Топології гібридизації паливних елементів із використанням різних технологій зберігання енергії Огляд
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Ця оглядова стаття зосереджена на класифікації та аналізі топологій гібридизації паливних елементів (FC) з використанням різних технологій зберігання енергії, включаючи літій-іонні батареї (LIB), суперконденсатори (SC) і літій-іонні конденсатори (LIC). Мета полягає в тому, щоб зрозуміти переваги та недоліки кожної технології та запропонувати перспективи розвитку гібридних технологій FC з використанням LIC.
Пасивна схема з'єднання є найдешевшим варіантом серед схем гібридизації, з найпростішою реалізацією. Він не потребує керування енергією та дозволяє підключати різні компоненти імпедансу. Однак йому бракує контролю над такими параметрами, як струм і напруга, які обмежені лише внутрішнім опором.
Напівактивна та активна топології пропонують більше контролю над розподілом потужності та узгодженням напруги. Напівактивна топологія дозволяє контролювати потік струму від конденсатора або батареї, тоді як активна топологія забезпечує найвищу ефективність серед схем гібридизації. Однак ці схеми є більш складними та дорогими через використання DC-DC перетворювачів.
LIB мають найвищу щільність енергії, але страждають від низької щільності потужності. СК мають високу щільність потужності, але обмежену здатність зберігати енергію. LIC пропонують компромісне рішення з меншим розміром, вищою щільністю потужності, ніж LIB, і кращими характеристиками, ніж SC. LIC потребують моніторингу напруги, а SC — ні. Вибір технології залежить від конкретних вимог застосування.
Порівнюючи ціни на LIB, LIC і SC, можна побачити, що LIB мають найвищі ціни, але також найвищу щільність енергії. LIC і SC мають нижчі ціни, але забезпечують меншу потужність. Можна використовувати менші LIC або SC, щоб досягти того самого значення ємності, що й LIB, за меншу вартість. При виборі технології зберігання енергії слід враховувати фактор вартості.
Висновок: Пасивна схема підключення з LIC є найкращим варіантом для випадків, де контроль напруги не потрібен. LIC пропонують компроміс між щільністю енергії та щільністю потужності. LIBs підходять для застосувань, де щільність енергії є найважливішою характеристикою, тоді як SCs перевершують щільність потужності. Вибір технології залежить від конкретних вимог застосування. Необхідні подальші дослідження, щоб вивчити гібридизацію LIC і розробити конкретні схеми гібридизації для LIC.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
Z. Abdin, A. Zafaranloo, A. Rafiee, W. Mérida, W. Lipiński, and K. R. Khalilpour, “Hydrogen as an energy vector”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 120, p. 109620, Mar. 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109620
F. Dawood, M. Anda, and G. Shafiullah, “Hydrogen production for energy: An overview”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 7, pp. 3847–3869, Feb. 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.12.059
M. Chen, S.-F. Chou, F. Blaabjerg, and P. Davari, “Overview of Power Electronic Converter Topologies Enabling Large-Scale Hydrogen Production via Water Electrolysis”, Applied Sciences, vol. 12, no. 4, p. 1906, Feb. 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/app12041906
A. Marcu and G. Zachmann, “A new long-term climate strategy for the EU”, European Energy & Climate Journal, vol. 8, no. 2, pp. 6–9, Dec. 2018. DOI: https://doi.org/10.4337/eecj.2018.02.01
“The Future of Hydrogen.” Available: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
“Delivering the European Green Deal”. Available: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/delivering-european-green-deal_en
L. B. Braga, J. L. Silveira, M. Evaristo da Silva, E. B. Machin, D. T. Pedroso, and C. E. Tuna, “Comparative analysis between a PEM fuel cell and an internal combustion engine driving an electricity generator: Technical, economical and ecological aspects”, Applied Thermal Engineering, vol. 63, no. 1, pp. 354–361, Feb. 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.10.053
Y. Wang, Z. Sun, and Z. Chen, “Rule-based energy management strategy of a lithium-ion battery, supercapacitor and PEM fuel cell system”, Energy Procedia, vol. 158, pp. 2555–2560, Feb. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.003
H. Fathabadi, “Combining a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack with a Li-ion battery to supply the power needs of a hybrid electric vehicle”, Renewable Energy, vol. 130, pp. 714–724, Jan. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.06.104
A. S. Veerendra, M. R. Mohamed, P. K. Leung, and A. A. Shah, “Hybrid power management for fuel cell/supercapacitor series hybrid electric vehicle”, International Journal of Green Energy, vol. 18, no. 2, pp. 128–143, Nov. 2020. DOI: https://doi.org/10.1080/15435075.2020.1831511
H. Jiang, L. Xu, J. Li, Z. Hu, and M. Ouyang, “Energy management and component sizing for a fuel cell/battery/supercapacitor hybrid powertrain based on two-dimensional optimization algorithms”, Energy, vol. 177, pp. 386–396, Jun. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.04.110
Y. Wang, Z. Sun, and Z. Chen, “Energy management strategy for battery/supercapacitor/fuel cell hybrid source vehicles based on finite state machine”, Applied Energy, vol. 254, p. 113707, Nov. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113707
