燃料电池和NEC锂电池驱动的轻型电动汽车模拟

由于环境和经济问题，交通电气化日益普及。为此，设计并推出了适合多种用途的车辆。虽然电池电动汽车是首选解决方案，但其有限的储能能力和较长的充电时间带来了重大劣势。为了克服这些缺点，燃料电池作为主要能源、电池作为次要能源的技术也在开发中。本研究设计了由燃料电池和电池组成的混合动力源，并在Matlab/Simulink中模拟了无刷直流电机的控制，该电机假定驱动轻型电动车。模拟车辆的油耗为1.03 gH₂/公里或0.39升/100公里的汽油当效燃料消耗。电机被成功控制以遵循参考转速和扭矩，电机效率为76.2%，包括电机驱动器。模拟车辆的整体效率计算为41.4%。

图形摘要

本研究设计了由燃料电池和电池组成的混合动力源，并在Matlab/Simulink中模拟了无刷直流电机的控制，该电机假定驱动轻型电动车。模拟车辆的油耗为1.03 gH₂/公里或0.39升/100公里的汽油当效燃料消耗。电机被成功控制以遵循参考转速和扭矩，电机效率为76.2%，包括电机驱动器。模拟车辆的整体效率计算为41.4%。

随着环境挑战的加剧，交通行业已成为清洁能源解决方案创新的焦点。在这方面，电动汽车尤为突出[[1]， [2]， [3]。作为可持续燃料，氢气在交通脱碳中扮演了重要角色[4,5]。燃料电池（FC）对节能贡献显著，提升能源系统性能，减轻环境影响并减少全球排放 [[6]， [7]， [8]， [9]， [10]， [11]]。将FC整合进混合能源系统变得越来越重要，尤其是在日益增长的轻型电动汽车（LEV）市场[12,13]。LEV专为短距离城市出行设计，现正转向结合FC和电池供电的混合系统，以优化性能、提高能源效率并延长运行续航。燃料电池电动汽车（FCEV）利用氢FC通过氢气与氧气的化学反应发电，过程中仅排放水[14,15]。这一特性使其成为传统化石燃料车辆甚至电池电动汽车（BEV）的极具吸引力的替代品。虽然纯电动车存在电池容量有限和充电时间长等缺点，但FC系统则具备快速加油和更长续航的优势。近年来，电动汽车充电站和FCEV加注站以不同配置广泛普及，支持可再生能源和储能[[16]，[17]，[18]]。将FC与电池集成，可以提升车辆性能并实现更高效的能源管理[19,20]。FC提供持续且可靠的高能量密度电源，而电池则满足加速等高功率需求，并在再生制动时提供能量回收[21]。
近年来，开发采用简化控制算法的FC电池供电系统，尤其是LEV的兴趣日益增加。这些配置通过消除对复杂电力电子的需求，降低了系统成本和复杂性。相反，电池组充当缓冲器，吸收突发的电力需求，使燃料电池在更稳定的条件下以最佳效率运行。此类系统特别适合城市出行解决方案，因为它们结合了快速加油和长续航的优势[22,23]。无刷直流（BLDC）电机是高效电机，广泛应用于如LEV等应用。BLDC电机寿命更长，维护需求更低，提供高功率密度和更优的速度-扭矩特性。提升BLDC电机效率的最重要因素之一是电机控制方法。当合适的控制管理与混合动力控制电池系统结合时，既提高了能源效率，也带来更稳定的驾驶体验[24]。近期研究包括使用至少两种FC、电池和超级电容器（SC）作为电源的混合动力系统（见表1）。
Alpaslan等人模拟了一辆小型车辆在不同周期内由不同燃料电池、电池和超级电容器组合的电源驱动的性能[34]。包含燃料电池（Case-3）和燃料电池超级电容器（Case-4）的动力总成在欧洲经济委员会15号（ECE-15）、日本10–15号（JP 10–15）和全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）驾驶周期中进行了模拟。ECE-15、JP 10–15和WLTP驾驶循环中，Case-3和Case-4的氢气消耗分别为0.979、0.762升;11.09,9.46升;分别是5.96升和5.65升。结果显示，电力系统中存在超级电容器进一步降低了燃料消耗。氢气消耗量因驾驶周期的总距离和速度-时间特性不同而有所不同。在他们的工作中，穆罕默德等人将三轮内燃机车辆（ICEV）改装为全电动三轮车辆[35]。改装前，车辆质量为295公斤。改造过程中，拆除了128公斤内燃机系统，新增143.6公斤电动车零部件，使车辆净质量为311公斤，总质量为381公斤。在研究中，性能分析使用了3.5纳米、额定1500瓦的BLDC电动机和48伏、26安时（1.25千瓦时）电池容量。在这种条件下，飞行器的续航力被计算为17公里，并证明如果用机载太阳能充电，续航力可延长至34公里。Macias等人比较了全主动、半主动和被动混合能源系统配置，以评估在由FC和超级电容器组成的三轮电动车中使用被动架构的可行性[36]。在旅行成本、资本成本和系统重量方面，比较了构建架构中实现的最佳规模。结果显示，被动拓扑相较于全主动拓扑可分别降低14.8%和6.4%的旅行成本。燃油经济性为167.2公里/千瓦时₂（5.98 gH₂/km）用于被动控制。Saxena等人利用详细的车辆动力系统模型估算了不同类型车辆（包括2轮、3轮和4轮）每公里的电力消耗[37]。研究结果显示，城市驾驶条件下，两轮车平均用电量为33 Wh/km，三轮61 Wh/km，低功率四轮84 Wh/km，高功率四轮123 Wh/km。
本研究开发了混合电源和BLDC电机控制，用于FC和电池供电的小型三轮LEV。该研究旨在分析在MATLAB/Simulink环境中，供电给BLDC电机的FC和电池组合的性能。混合电源具备高能量和功率密度、快速响应时间以及稳定的电流/电压特性。FC作为系统的主要能源，电池作为次要能源。总之，本研究提出了一种结合电力与电池优势的混合能源管理系统，提升了LEV的性能、能效和续航里程。本研究通过聚焦一种独特的车辆类型——一种在城市交通中日益流行的小型三轮LEV——为现有文献做出了贡献，并为个人未来出行具有重要潜力。考虑到车辆类型，基于成本效益要求设计简化的动力总成和控制系统。设计车辆在不同的驾驶周期中进行模拟，如WLTP 1级、纽约市周期（NYCC）和JP-10。检测组件的电压、电流和功率特性，以及电池的充电状态（SOC），并展示电池的充电维持（CS）和电耗（CD）条件，并计算两种情况的燃油消耗。