目前，全國(guó)整體已經(jīng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，各項(xiàng)生產(chǎn)生活逐步恢復(fù)正常，受疫情影響，復(fù)工偏晚、訂單下滑等因素對(duì)一季度電池產(chǎn)業(yè)鏈的影響顯著。記者從多家機(jī)構(gòu)獲悉，今年一季度動(dòng)力電池的裝機(jī)數(shù)據(jù)約在5.38GWh至5.68GWh之間，較去年同期大幅減少50%以上。

2020年1月2日，工信部印發(fā)廢舊蓄電池綜合利用規(guī)范，提出將建立溯源綜合管理平臺(tái)，并對(duì)電池的生產(chǎn)、使用、報(bào)廢、回收、利用等一系列流程進(jìn)行全過(guò)程信息采集。同時(shí)，廢電池回收新國(guó)標(biāo)要求，電池生產(chǎn)企業(yè)“銷一收一”，電池行業(yè)迎來(lái)巨變。

電池行業(yè)專家認(rèn)為，動(dòng)力電池行業(yè)的洗牌速度將加快，行業(yè)徹底好轉(zhuǎn)則需等到新能源車后期出現(xiàn)爆發(fā)性消費(fèi)。另外，部分頭部電池企業(yè)近期動(dòng)作頻頻，正在開拓產(chǎn)品電動(dòng)船舶等新的應(yīng)用領(lǐng)域。

燃料電池陽(yáng)極氫氣濃度的優(yōu)化控制是影響燃料電池電動(dòng)汽車效率和耐久性的關(guān)鍵性能參數(shù)之一。安裝氫氣濃度傳感器是燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極氫氣濃度管理的通行做法，但目前氫氣濃度傳感器芯片尚未克服水分的侵襲影響、技術(shù)成熟度不夠，氫氣濃度傳感器使用極其首先受限。因此，有必要開發(fā)新型氫氣濃度估算器(estimator)，維持燃料電池氫氣系統(tǒng)管路(包括電堆陽(yáng)極容腔)氫氣濃度在一定水平。本文分享現(xiàn)代汽車公司NEXO燃料電池陽(yáng)極氫氣濃度估算器和基于估算器的吹掃控制器。

車用燃料電池系統(tǒng)通常包含燃料電池堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)。為提高燃料電池效率和耐久性，材料突破和技術(shù)更新必不可少。其中，最行之有效但危險(xiǎn)的技術(shù)是對(duì)陽(yáng)極氫氣濃度的優(yōu)化操作。由于燃料電池車用氫氣濃度傳感器在精度、壽命、成本和可靠性等因素方面的限制，為在燃料電池運(yùn)行期間維持氫氣濃度在一定水平，廣泛采用的方法是等效Q值(EQV)方法，即對(duì)燃料電池內(nèi)隨時(shí)間變化的輸出電流與加權(quán)因子相乘并積分獲得，如下式所示。

現(xiàn)代NEXO燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)?shù)刃值高于目標(biāo)水平，陽(yáng)極執(zhí)行吹掃操作以增加氫氣濃度。但該方法是維持氫氣濃度在一定區(qū)間的間接方法，且受環(huán)境條件和行駛工況的影響較大。為應(yīng)對(duì)這些不確定性，現(xiàn)代汽車公司做了大量工作來(lái)修正等效Q值法中的加權(quán)因子。因此，為獲得最接近氫氣傳感器測(cè)量的真實(shí)陽(yáng)極氫氣濃度，現(xiàn)代汽車依據(jù)熱力學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)學(xué)建模及燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的傳感器開發(fā)了氫氣濃度估算器(HCE)。此外，基于氫氣濃度估算器，現(xiàn)代汽車公司設(shè)計(jì)開發(fā)出陽(yáng)極調(diào)壓控制器和吹掃控制器，以實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的最佳控制運(yùn)行，并在燃料電池汽車上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。

氫氣濃度控制設(shè)計(jì)概念

來(lái)自車載儲(chǔ)氫瓶中氫氣的使用率主要分為三種，一種是可用使用率，其他兩種為不可用使用率。首先，可用使用率為用于燃料電池發(fā)電以驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)和系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行器運(yùn)行的氫氣使用率(超過(guò)90％)，定義為發(fā)電所需氫氣量/總氫氣量。

