基于锂电池与超级电容混合的消费级无人机动力系统研究外文翻译资料

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在锂电池中具有较低重量的较高能量容量，但是循环寿命是主要缺点。 锂离子聚合物可以适应各种封装形状，可靠性和耐用性，但导电性差，功率密度低。 对于高功率密度的锂电池，磷酸铁锂是其中一种选择，其具有较高的放电电流，而大部分锂电池。 此外，磷酸铁锂是一种优良的耐热和化学稳定性电池，提供比锂离子电池更好的安全性能。 钛酸锂电池具有比目前由Mitsubishi i-MiEV电动车辆使用的其它锂离子电池更快地充电的优点。

另一种类型的电池如锌空气电池是另一种有希望的电池。 该电池具有比锂电池高的特定能量和高能量密度。 然而，主要缺点是其特殊功率低，循环寿命有限，体积庞大[23]。 目前，锂空气电池仍处于研究状态，尚未实现商业化。 由于锂空气电池具有比锌空气电池更高的能量密度，因此它将成为所有EV的目标。

3.1.2。超级电容器（UC）

超级电容器（UC）或超级电容器具有与正常电容器相似的结构，但不同之处在于UC具有高于电容器的高电容（高能量容量，20倍）。超级电容器特性包括免维护运行，更长的运行周期寿命，对环境温度变化不敏感。目前，HEV和AEV中使用的UC技术有三种类型，即双电层电容器（EDLC） - 碳/碳，假电容器和混合电容器。这些UC之间的区别在于其储能机制及其使用的电极材料。对于95％的有效脉冲，这三种类型的UC的特定功率密度几乎相当于1000-2000kW / kg，但EDLC具有比其他类型的UC更大的功率密度。 EDLC的特定能量密度最低（5-7 Wh / kg）。然而，其他两个具有几乎相似的能量密度（10-15 Wh / kg）。 UC终身可以达到40年，这是所有ESS中最长的。

3.1.3。 飞轮储能（FES）

飞轮储能或FES是通过转子/叶轮旋转储存/保持动能的储存装置。 飞轮技术有两种方法，即作为输出的动能（旋转能量）和作为输出能量的电能。 Torotrak的业务经理Chris Brockbank提到，从制动到FES的能量效率是70％，这是从制动到电能转化为能量的能量效率的两倍，然后是[29]中的FES。 如果使用磁性轴承和真空，整体FES机械效率可以提高高达97％，往返效率高达85％。 目前，研究机构（如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），阿什曼科技，AVCON，诺斯罗普·格鲁曼，电力研发，Rocketdyne /洛克威尔三位一体飞轮美国飞轮系统，UT Austin等电力中心等）开发了EV超高速飞轮系统。 通常，该系统可实现10-150瓦特/千克能量和2-10千瓦/公斤功率。 例如，LLNL建立了一个原型，可以在20厘米直径和30厘米高度上实现60,000 rpm，1 kWh和100 kW。 与UC相比，FES具有更高的能量密度和功率密度。 不幸的是，安全问题和陀螺力是它们的缺点，如果FES在运输使用中管理不善[14,30]。 然而，FES仍然可以用于运输，因为一些特性，如长寿命超过15年，与其他储能装置相比，维护少。 FES具有快速的功率响应时间，电动车辆所需的充电时间短。 此外，它在宽温度范围内工作，对环境造成的损害较小[31,32]。

3.1.4。氢能

氢车是使用氢作为车载能量来为车辆供电的车辆。化学能（氢气）将通过在ICE中燃烧氢或通过在FC中与氢反应产生电而将其转化为机械能。氢气每单位重量含有丰富的能源，但每单位体积的能量很少，这是运输的主要缺点。 Ben Lane博士[33]表示，在典型的汽油罐中储存等量的能量，需要在室温和压力下约800倍的氢气体积。表5总结了行驶相同距离和相同类型车辆的车辆中的氢存储系统的比较。存储氢气有三种主要可能的解决方案：压缩（7000倍大气压），低温系统（氢气液化在〜253℃），吸氢材料（在压力或温度下吸收氢气）。可以通过三种方法吸收氢气：首先通过金属（纯和合金）在压力下制成金属氢化物。氢化物会在加热时释放氢气。第二种方法是通过木炭进行氢吸收，其可以通过高压和高温使用小玻璃球（微球），碳纳米管和富勒烯来实现等量的液氢储存密度。第三种方法是当温度降低时，氢被固定在固体基质中，并且可以通过再次加热固体来释放氢。出于安全原因（防止氢气启动），氢气罐具有密封通道，环境通风良好，并使近点火源最小化[33-35]。今天，氢存储技术已经成熟，没有安全障碍阻止氢气用于燃料，与今天的汽油系统一样[36]。然而，氢生产仍然缺乏生产氢的有效方法。目前它是通过电解水和酒精类型。通过纳米光催化分解水的直接生产是最有希望的方法之一[37]。如果通过电解产生氢气，使用可再生资源，FCEV的一次能源消耗是BEV的1.3倍，它消耗超过双倍[38]。

