Перейти до вмісту
Мікросистеми, Електроніка та Акустика
ISSN 2523-4447 · e‑ISSN 2523-4455 Відкритий доступ · CC BY-SA 4.0
Т. 28 · № 2 · 2023 чер 11, 2023 Оглядові статті

Топології гібридизації паливних елементів із використанням різних технологій зберігання енергії

IB
Iryna Olehivna Bevza Відповідальний Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна
Сторінки276865.1-276865.13 Опублікованочер 11, 2023
PDF
ТОМ 28 · № 2 · 2023 до 125-річчя КПІ ім. Ігоря Сікорського Переглянути випуск

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.

Ключові слова

#Паливний елемент PEM #літій-іонний конденсатор #джерело гібридизації

Посилання

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. “The Future of Hydrogen.” Available: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
  6. “Delivering the European Green Deal”. Available: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/delivering-european-green-deal_en
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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 .
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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 .
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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
  46. 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
  47. “Farnell electronics components.” Available: https://uk.farnell.com/w/c/batteries-chargers/batteries-rechargeable?st=lithum%20ion%20battery&gs=true
  48. “Farnell electronics components.” Available: https://uk.farnell.com/c/passive-components/capacitors/supercapacitors/lithium-ion-capacitors?st=lithum+ion+capacitor&showResults=true
  49. “Farnell electronics components.” Available: https://uk.farnell.com/c/passive-components/capacitors/supercapacitors/miscellaneous-supercapacitors
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

Програмні засоби супроводження курсу вищої математики у технічному університеті

Дмитро Войціх, Данило Гринь, Марія Гринюк, канд. техн. наук, доц. Олексій Вікторович Богданов, канд. фіз.-мат. наук, доц. Юрій Павлович Буценко, канд. техн. наук, доц. Олена Іванівна Баліна, канд. техн. наук, доц. Ірина Сергіївна Безклубенко

У цій статті досліджується методологічний підхід до модернізації навчальної програми з вищої математики для студентів-інженерів, з особливим акцентом на потреби…

#Інженерна освіта #Викладання інженерії #Електронна інженерія #GNU Octave
с. 359022.1-359022.10
10.20535/2523-4455.mea.359022

Огляд газорозрядної гармати: фізичні основи, застосування та перспективи

Vadym I. Trokhymchuk, Serhii Borysovych Tuhai

Імпульсні газорозрядні гармати є перспективними інструментами в сучасних технологіях електронно-променевої обробки. Ці пристрої працюють на основі високовольтного…

#газорозрядна гармата #високовольтний тліючий розряд (HVGD) #електронний промінь #тріодна система
с. 341617.1-341617.7
10.20535/2523-4455.mea.341617

Акустичні вимоги до приміщень для особистої та групової психотерапії

Illia Volodymyrovych Melnyk

Психологічний вплив війни в Україні створив нагальну та суттєву потребу в ефективних втручаннях у сфері психічного здоров'я, зокрема в психотерапії. Оскільки…

#акустичний комфорт #психотерапія #терапевтичні простори #звукоізоляція
с. 329151.1-329151.7
10.20535/2523-4455.mea.329151

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають

Схожі статті

1-10 з 173

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.