第一種氫氣不可用使用率和氫氣穿越質(zhì)子膜擴(kuò)散到陰極有關(guān)(氫滲)，陰極氫氣與空氣一起流向空氣出口歧管。理論上，氫滲量與陰陽(yáng)極氫氣分壓壓差成正比，壓差越大，氫滲量越大。跨越質(zhì)子膜從陰極擴(kuò)散到陽(yáng)極的氮?dú)鈺?huì)通過(guò)氫氣供給系統(tǒng)管路再循環(huán)(如氫氣循環(huán)泵)，并隨時(shí)間演變導(dǎo)致氫氣系統(tǒng)管路中氫氣濃度下降，因此應(yīng)將氫氣管路中累積的氮?dú)馀欧诺娇諝獬隹谄绻芤栽黾雨?yáng)極氫氣濃度，該操作稱之為吹掃。但在吹掃期間，氫氣也會(huì)與氮?dú)狻⑺魵庖黄鹋懦觯@是第二個(gè)不可用氫氣使用率的源頭。為提高效率，需最小化上述兩種不可用氫氣使用率，也不宜將氫氣供給系統(tǒng)管路中的氫氣濃度(氫氣分壓)保持在超高水平。但來(lái)自駕駛員觸發(fā)的大電密發(fā)電指令會(huì)導(dǎo)致無(wú)法供給足夠氫氣(氫氣分壓較低)，進(jìn)而永久損壞燃料電池電極。因此維持較高的氫氣濃度區(qū)間防止損害尤為必要，但同時(shí)氫滲也會(huì)增加，導(dǎo)致效率降低。在效率與耐久性之間需要折中和權(quán)衡。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料電池的高效率和高耐用性，應(yīng)對(duì)氫氣濃度進(jìn)行最佳控制，這需要在氫氣供給系統(tǒng)中嵌入實(shí)時(shí)氫氣濃度估算器。

氫氣濃度估算器概念

現(xiàn)代NEXO燃料電池系統(tǒng)簡(jiǎn)要架構(gòu)如下圖所示。氫氣供給系統(tǒng)的基本功能之一是氫燃料壓力調(diào)節(jié)和控制，當(dāng)電堆電流根據(jù)駕駛員(車輛)的需求功率變化時(shí)，控制器通過(guò)操作燃料供給系統(tǒng)將壓力傳感器值維持在設(shè)定范圍內(nèi)，并通過(guò)吹掃操作補(bǔ)償壓降。吹掃閥(purgevalve)出口連接陰極出口歧管。電堆陽(yáng)極出口未反應(yīng)氫氣通過(guò)引射器再循環(huán)至供氫閥，以提高氫氣利用率。

現(xiàn)代NEXO燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)化

為精確評(píng)估，需對(duì)帶有引射器、管路和陽(yáng)極流道和供氫閥等部分進(jìn)行建模。但由于復(fù)雜性和計(jì)算時(shí)間成本，實(shí)時(shí)嵌入式軟件模型開發(fā)難度較大。因此簡(jiǎn)化處理模型，將整個(gè)氫氣供給系統(tǒng)看成與其體積相同的立方體，并假設(shè)所有氣體成分均質(zhì)，如下圖所示。

氫氣供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)立方體模型

模型簡(jiǎn)化導(dǎo)致的估算誤差可通過(guò)適當(dāng)?shù)男?zhǔn)參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償。由于研究中采用氫氣濃度分析儀測(cè)量值與估算器估值進(jìn)行氫氣濃度對(duì)比，且氫氣濃度分析儀是在去除水蒸氣后用氫氣和氮?dú)鈦?lái)計(jì)算氫氣濃度，因此氫氣濃度可表示為以下公式(nH2和nN2分別為氫氣和氮?dú)獾哪枖?shù))。因此，如果可以實(shí)時(shí)計(jì)算氫氣和氮?dú)饽枖?shù)，則可輕易計(jì)算出氫氣濃度。

氫氣濃度=nH2/(nH2+nN2)  (1)

氫氣濃度估算策略

由理想氣體狀態(tài)方程可知，氫氣供給系統(tǒng)管路內(nèi)的氣體混合物總摩爾數(shù)可由管路內(nèi)總壓力和溫度計(jì)算求得。根據(jù)質(zhì)量守恒方程方程可得，氣體混合物摩爾數(shù)等于氫氣、氮?dú)夂退魵獾哪柨偤停?/p>

n=nH2+nN2+nV  (2)