3.2．能源发电单位

车辆中的积分发生器不是一个新的想法，而是延长车辆范围的有希望的方法。 在使用电池作为能量存储而不是燃料箱之后，可以在车辆中建造更多的发电机。 下面将讨论几种类型的能量发生器。

3.2.1。燃料电池（FC）

燃料电池或FC是能量转换装置，其中化学能通过电解过程转化为电能。 FC的副产品是热水和水。因此，FC技术被证明可以减少石油资源的依赖性和有害二氧化碳排放，这在[27,28]中有所描述。有几种类型的FC是直接甲醇燃料电池（DMFC），质子交换膜燃料电池（PEMFC），碱性电解质燃料电池（AFC），磷酸燃料电池（PAFC），熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。图。图7显示了FC技术，摘自美国能源部能源效率和可再生能源（2011年2月）[39]。目前，由于其低温运行，快速充电和更多的能量容量，DMFC用于便携式电子产品，如手机，PDA，平板电脑，笔记本电脑等。与密度为620Wh / L的锂离子电池相比，甲醇的能量密度为4390Wh / L。在燃料电池中，DMFC，PEMFC，AFC和PAFC分为低工作温度FC。这些FC目前用于Citaro燃料电池巴士和本田FCX Clarity（乘用车）等运输工具。 MCFC和SOFC是高工作温度FC，由于其高功率输出通常用于电力公用事业和分布式发电。 FC在运输应用中的主要优点是运行效率高，排放低，沉默能力强，FC系统简单[39,40]。

3.2.2。 光伏电池（PV）

20年前，太阳能或光伏（PV）作为车辆的AES已经存在[41-43]。 在此期间，使用太阳能电池板是不适用和必要的一个想法被用于传统的ICE车辆[44]。 然而，现在太阳能电池板再次引起关注，成为一些汽车制造商的目标，目的是增加乘客的舒适度。诸如2010 Prius，Aptera 2，Audi A8和Mazda 929等车辆都有通风用途的太阳能天窗。 有七种光伏技术见表6 [45-53]。 目前，由于中国制造商，太阳能电池板的价格下降至40％[54]。

目前，市场上领先的制造光伏技术来自晶体硅光伏和薄膜光伏。 结晶硅PV可以分为三种类型：单晶，多晶和带状硅。结晶硅PV的整体效率约为15-20％，在极少的条件下可达到最大30％。 这种PV在制造中非常昂贵，与薄膜光伏相比，相对较差的光吸收器及其晶片厚和体积大。 然而，薄膜光伏整体效率约为6-11％，在极少的条件下可达到最高21％。 这种光伏技术可以具有多种表面选项（玻璃，塑料和钢），成本最低（Wp）。 但是薄膜光伏利用了全球有限数量的稀土元素。 表6所示的其他光伏技术是与结晶光伏相比，全球电力生产规模小的新型光伏技术。

太阳能车辆由于光伏空间的限制而仍然是一个挑战，而且发电量也不高。然而，当一架飞机超过24小时的太阳能飞机并安全着陆[56]时，这使得每个人都重新起飞。许多研究人员开始在车上安装太阳能电池板，并希望在不久的将来，光伏产业将全部产生。它们使车辆的表面最大化以容纳PV面板[57]。参考文献[58]导出控制算法来增加PV产生的功率。结果表明，总体效率提高了60％。文献[59]研究了用于EV屋顶上的PV的转换器，并证明了燃油经济性的改善。一些汽车制造商也开始在汽车屋顶上包括PV，如雪佛兰Volt和Prius。这些制造商在屋顶上整合了PV，功率可达130W。丰田普锐斯采用光伏能源来冷却车内。 2007年至2008年期间，帕尔默·路易斯（Palmer Louis）在534天内建成了自己的6平方米太阳能发电车（太阳能出租车），行驶距离为53,451公里[60]。然而，这些仍然无法与太阳能车辆质量150公斤，ESS容量5千瓦时，功率1.8瓦，光伏面积约12平方米的表面积和比现在的电动汽车更好的效率[61,62]。

3.2.3。 汽车热电发电机（ATEG）

热电发电机或TEG是将热能转化为电能的设备。 目前，它在获得ICE车辆或电动汽车的最佳燃油经济性和总体效率方面非常受欢迎。 由于热能的能量损失，这是最高的，如图1所示。 因此，ATEG是一种可以将ICE燃烧中的废热转化为电力的装置。 [63]的研究人员构建了原型ATEG模块，并且已经证明可以实现40％到70％的效率。ATEG的生命周期大约在10到20年之间，没有维护，并且具有低/瓦特的安装能力。 燃油经济性测试也是根据车辆类型提高燃油经济性1％至4％。