X. Hu, L. Johannesson, N. Murgovski, and B. Egardt, “Longevity-conscious dimensioning and power management of the hybrid energy storage system in a fuel cell hybrid electric bus”, Applied Energy, vol. 137, pp. 913–924, Jan. 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.05.013
N. Mebarki, T. Rekioua, Z. Mokrani, D. Rekioua, and S. Bacha, “PEM fuel cell/ battery storage system supplying electric vehicle”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 45, pp. 20993–21005, Dec. 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.05.208
H. Marzougui, M. Amari, A. Kadri, F. Bacha, and J. Ghouili, “Energy management of fuel cell/battery/ultracapacitor in electrical hybrid vehicle”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, no. 13, pp. 8857–8869, Mar. 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.09.190
Z. Mokrani, D. Rekioua, and T. Rekioua, “Modeling, control and power management of hybrid photovoltaic fuel cells with battery bank supplying electric vehicle”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 39, no. 27, pp. 15178–15187, Sep. 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.03.215
Y.-X. Wang, K. Ou, and Y.-B. Kim, “Modeling and experimental validation of hybrid proton exchange membrane fuel cell/battery system for power management control”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 40, no. 35, pp. 11713–11721, Sep. 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.03.073
H. S. Das, C. W. Tan, and A. Yatim, “Fuel cell hybrid electric vehicles: A review on power conditioning units and topologies”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 76, pp. 268–291, Sep. 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.056
Q. Xun, Y. Liu, and E. Holmberg, “A Comparative Study of Fuel Cell Electric Vehicles Hybridization with Battery or Supercapacitor”, in 2018 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Amalfi, 2018, pp. 389–394. DOI: https://doi.org/10.1109/SPEEDAM.2018.8445386
P. Di Trolio, P. Di Giorgio, M. Genovese, E. Frasci, and M. Minutillo, “A hybrid power-unit based on a passive fuel cell/battery system for lightweight vehicles”, Applied Energy, vol. 279, p. 115734, Dec. 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115734
A. Kuperman and I. Aharon, “Battery–ultracapacitor hybrids for pulsed current loads: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 2, pp. 981–992, Feb. 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.11.010
K. A. Kanhav and M. A. Chaudhari, “A bidirectional multiport dc-dc converter topology for hybrid energy system”, in 2017 International Conference on Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing (ICECDS), Chennai, 2017, pp. 3427–3432. DOI: https://doi.org/10.1109/ICECDS.2017.8390097
F. Akar, “A fuel-cell/battery hybrid DC backup power system via a new high step-up three port converter”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no. 73, pp. 36398–36414, Oct. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.08.130
A. Affam, Y. M. Buswig, A.-K. B. H. Othman, N. B. Julai, and O. Qays, “A review of multiple input DC-DC converter topologies linked with hybrid electric vehicles and renewable energy systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 135, p. 110186, Jan. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110186
C. Song, Z. Yingchao, L. Jiaxin, Z. Tianwen, L. Long, and Q. Xisen, “A ZVS bidirectional buck converter applied to hybrid energy storage system,” presented at the 2014 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Beijing, China, Aug. 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2014.6940828
I. Aharon, A. Kuperman, and D. Shmilovitz, “Analysis of bi-directional buck-boost converter for energy storage applications”, in IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Vienna, Austria, 2013, pp. 858–863. DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2013.6699246
Z. Fu, Z. Li, P. Si, and F. Tao, “A hierarchical energy management strategy for fuel cell/battery/supercapacitor hybrid electric vehicles”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no. 39, pp. 22146–22159, Aug. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.06.158
H. Li, A. Ravey, A. N’Diaye, and A. Djerdir, “A Review of Energy Management Strategy for Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle”, in 2017 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Belfort, France, 2017, pp. 1–6. DOI: https://doi.org/10.1109/VPPC.2017.8330970
N. Sulaiman, M. Hannan, A. Mohamed, E. Majlan, and W. Wan Daud, “A review on energy management system for fuel cell hybrid electric vehicle: Issues and challenges”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 52, pp. 802–814, Dec. 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.132
Q. Li, R. Li, Y. Pu, S. Li, C. Sun, and W. Chen, “Coordinated control of electric-hydrogen hybrid energy storage for multi-microgrid with fuel cell/ electrolyzer/ PV/ battery”, Journal of Energy Storage, vol. 42, p. 103110, Oct. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103110
A. Macias, N. El Ghossein, J. Trovão, A. Sari, P. Venet, and L. Boulon, “Passive fuel cell/lithium-ion capacitor hybridization for vehicular applications”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no. 56, pp. 28748–28759, Aug. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.126.