為簡(jiǎn)化模型，水蒸氣摩爾數(shù)nV可由實(shí)驗(yàn)中電堆電流和工作溫度之間構(gòu)建的二維Map圖來(lái)決定，具體工況下的水蒸氣摩爾數(shù)nV由插值法計(jì)算得出。因此，可以對(duì)初始值用滲透模型和吹掃模型對(duì)時(shí)間求積分求出氫氣和氮?dú)饽枖?shù)，即

nN2=氮?dú)獬跏寄枖?shù)+氮?dú)鉂B透率對(duì)時(shí)間積分-氮?dú)獯祾呗蕦?duì)時(shí)間積分  (3)

氮?dú)鉂B透模型

燃料電池陰陽(yáng)極氣態(tài)混合物成分隨時(shí)間演變不斷變化，因此質(zhì)子膜兩側(cè)存在不同組分的濃度梯度，微觀尺度上存在質(zhì)子膜兩側(cè)有高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的質(zhì)量傳輸(擴(kuò)散)現(xiàn)象。該項(xiàng)研究中使用了菲克定律，菲克定律表明單位面積上每種組分的質(zhì)量擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比，如上圖所示。其中，擴(kuò)散系數(shù)是和特定質(zhì)子膜相關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)公式，隨工作溫度升高而升高。注意，對(duì)氫氣濃度計(jì)算，僅需要氮?dú)鉂B透模型。

各組分吹掃模型

忽略粘性和重力項(xiàng)的納維-斯托克斯方程可被用來(lái)簡(jiǎn)單計(jì)算吹掃氣體摩爾總數(shù)。如上圖所示，只有氫氣供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)歧管之間壓差才會(huì)引起氫氣供給系統(tǒng)管路中的氣體混合物排出氫氣供給系統(tǒng)。為將氫氣管路中的氣體混合物排出，通常控制氫氣供給系統(tǒng)管路的壓力高于空氣供給系統(tǒng)出口歧管的壓力。基于吹掃期間的摩爾分?jǐn)?shù)概念，將混合物的總摩爾數(shù)可分成每種成分的摩爾數(shù)之和。各組分的摩爾分?jǐn)?shù)定義如下(ni為組分i的摩爾數(shù)，n為氫氣供給系統(tǒng)的總摩爾數(shù))。摩爾分?jǐn)?shù)越高，組分i的排出量越大。

yi=ni/n  (4)

氫氣濃度的初始值估計(jì)

燃料電池汽車啟動(dòng)后，因?yàn)榭刂破髦蠧PU在停車期間斷電，氫氣濃度的初始值估算較難。但控制器借助計(jì)時(shí)器芯片可知道車輛的停車時(shí)間。眾所周知，停車時(shí)間越長(zhǎng)且系統(tǒng)停機(jī)時(shí)刻操作溫度越高，氫氣濃度越低。因此，繪制兩個(gè)參數(shù)(停車時(shí)間和停機(jī)時(shí)刻工作溫度)Map圖是估算燃料電池汽車啟動(dòng)時(shí)刻初始?xì)錃鉂舛戎档暮梅椒ā?/p>

陽(yáng)極氫氣濃度和工作溫度關(guān)系

估算器校準(zhǔn)

對(duì)燃料供給系統(tǒng)中復(fù)雜氫氣流動(dòng)簡(jiǎn)化處理會(huì)導(dǎo)致估算誤差，該誤差定義為氫氣濃度估算值與氫氣濃度分析儀測(cè)得的氫氣濃度值之差。現(xiàn)代汽車公司設(shè)計(jì)了以下三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)，如上圖所示。三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)分別為：(1)氮?dú)鉂B透增益。正常工作溫度下估算的氫氣濃度衰減率的校準(zhǔn)參數(shù)；(2)活化能。最小化工作溫度引起的估算誤差的校準(zhǔn)參數(shù)；(3)吹掃增益，正常工作溫度吹掃期間估算的氫氣濃度值升高的校準(zhǔn)參數(shù)。

調(diào)整估算器三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)(基于濃度分析儀測(cè)得氫氣濃度值)

