通过集成PTC热敏电阻模块来实现。实验结果表明，在环境温度为40 ℃条件下进行快速充电和大功率放电循环时，电池包4个分区的最高温度均低于45 ℃，且各分区温差在1 ℃左右；在环境温度为-20 ℃时，内部加热方案可快速将电池包温度由-20 ℃上升至可大电流充电的温度，且其能耗比外部循环加热方式降低41.4%。
针对锂离子电池组在不同充电倍率下最高温度和单体温度均匀性的要求，在构建动力电池热模型的基础上，以抑制电池组内最高温度和最大温差为目标，仿真分析了液冷板布置位置、流道设计和冷板出入口位置等因素对电池组温度的影响规律。仿真结果表明，本文所设计的冷却系统，在电池组以2C倍率充电时，最高温度可控制在35.5 ℃，温差不超过5 ℃。
现有的锂离子电池电化学机理模型，在快充控制过程中未考虑产热与化学反应之间的耦合关系，导致模型无法准确地描述电池内部的反应和状态。为进一步提高模型的预测能力，须在等温模型的基础上耦合产热模型，为此本文提出一种基于电化学热耦合的快充控制模型。首先将电化学热耦合模型参数进行分类，分析各种参数获取方式并进行精确测量和参数辨识。模型建立后，对模型精度进行验证的结果表明：在不同温度下，模型输出的端电压、负极电位和温度结果都达到了较高精度，说明模型适用于宽温度区间内的快充仿真。同时对模型中反应速率常数和环境温度参数进行了敏感性分析。之后，结合PID控制器对模型进行快充控制仿真，通过负极电位估计值实时调节并优化充电电流，实现了电池在宽温度区间内的无析锂快充电流仿真。最后，模型仿真结果与恒流充电对比验证表明，所提出的快充策略能使电池快速充电，同时避免析锂副反应的发生。
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