鉅大LARGE | 點擊量：668次 | 2021年12月13日
電池頭部產(chǎn)業(yè)盯上電動船舶市場 現(xiàn)代NEXO燃料動力電池陽極氫氣濃度控制技術(shù)
目前，全國整體已經(jīng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，各項生產(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，并對電池的生產(chǎn)、使用、報廢、回收、利用等一系列流程進(jìn)行全過程信息采集。同時，廢電池回收新國標(biāo)要求，電池生產(chǎn)企業(yè)“銷一收一”，電池行業(yè)迎來巨變。
電池行業(yè)專家認(rèn)為，動力電池行業(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。另外，部分頭部電池企業(yè)近期動作頻頻，正在開拓產(chǎn)品電動船舶等新的應(yīng)用領(lǐng)域。
燃料電池陽極氫氣濃度的優(yōu)化控制是影響燃料電池電動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，最行之有效但危險的技術(shù)是對陽極氫氣濃度的優(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，即對燃料電池內(nèi)隨時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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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)對這些不確定性，現(xiàn)代汽車公司做了大量工作來修正等效Q值法中的加權(quán)因子。因此，為獲得最接近氫氣傳感器測量的真實陽極氫氣濃度，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)計開發(fā)出陽極調(diào)壓控制器和吹掃控制器，以實現(xiàn)氫氣濃度的最佳控制運行，并在燃料電池汽車上進(jìn)行了大量實驗。
氫氣濃度控制設(shè)計概念
來自車載儲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)動車輛前進(jìn)和系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行器運行的氫氣使用率(超過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，氫滲量與陰陽極氫氣分壓壓差成正比，壓差越大，氫滲量越大?？缭劫|(zhì)子膜從陰極擴(kuò)散到陽極的氮氣會通過氫氣供給系統(tǒng)管路再循環(huán)(如氫氣循環(huán)泵)，并隨時間演變導(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氣排放到空氣出口歧管以增加陽極氫氣濃度，該操作稱之為吹掃。但在吹掃期間，氫氣也會與氮氣、水蒸氣一起排出，這是第二個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。但來自駕駛員觸發(fā)的大電密發(fā)電指令會導(dǎo)致無法供給足夠氫氣(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，但同時氫滲也會增加，導(dǎo)致效率降低。在效率與耐久性之間需要折中和權(quán)衡。為同時實現(xiàn)燃料電池的高效率和高耐用性，應(yīng)對氫氣濃度進(jìn)行最佳控制，這需要在氫氣供給系統(tǒng)中嵌入實時氫氣濃度估算器。
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，控制器通過操作燃料供給系統(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。電堆陽極出口未反應(yīng)氫氣通過引射器再循環(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)簡化
為精確評估，需對帶有引射器、管路和陽極流道和供氫閥等部分進(jìn)行建模。但由于復(fù)雜性和計算時間成本，實時嵌入式軟件模型開發(fā)難度較大。因此簡化處理模型，將整個氫氣供給系統(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
模型簡化導(dǎo)致的估算誤差可通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)參數(shù)設(shè)計來補(bǔ)償。由于研究中采用氫氣濃度分析儀測量值與估算器估值進(jìn)行氫氣濃度對比，且氫氣濃度分析儀是在去除水蒸氣后用氫氣和氮氣來計算氫氣濃度，因此氫氣濃度可表示為以下公式(nH2和nN2分別為氫氣和氮氣的摩爾數(shù))。因此，如果可以實時計算氫氣和氮氣摩爾數(shù)，則可輕易計算出氫氣濃度。
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、氮氣和水蒸氣的摩爾總和，即
n=nH2+nN2+nV (2)
為簡化模型，水蒸氣摩爾數(shù)nV可由實驗中電堆電流和工作溫度之間構(gòu)建的二維Map圖來決定，具體工況下的水蒸氣摩爾數(shù)nV由插值法計算得出。因此，可以對初始值用滲透模型和吹掃模型對時間求積分求出氫氣和氮氣摩爾數(shù)，即
nN2=氮氣初始摩爾數(shù)+氮氣滲透率對時間積分-氮氣吹掃率對時間積分 (3)
氮氣滲透模型
燃料電池陰陽極氣態(tài)混合物成分隨時間演變不斷變化，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)驗公式，隨工作溫度升高而升高。注意，對氫氣濃度計算，僅需要氮氣滲透模型。
各組分吹掃模型
忽略粘性和重力項的納維-斯托克斯方程可被用來簡單計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?；诖祾咂陂g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
