新能源汽车技术-动力电池&燃料电池2024年
车用石墨板燃料电池低温冷启动能力弱，是影响燃料电池技术在北方寒冷地区大规模推广的重要瓶颈。饥饿自升温是一种常见的低温冷启动策略，其基本原理是通过降低反应物供应速率来增加过电势，短时间在电池内部产生大量热量从而实现快速升温。该方法原理简单，但对电堆单体初始含水量一致性要求高、且易出现单片反极和尾排氢浓度超标的情况，影响系统安全性和电堆耐久性。针对上述问题，课题组研制了单体多通道交流阻抗在线测试装置，提出了面向单片阻抗一致性的电堆优化吹扫策略，建立了基于定电压变流量泵氢控制的低温冷启动方法，实现了低温启动瞬态过程的高产热、高安全、高动态的电压、电流、进堆/旁通空气流量的多目标多参数的耦合协调控制。台架实验结果表明，采用优化吹扫策略后，单片阻抗间最大差值由0.7降低至0.2 mΩ以下；燃料电池发动机系统可实现124 s内-40 ℃下快速启动，且重复性好。相关技术在北京冬奥会燃料电池示范中获得了应用，验证了其有效性。
为优化质子交换膜燃料电池（PEMFC）冷启动过程，提供足量的反馈数据十分必要，常见的阻抗谱和等效电路因其获取周期较长，无法提供足量且实时的反馈。为此，本文在COMSOL中建立冷启动阻抗模型，结合试验分析其阻抗谱变化，分别在高、中、低频区间提出特征频率1 kHz、50 Hz和1 Hz用于表征燃料电池冷启动过程。研究发现，上述特征频率在冷启动的前、中、后3个阶段变化显著，在特征频率1 kHz、50 Hz和1 Hz下阻抗的变化倍率分别为0.38、0.31和1.47。相较于获取完整的阻抗谱和拟合等效电路，在保留了特征信息的情况下提高了采集数据的实时性。因此，可利用特征频率点的阻抗表征冷启动过程，为实时监测冷启动内部状态提供条件。
热驱动弹热制冷是利用形状记忆合金被加热变形来驱动弹热材料相变从而产生制冷效应的新型固态制冷技术。本文设计了一种将弹热制冷装置与燃料电池相结合的组合系统，利用燃料电池产生的废热来驱动弹热制冷装置，以提高能量利用效率，并产生制冷效果。基于燃料电池和弹热制冷的工作原理，采用Simulink建立了全系统动态耦合仿真模型，研究了组合系统的动态工作特性，并分析了运行参数对系统性能的影响规律。结果表明：增加弹热制冷装置能提高整个系统的能量利用效率，电堆工作温度为80 ℃时该系统可产生1.76 kW的制冷功率，调整电堆工作压强至2.5 atm可最大化系统的综合输出功率和运行效率，电堆电流密度对组合系统的输出功率和运行效率呈现相反的影响趋势。
针对车用燃料电池系统的“氧饥饿”和压力波动影响其动态性能与使用寿命的问题，本文提出了一种基于过氧比补偿的空气系统流量与压力协同控制策略。首先，建立120 kW级的车用燃料电池空气系统模型，通过台架实验确定其参数，并根据实验数据拟合出其传递函数模型。其次，基于扩张状态观测器间接获取电堆阴极压力，采用前馈+PI建立串级控制中外环过氧比控制模型，用以修正目标流量。最后，采用反向解耦与自抗扰控制器对空气流量和压力解耦内环控制，对模型不确定性和外部扰动构成的总扰动进行估计和补偿。仿真与实验研究表明，提出的基于过氧比补偿的串级控制策略能够快速跟踪过氧比、提升电堆功率和精确地控制压力，同时证实了该方案的协同性和鲁棒性。这有助于提升车用燃料电池系统的动态性能，延长其使用寿命。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是最具潜力的新能源汽车动力装置之一，其性能受到气体扩散层（GDL）表面液滴的形成及动态传输特性的影响。本文以格子Boltzmann方法（LBM）的伪势模型为基础，对液滴从GDL表面浮现、生长和脱落等动态过程进行了仿真模拟，详细分析了微孔间距和孔径对气体扩散层表面液滴动态特性以及流道内压降的影响。研究结果表明在双进水孔的情况下，两个微孔小于某一个微孔间距时，两个液滴会发生融合，融合后的液滴会增大气流通道内的压降，缩短液滴排出的时间，当两个微孔孔距足够大时，两个液滴之间几乎没有相互影响，液滴排除时间相等，且流道内压降随着微孔间距的增加而降低。不同孔径的液滴在GDL表面的运动主要受气体作用剪切力的影响，与下游孔径大于上游孔径液滴的运动周期相比，上游孔径比下游孔径大时，液滴的运动周期更短。
在研究开发车用燃料电池引射器时，湿氢流量监测困难、台架技术难度大、试验成本高，并且存在安全隐患和能源浪费问题。为此，在推导空气与氢气、空气与100%RH的氢在相同工作条件下的流量变化关系式的基础上，针对110 kW燃料电池，试制引射器进行空气和氢气测试，并结合数值仿真分析。结果发现：车用燃料电池引射器引射流体中水蒸气质量分数达到40%~50%；在相同工作条件下，空气与氢气的体积和质量流量分别等于其气体常数比值的平方根和比值倒数的平方根，其中空气与氢气的体积和质量流量之比分别为3.786和0.264 1。工作、引射和混合流体质量流量的空气实测与仿真数据之间的平均相对误差分别为4.48%、4.54%和2.78%；空气实测数据经折算后与氢气测试数据相吻合，与湿氢的仿真数据平均偏差率分别为5.4%和6.11%；氢气测试数据经折算也与湿氢仿真数据相吻合。因此，空气测试数据经处理可以用于车用燃料电池引射器特性研究。
