印度理工学院孟买分校开发新优化方法 帮助确定燃料电池电动汽车的最佳组件尺寸

盖世汽车讯 据外媒报道，印度理工学院孟买分校（Indian Institute of Technology Bombay，IIT Bombay）的研究人员开发出新颖的优化方法，可以为燃料电池电动汽车（FCEV）的组件推荐理想的重量和尺寸分布，从而提高其效率并有助于加快商业化进程。

（图片来源：印度理工学院孟买分校）

FCEV使用燃料电池为车辆提供动力，其中首选氢燃料电池，它们将储存的氢和大气中的氧结合起来以产生能量。FCEV通常被称为零排放车辆，因为发动机唯一的副产品是水蒸气。与纯电动汽车（BEV）不同的是，FCEV不需要充电，而是重新填充氢气，就像为内燃机车辆加入燃料一样。

然而，FCEV也存在缺点，比如燃料电池产生的多余热量。由于能量转换能力较差，燃料电池产生的热量与输出功率一样多。热量过多累积会影响车辆的性能，甚至可能危及车辆及储氢罐。这就需要使用大型散热器来冷却燃料电池，从而增加了车辆的重量和尺寸。

印度理工学院孟买分校的研究人员提出新的热管理系统，该系统由一个紧凑型散热器和一个热能存储（TES）单元组成，旨在解决“散热器过大”的问题。该团队还开发了一种通用方法，用于推荐散热器和TES单元的理想尺寸，以实现最佳性能。

研究人员Nadiya Philip教授表示：“使用TES具有两个主要优势，一是它可以储存由燃料电池堆产生的部分热能，从而减少散热器尺寸；二是它可以使返回燃料电池的冷却剂（用于冷却燃料电池）保持恒定温度。此外，储存在TES系统中的热能可投入不同的应用，如冷启动、座舱加热，或预热燃料电池中使用的反应气体（氢和氧）。”

该团队的早期研究发现，通过使用石蜡作为相变材料（PCM），类似于冰袋中使用的材料，轿车等轻型车辆的最小散热器面积可以大大减少。目前为止，FCEV制造商还未考虑使用TES装置来减小其冷却系统的尺寸。

大多数FCEV使用电能储存（EES）系统，其中包括电池或超级电容器，以存储燃料电池产生的部分能量，用来补充仅由燃料电池产生的能量。Nadiya表示：“在燃料电池汽车中加入EES系统，有助于通过满足动态负载需求来减小燃料电池系统的尺寸。当车辆加速时，大部分电力来自燃料电池，而EES可以提供峰值功率，这有助于节省仅从燃料电池中获取的电力，支持使用尺寸较小的燃料电池系统。

这项新研究首次考虑结合使用EES和TES来计算每个组件的理想尺寸，包括散热器、燃料电池、EES和TES系统。该团队利用名为夹点分析（pinch analysis）的数学技术来确定这些组件的理想尺寸。Nadiya表示：“夹点分析是一种代数优化技术，旨在以最少的资源来满足需求。目前的研究中使用了两种夹点分析优化方法，一种是确定电源（燃料电池和电池）的尺寸，另一种是确定热管理系统组件（散热器和PCM）的尺寸。”这项研究整合这些组件，像拼图一样将它们组合在一起，从而创造出最佳的储能和冷却系统。

通常情况下，大型燃料电池占据大部分的电源总质量。从体积来看，在考虑的组件中，散热器占用的空间最大，而电池占用的空间最少。就成本而言，燃料电池要比普通电池贵得多。这项组件尺寸研究的结果对于优化车辆的重量、体积、成本和续航里程也有意义。Nadiya表示：“如果以降低成本为首要目标，那么应该选择燃料电池尺寸最小的尺寸组合。如果成本不是主要问题，那么采用更大尺寸的燃料电池，以提高燃料电池的性能并减小散热器的尺寸，总是具有一定的优势。”

研究人员估计，通过简单地优化零部件尺寸，这种方法可以将重型车辆（如卡车）的散热器尺寸较平常缩小近2.5倍。这种方法有潜力根据制造商的偏好，指导如何在燃料电池汽车中优化整合不同的能源和热系统。无论他们是想要的是一辆续航里程和功率最小的低成本汽车，还是一辆续航里程和功率更高的高成本汽车，这种方法都可以帮助他们选择最佳解决方案。这项研究有助于设计更高效、更经济的冷却系统。

Nadiya表示：“下一步将是展开实验室规模的实验，以探讨这种热管理系统的有效性。同时，该方法将不同驾驶周期（不同驾驶条件）下进行持续时间更长的测试，以适应不同的操作条件。在此之后，研究人员的目标是在车辆上进行实时测试，”