燃料電池汽車啟動后，因為控制器中CPU在停車期間斷電，氫氣濃度的初始值估算較難。但控制器借助計時器芯片可知道車輛的停車時間。眾所周知，停車時間越長且系統(tǒng)停機(jī)時刻操作溫度越高，氫氣濃度越低。因此，繪制兩個參數(shù)(停車時間和停機(jī)時刻工作溫度)Map圖是估算燃料電池汽車啟動時刻初始?xì)錃鉂舛戎档暮梅椒ā?/p>
陽極氫氣濃度和工作溫度關(guān)系
估算器校準(zhǔn)
對燃料供給系統(tǒng)中復(fù)雜氫氣流動簡化處理會導(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得的氫氣濃度值之差?，F(xiàn)代汽車公司設(shè)計了以下三個校準(zhǔn)參數(shù)，如上圖所示。三個校準(zhǔn)參數(shù)分別為：(1)氮氣滲透增益。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)整估算器三個校準(zhǔn)參數(shù)(基于濃度分析儀測得氫氣濃度值)
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)行了大量測試以檢驗氫氣濃度估算器的有效性?；赨DDS、HWFET和US06工況(從低負(fù)載到高負(fù)載的寬負(fù)載范圍)測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)代汽車公司調(diào)整了三個校準(zhǔn)參數(shù)以減少估算誤差。在調(diào)整三個校準(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)，說明足以用作估算器，如下圖所示。估算誤差變化來自于混合氣的均質(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驗
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，一種是提高來自儲氫瓶中流經(jīng)氫氣供給系統(tǒng)管路內(nèi)的氫氣壓力，另一種是對氫氣供給系統(tǒng)管路中的氮氣和水蒸氣執(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。參考信號為工況點的最佳氫氣濃度，將參考信號與氫氣濃度估算器的輸出進(jìn)行比較以獲得誤差信號。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關(guān)的信號誤差，意味著氫氣濃度估算器輸出信號跟隨參考信號。
氫氣濃度估算器反饋控制
壓力控制器設(shè)計
在燃料電池停機(jī)狀態(tài)持續(xù)較長時間情況下，由于氮氣滲透效應(yīng)，氫氣系統(tǒng)管路內(nèi)的氫氣濃度降低，但因電堆此時無需輸出電流，因此控制器不會采取任何措施將氫氣濃度保持在最佳范圍內(nèi)。若對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。從儲氫瓶向氫氣供氣系統(tǒng)管路供氫的速度比對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計算氫氣供應(yīng)量。在通過壓力控制操作對氫氣供給系統(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
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間，在燃料電池停機(jī)狀態(tài)下供氣形成需要時間，但在穩(wěn)定的負(fù)載條件下，不會出現(xiàn)吹操作的延遲。
性能評估
為驗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燃料電池動力系統(tǒng)和SUV中進(jìn)行了大量實驗。評估了傳統(tǒng)Q值方法的三個主要特征：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值和期望值，而非絕對值和實測值。
壓力控制示意
抗外部干擾
地球上的環(huán)境壓力會因氣候、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)?？捎^察到在不同日期相同行駛工況下吹掃計數(shù)的變化，估計誤差保持在預(yù)定范圍內(nèi)。在三種行駛工況連續(xù)運行下，環(huán)境壓差1.6kPa可引起9個吹掃計數(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會增加吹掃氣體摩爾數(shù)，這會導(dǎo)致吹掃期間氫氣濃度升高并延長了吹掃時間間隔。因此，得出的結(jié)論是，該技術(shù)已實現(xiàn)了針對環(huán)境壓力變化(如在不同海拔下的形式工況)的最佳吹掃計數(shù)。
防止氫氣欠氣以提高耐久性
研究中也對燃料電池系統(tǒng)長時間停機(jī)后突然施加大載荷來檢查壓力控制器功能。燃料電池系統(tǒng)停機(jī)后，由于氮氣滲透效應(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)計要求將氫氣供給系統(tǒng)管路壓力升高來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算得出，氫氣濃度估算器輸出值沒有經(jīng)歷過沖(overshoot)、下沖(undershoot)和誤差上升到了最佳區(qū)間。經(jīng)評估，該功能對于預(yù)防氫氣欠氣(延長燃料電池壽命)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，氫氣濃度估值蔓延在最佳氫氣范圍內(nèi)，變化波動較大。但基于氫氣濃度估算值的反饋控制技術(shù)可實現(xiàn)氫氣濃度估算值維持在最佳區(qū)間，沒有越過上限值和下限值，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)代汽車公司通過旗下NEXO燃料電池SUV和燃料電池系統(tǒng)實驗實現(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行控制實現(xiàn)組合行駛工況下效率提升。燃料電池博士