氫氣濃度估算器有效性

在NEXO燃料電池控制器中添加氫氣濃度估算器后，現(xiàn)代汽車公司為此進(jìn)行了大量測(cè)試以檢驗(yàn)氫氣濃度估算器的有效性。基于UDDS、HWFET和US06工況(從低負(fù)載到高負(fù)載的寬負(fù)載范圍)測(cè)量數(shù)據(jù)，現(xiàn)代汽車公司調(diào)整了三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)以減少估算誤差。在調(diào)整三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)后，氫氣濃度估算器的誤差大小在不同的行駛工況中略有變化，但仍保持在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明足以用作估算器，如下圖所示。估算誤差變化來(lái)自于混合氣的均質(zhì)假設(shè)。氫氣供給系統(tǒng)在低負(fù)荷條件下，由于電堆的氫氣消耗量低，氫氣再循環(huán)量也較少，因此氫氣供給系統(tǒng)中氣態(tài)混合物更不均勻。如下圖所示所示，這種影響表明UDDS工況下誤差較小，但HWFET和US06工況下誤差稍大。

NEXO燃料電池系統(tǒng)氫氣濃度估算器有效性實(shí)驗(yàn)

基于氫氣濃度估算器的反饋控制

氫氣供給系統(tǒng)管路中氫氣濃度控制有兩種方法，一種是提高來(lái)自儲(chǔ)氫瓶中流經(jīng)氫氣供給系統(tǒng)管路內(nèi)的氫氣壓力，另一種是對(duì)氫氣供給系統(tǒng)管路中的氮?dú)夂退魵鈭?zhí)行吹掃操作。使用作用和氫氣濃度傳感器相同的氫氣濃度估算器，可為抵抗內(nèi)部干擾(如制造過(guò)程偏差)和外部干擾(如環(huán)境壓力變化)構(gòu)建如下圖所示的反饋控制。參考信號(hào)為工況點(diǎn)的最佳氫氣濃度，將參考信號(hào)與氫氣濃度估算器的輸出進(jìn)行比較以獲得誤差信號(hào)。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)突然進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，吹掃控制器發(fā)送吹掃命令，壓力控制器將壓力參考信號(hào)發(fā)送到供氫閥。吹掃控制器和壓力控制器旨在減少與電堆載荷條件無(wú)關(guān)的信號(hào)誤差，意味著氫氣濃度估算器輸出信號(hào)跟隨參考信號(hào)。

氫氣濃度估算器反饋控制

壓力控制器設(shè)計(jì)

在燃料電池停機(jī)狀態(tài)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間情況下，由于氮?dú)鉂B透效應(yīng)，氫氣系統(tǒng)管路內(nèi)的氫氣濃度降低，但因電堆此時(shí)無(wú)需輸出電流，因此控制器不會(huì)采取任何措施將氫氣濃度保持在最佳范圍內(nèi)。若對(duì)電堆電流輸出突然有需求，則需要快速恢復(fù)到氫氣濃度最佳區(qū)間。從儲(chǔ)氫瓶向氫氣供氣系統(tǒng)管路供氫的速度比對(duì)低濃度氫氣吹掃以排入空氣供給系統(tǒng)出口歧管的速度要快得多，此處需要設(shè)計(jì)壓力控制器。根據(jù)給定操作條件下估算氫氣濃度與最佳氫氣濃度間差值來(lái)計(jì)算氫氣供應(yīng)量。在通過(guò)壓力控制操作對(duì)氫氣供給系統(tǒng)管路氫氣加壓后，吹掃控制操作在連續(xù)負(fù)載條件下開始執(zhí)行。

吹掃控制器設(shè)計(jì)

因大多數(shù)行駛工況都由連續(xù)負(fù)載工況組成，因此吹掃操作頻率遠(yuǎn)高于壓力控制操作頻率。當(dāng)氫氣濃度估算器輸出值小于最佳氫氣濃度范圍，控制器僅提高氫氣濃度(例如半主動(dòng)執(zhí)行器)，當(dāng)高于最佳氫氣濃度區(qū)間，不執(zhí)行吹掃操作。為了執(zhí)行上述控制，應(yīng)在空氣供給系統(tǒng)管路中形成最小水平的空氣流速，以阻止氫氣向陰極電極擴(kuò)散，減少對(duì)電流輸出影響。由于空氣壓縮機(jī)響應(yīng)延遲和新鮮空氣輸送需要時(shí)間，在燃料電池停機(jī)狀態(tài)下供氣形成需要時(shí)間，但在穩(wěn)定的負(fù)載條件下，不會(huì)出現(xiàn)吹操作的延遲。