质子交换膜燃料电池电堆的运行参数对电堆输出性能和空压机、循环水泵和散热风扇等辅助设备的寄生功率都会产生影响，可通过对电堆运行参数进行优化来实现系统最大净功率输出目标。实际系统受到空压机性能和背压阀调节能力的限制，阴极运行参数的调节范围存在界限，本文基于MATLAB/Simulink软件建立62 kW燃料电池系统模型，通过仿真分析确定了各负载电流下的参数可优化范围，采用遗传算法对电堆温度、阴极压力和过氧比进行了优化。结果表明：在各负载电流下，提升电堆温度都有利于增加系统净功率，最优运行温度均为80 ℃。而过氧比和阴极压力在不同的负载电流下的优化方向是不同的；在低负载电流（50、100 A）下增加过氧比和阴极压力时，电堆输出功率的增长小于寄生功率，提供较低的过氧比和阴极压力有利于提升系统净功率；高负载电流（300 A）下，低过氧比和阴极压力会限制电堆输出功率，最低净功率仅为35.530 kW；合理增加过氧比和阴极压力后，获得的最优净功率为53.271 kW，通过运行参数优化可实现49.9%的净功率提升。
近年来，随着燃料电池功率的不断提升，氢气供给系统朝向带有氢循环的盲端阳极拓扑构型发展。然而，针对氢气供给和循环的测试系统研究明显滞后，尤其在氢气循环泵和引射器等核心部件的性能测试方面。本文研发了多功能燃料电池氢气供应系统测试平台，实现了对不同构型氢气循环方案的氢气供应系统的零部件测试和特性数据采集、离线标定等功能。平台通过模拟真实电堆的压降、氢气消耗及产水产热，消除了测试对真实电堆性能和寿命产生损耗而造成的额外成本。最后，基于该平台对150 kW燃料电池的氢气供应系统进行了阳极压力控制和阳极吹扫控制测试，验证了所开发测试平台能够针对不同负载满足相应测试需求。
双极板是氢燃料电池的重要部件之一，钛作为金属双极板基材有诸多优势，但钛的成形性能差、回弹较为严重，本文以0.1 mm TA2纯钛薄板微流道液压成形为研究对象，通过试验和有限元模拟相结合的方法研究纯钛微结构变形行为，分析工艺参数对微流道成形质量的影响规律，为液压成形钛双极板提供参考。建立了TA2纯钛薄板微流道液压成形的有限元模型，通过与试验件的轮廓及厚度分布验证有限元模型的准确性；研究了液体压力、加载速率和脉动加载对微流道成形的影响。结果表明，微流道液压成形过程中材料应变路径为平面应变，且上圆角位置最容易破裂；加载速率对微流道成形影响不大，随着加载速率的提高，成形深度略有下降，但是变化不大，仅有3%；脉动加载路径能够提高材料的流动变形能力，在均为临界破裂情况下，相比较线性加载路径成形深度有较高的提高，可达232.2 μm，提高幅度为23%。
为解决车用质子交换膜燃料电池 （PEMFC） 堆出入口温度在变负载电流下波动大的问题，提出了一种动态变化粒子群优化 （PSO） —比例积分微分 （PID） 算法。首先搭建了额定功率 150 kW 的 PEMFC 发动机系统整体仿真模型，基于已有文献，进行了模型中输出功率和电压的准确性验证；随后基于验证结果，使得反应气体供给跟随负载电流需求变化，反映 PEMFC 发动机系统实际工作情况。根据搭建的模型，基于冷却水泵冷却水质量流量跟随输出功率控制策略，对散热风扇冷却空气质量流量使用 PID、PSO-PID 和本文提出的动态变化 PSO-PID 算法，研究三者在变负载电流下对电池堆出入口温度和输出功率的控制效果。结果表明：与 PID 相比，在 PSO-PID 和动态变化 PSO-PID 下，电池堆入口温度瞬态超调量下降幅度均为13.7%，出口温度瞬态超调量下降幅度均为 36.0%，输出功率均更快达到稳定状态；动态变化 PSO-PID 达到最优值的时间仅为 PSO-PID 的 57.1%，可以减小更多的非必要计算量，提前于 PSO-PID 将得到的 PID 参数输入到电池堆温度控制器中。此动态变化粒子群优化算法能更有效、更快地用于电池堆出入口温度控制，有助于提升车用 PEMFC 的温度和输出功率的稳定性。
商用车碳减排已经成为我国道路交通减碳的关键瓶颈，新能源商用车被视作重型商用车减碳的重要途径，但是新能源商用车的市场渗透率远低于其他车辆部门；但与此同时，现阶段新能源零碳商用车的发展还存在着应用场景复杂、技术路径多样化、同时成本较高的显著的瓶颈。本研究构建了基于新能源汽车总拥有成本（total cost of ownership， TCO）、使用便利性等因素的多元Logit离散选择模型——零碳商用车市场演进模型（discrete choice-based market evolution of green truck model， DC-MEGT），使用自下向上的方法计算TCO，并将车辆使用便利性使用补能时间成本进行货币化量化，构建综合效用函数对纯电动车、燃料电池汽车及零碳燃料等不同动力类型从目前到2060年的市场渗透率演进情况进行预测分析。研究以重型长途牵引场景为例进行分析，结果表明2060年主要的技术路径包括燃料电池汽车、纯电动车、天然气及柴油车，占比分别为48%、28%、12%和10%。政策推广、技术进步、商业模式等因素的不确定性会引发纯电动车和燃料电池汽车2060年市场份额17%~19%的波动。
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