A. Jagadale, X. Zhou, R. Xiong, D. P. Dubal, J. Xu, and S. Yang, “Lithium ion capacitors (LICs): Development of the materials”, Energy Storage Materials, vol. 19, pp. 314–329, May 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.02.031
M. Soltani and S. H. Beheshti, “A comprehensive review of lithium ion capacitor: development, modelling, thermal management and applications”, Journal of Energy Storage, vol. 34, p. 102019, Feb. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2020.102019
X. Tang, X. Hu, W. Yang, and H. Yu, “Novel Torsional Vibration Modeling and Assessment of a Power-Split Hybrid Electric Vehicle Equipped With a Dual-Mass Flywheel”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, no. 3, pp. 1990–2000, Mar. 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2769084
B. Wu, “Design and testing of a 9.5 kWe proton exchange membrane fuel cell–supercapacitor passive hybrid system”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 39, no. 15, pp. 7885–7896, May 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.03.083
Y.-S. Chen, S.-M. Lin, and B.-S. Hong, “Experimental Study on a Passive Fuel Cell/Battery Hybrid Power System”, Energies, vol. 6, no. 12, pp. 6413–6422, Dec. 2013. DOI: https://doi.org/10.3390/en6126413
Q. Xun, S. Lundberg, and Y. Liu, “Design and experimental verification of a fuel cell/supercapacitor passive configuration for a light vehicle”, Journal of Energy Storage, vol. 33, p. 102110, Jan. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2020.102110
A. Macias, M. Kandidayeni, L. Boulon, and J. Trovão, “Fuel cell-supercapacitor topologies benchmark for a three-wheel electric vehicle powertrain”, Energy, vol. 224, p. 120234, Jun. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120234
C. Dépature, A. Macías, A. Jácome, L. Boulon, J. Solano, and J. P. Trovão, “Fuel cell/supercapacitor passive configuration sizing approach for vehicular applications”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 50, pp. 26501–26512, Oct. 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.05.040.
J. B. Goodenough and K.-S. Park, “The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective”, Journal of the American Chemical Society, vol. 135, no. 4, pp. 1167–1176, Jan. 2013. DOI: https://doi.org/10.1021/ja3091438
B. E. Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Boston, MA: Springer US, 1999. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4757-3058-6
L. L. Zhang and X. S. Zhao, “Carbon-based materials as supercapacitor electrodes”, Chemical Society Reviews, vol. 38, no. 9, p. 2520, Jan. 2009. DOI: https://doi.org/10.1039/b813846j
F. Naseri, S. Karimi, E. Farjah, and E. Schaltz, “Supercapacitor management system: A comprehensive review of modeling, estimation, balancing, and protection techniques”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 155, p. 111913, Mar. 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111913
F. Arshad, “Life Cycle Assessment of Lithium-ion Batteries: A Critical Review”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 180, p. 106164, May 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106164
O. Velázquez-Martínez, J. Valio, A. Santasalo-Aarnio, M. Reuter, and R. Serna-Guerrero, “A Critical Review of Lithium-Ion Battery Recycling Processes from a Circular Economy Perspective”, Batteries, vol. 5, no. 4, p. 68, Nov. 2019. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries5040068
J. Kowal et al., “Detailed analysis of the self-discharge of supercapacitors”, Journal of Power Sources, vol. 196, no. 1, pp. 573–579, Jan. 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.12.028
“Farnell electronics components.” Available: https://uk.farnell.com/w/c/batteries-chargers/batteries-rechargeable?st=lithum%20ion%20battery&gs=true
“Farnell electronics components.” Available: https://uk.farnell.com/c/passive-components/capacitors/supercapacitors/lithium-ion-capacitors?st=lithum+ion+capacitor&showResults=true
“Farnell electronics components.” Available: https://uk.farnell.com/c/passive-components/capacitors/supercapacitors/miscellaneous-supercapacitors