性能評(píng)估

為驗(yàn)證基于氫氣濃度估算器的反饋控制有效性，現(xiàn)代汽車公司在NEXO燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和SUV中進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。評(píng)估了傳統(tǒng)Q值方法的三個(gè)主要特征：抗外部干擾，防止氫氣欠氣和效率提升。保密起見，現(xiàn)代汽車公司僅展示相對(duì)值和期望值，而非絕對(duì)值和實(shí)測(cè)值。

壓力控制示意

抗外部干擾

地球上的環(huán)境壓力會(huì)因氣候、海拔和緯度等因素有所不同。由于氫氣供給系統(tǒng)管路壓力和環(huán)境壓力間壓差會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏，因此吹掃控制器與環(huán)境壓力也密切相關(guān)。可觀察到在不同日期相同行駛工況下吹掃計(jì)數(shù)的變化，估計(jì)誤差保持在預(yù)定范圍內(nèi)。在三種行駛工況連續(xù)運(yùn)行下，環(huán)境壓差1.6kPa可引起9個(gè)吹掃計(jì)數(shù)差。在三種工況中，氫氣供給系統(tǒng)工作壓力相同，但環(huán)境壓力降低1.6kPa會(huì)增加吹掃氣體摩爾數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致吹掃期間氫氣濃度升高并延長(zhǎng)了吹掃時(shí)間間隔。因此，得出的結(jié)論是，該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了針對(duì)環(huán)境壓力變化(如在不同海拔下的形式工況)的最佳吹掃計(jì)數(shù)。

防止氫氣欠氣以提高耐久性

研究中也對(duì)燃料電池系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后突然施加大載荷來(lái)檢查壓力控制器功能。燃料電池系統(tǒng)停機(jī)后，由于氮?dú)鉂B透效應(yīng)，估算的氫氣濃度與最佳濃度值相比偏低。但在應(yīng)用于大載荷之前，觀察到已按設(shè)計(jì)要求將氫氣供給系統(tǒng)管路壓力升高來(lái)將氫氣濃度提高至最佳位置。氫氣供給系統(tǒng)管路的壓力上升量是根據(jù)估算的氫氣濃度值計(jì)算得出，氫氣濃度估算器輸出值沒有經(jīng)歷過(guò)沖(overshoot)、下沖(undershoot)和誤差上升到了最佳區(qū)間。經(jīng)評(píng)估，該功能對(duì)于預(yù)防氫氣欠氣(延長(zhǎng)燃料電池壽命)很有用。

效率提升

現(xiàn)代汽車公司在NEXO燃料電池SUV中進(jìn)行了常規(guī)Q值方法與基于氫氣濃度估算器的反饋控制技術(shù)之間的效率比較。使用Q值方法時(shí)，氫氣濃度估值蔓延在最佳氫氣范圍內(nèi)，變化波動(dòng)較大。但基于氫氣濃度估算值的反饋控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氫氣濃度估算值維持在最佳區(qū)間，沒有越過(guò)上限值和下限值，并在不同行駛工況中均未觀察到平均值出現(xiàn)偏移。在組合行駛工況中，由于最佳范圍內(nèi)的氫氣濃度值會(huì)提高氫氣利用率，因此效率提高了0.02MPGe。

結(jié)論

現(xiàn)代汽車公司通過(guò)旗下NEXO燃料電池SUV和燃料電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)并證明了基于氫氣濃度估算器的反饋控制器優(yōu)于傳統(tǒng)Q值方法。首先，為嵌入式軟件開發(fā)，建立具有相同氫氣供給系統(tǒng)體積的簡(jiǎn)單立方體模型，發(fā)現(xiàn)其性能可靠，可用作氫氣供給系統(tǒng)管路的氫氣濃度估算器。其次，在寬載荷工況范圍內(nèi)，估算誤差在變化，如UDDS、HWFET和US06工況，但三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)可在合理范圍內(nèi)保證誤差可控。再者，現(xiàn)代汽車公司開發(fā)出基于氫氣濃度估算器的反饋控制技術(shù)，該技術(shù)展現(xiàn)出良好的抵抗環(huán)境壓力干擾性，通過(guò)防止氫氣欠氣提高耐久性性和效率。最后，與傳統(tǒng)的等效Q值方法相比，現(xiàn)代汽車公司的氫氣濃度最佳運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)組合行駛工況下效率提升。燃料電池博士