由于导电性高，导热系数低，所以具有高的贝贝效应的材料是半导体。 最常用的材料是Bi2Te3，PbTe和SiGe。 其他材料如n型BiSb，p型TAGS和FeSi2具有良好的热电性能，但较少使用。 这是因为诸如高升华速率，机械强度差和不存在同源n型或p型材料等各种实际难题。 表7显示了TEG材料的特性[64,65]。 符号ZT是热电材料的有效性，其中高ZT意味着特定的TEG可以将更多的热能转化为电能作为ZT。 有一些汽车制造商用日产，通用汽车Chevy Suburban和2006 BMW 530i等车辆测试TEG。

3.2.4。再生制动

当车辆处于惯性和制动模式时，来自移动汽车的动能将发电回到供给侧，称为再生制动。目前，有四种方式可以捕获再生制动产生的能量。首先，生成的电力直接存入ESS。第二，液压马达可以通过压缩空气将能量储存在小罐中。此外，能量还可以作为旋转能量存储在FES中。最后一种方法是通过弹簧将再生制动能量作为重力（势能）存储。表8显示了恢复制动能量的不同方法[66,67]。当车辆开始减速时，再生制动与摩擦制动一起以一定的比例运行。这是因为再生制动系统没有产生足够的能量来物理地停止车辆。它也作为车辆的安全目的。为了改善再生制动操作，有一些约束需要考虑。考虑因素包括发电机的能力或尺寸，电池的负载和UC，电路设计和驱动周期[68]。

今天通过再生制动产生的能量仅适用于具有高ESS能力的车辆，包括HEV和AEV。这是因为发电机产生非常高的功率，在制动期间可能在15-60 kW的范围内。例如，尽管马自达的iELOOP是用于传统的ICE车，但它具有再生制动系统。这种车型可以将电能存储在电容器中，并对电池充电，以减少交流发电机的使用，从而将燃油经济性提高到10％[69]。研究表明，传统的ICE车辆只使用不到20％的总燃料能量推动[70,71]。近一半的再生能量可以回收，直接增加驾驶范围约10％〜25％;例如，在GM Impact 4中高达25％[72,73]。大多数传统的ICE车辆使用压缩气体储能和FES。压缩气体能量储存将动能转化为气体中的弹性能。然后当车辆重新加速时，气体通过泵出来。 FES或动能回收系统（KERS）目前仅由一级方程[74]使用。压缩气体储存和FES都是有前途的方法来处理再生制动，由于功率密度大，物理尺寸小等优点[67]。

3.3。 EV中的节能选项

电动车辆的能源消耗是另一个重要方面，因为它会影响车辆的整体效率和性能。如图3所示。传统的ICE车辆只消耗大约15％的总能量。通常，常规ICE车辆中的大部分电气配件负载与EV相当。这是因为大多数汽车制造商仍然专注于最大化车辆行驶距离以及EV中使用的ESS。车辆中的电气配件负载包括电动助力转向，电动制动器，空调系统，头灯，无线电系统，导航系统，辅助电池等。过去，这些电气负载仅由14 V工作电压供电[76] 。然而，新技术已经引起了比传统负载消耗更高功率的更先进的电气负载（如高效率可调速度空调机，电力电子控制转向，电子制动力分配（EBD或EBFD）等）的发明。为了满足需求的增加，EV中的配电系统运行在42V。新技术负载的优点包括效率高，性能低廉，运行成本和程序更便宜，由于集成度降低了总装机功率将机械和液压动力转化为电力系统，降低总体设计复杂性[77]。此外，可以使用高效率的电气负载来降低功耗，从而延长电池的每周期放电。例如，高强度发光装置（LED）是现代车辆中使用的一种高能效产品。总而言之，所有EV配件消耗的总功耗约为1320 W [78]，而这些配件的总能耗约为200-600 Wh [26]。

3.4。 储能充电技术

除电池容量外，充电还是电动汽车的另一个挑战，尤其是PHEV和BEV。 充电时间仍然是ESS的大容量需要很长时间才能完全充电的问题。 此外，充电设施（充电站）尚未得到普遍可用和可访问。 然而，电力电子技术的进步已经改善了电池充电技术。 有两种类型的充电器，即电感耦合和导电耦合。 前一种类型是没有接触介质的充电器，但功率是磁性传递的。 它具有连接鲁棒性，比导电耦合更安全，电源兼容性和驱动器耐用性的优势[79]。虽然感应耦合为司机带来了便利，但是这种方法尚未达到高效率的水平。该技术需要仔细考虑，包括使用的频率范围，磁化电感，漏电感和显着的离散并联电容[80,81]。对于后一种充电方法，导电充电是常规的充电方法，其通过接触金属将电力传递到充电器和车辆之间的金属。在导电充电器的设计中，必须关注安全问题及其电路接口配置。目前，导电充电方法使用最广泛，具有两种充电方式，即板载和非板载方式。对于车载方法，车辆内部进行充电活动，车辆有自己的内置充电器。适用于住宅区夜间充电和工作场所白天充电。这与使用外部充电器对车辆的ESS充电的外用方法不同。这类似于ICE车辆的加油站。表9总结了现有EV充电站的分类和技术[82,83]。充电基础设施可分为三个层次[79]。第

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