燃料电池阳极氢气浓度的优化控制是影响燃料电池电动汽车效率和耐久性的关键性能参数之一。安装氢气浓度传感器是燃料电池系统阳极氢气浓度管理的通行做法，但目前氢气浓度传感器芯片尚未克服水分的侵袭影响、技术成熟度不够，氢气浓度传感器使用极其首先受限。因此，有必要开发新型氢气浓度估算器(estimator)，维持燃料电池氢气系统管路(包括电堆阳极容腔)氢气浓度在一定水平。本文分享现代汽车公司NEXO燃料电池阳极氢气浓度估算器和基于估算器的吹扫控制器。
车用燃料电池系统通常包含燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统。为提高燃料电池效率和耐久性，材料突破和技术更新必不可少。其中，最行之有效但危险的技术是对阳极氢气浓度的优化操作。由于燃料电池车用氢气浓度传感器在精度、寿命、成本和可靠性等因素方面的限制，为在燃料电池运行期间维持氢气浓度在一定水平，广泛采用的方法是等效Q值(EQV)方法，即对燃料电池内随时间变化的输出电流与加权因子相乘并积分获得，如下式所示。
现代NEXO燃料电池系统架构
当等效Q值高于目标水平，阳极执行吹扫操作以增加氢气浓度。但该方法是维持氢气浓度在一定区间的间接方法，且受环境条件和行驶工况的影响较大。为应对这些不确定性，现代汽车公司做了大量工作来修正等效Q值法中的加权因子。因此，为获得最接近氢气传感器测量的真实阳极氢气浓度，现代汽车依据热力学、流体力学、数学建模及燃料电池系统内的传感器开发了氢气浓度估算器(HCE)。此外，基于氢气浓度估算器，现代汽车公司设计开发出阳极调压控制器和吹扫控制器，以实现氢气浓度的最佳控制运行，并在燃料电池汽车上进行了大量实验。
氢气浓度控制设计概念
来自车载储氢瓶中氢气的使用率主要分为三种，一种是可用使用率，其他两种为不可用使用率。首先，可用使用率为用于燃料电池发电以驱动车辆前进和系统相关执行器运行的氢气使用率(超过90％)，定义为发电所需氢气量/总氢气量。
第一种氢气不可用使用率和氢气穿越质子膜扩散到阴极有关(氢渗)，阴极氢气与空气一起流向空气出口歧管。理论上，氢渗量与阴阳极氢气分压压差成正比，压差越大，氢渗量越大。跨越质子膜从阴极扩散到阳极的氮气会通过氢气供给系统管路再循环(如氢气循环泵)，并随时间演变导致氢气系统管路中氢气浓度下降，因此应将氢气管路中累积的氮气排放到空气出口歧管以增加阳极氢气浓度，该操作称之为吹扫。但在吹扫期间，氢气也会与氮气、水蒸气一起排出，这是第二个不可用氢气使用率的源头。为提高效率，需最小化上述两种不可用氢气使用率，也不宜将氢气供给系统管路中的氢气浓度(氢气分压)保持在超高水平。但
来自驾驶员触发的大电密发电指令会导致无法供给足够氢气(氢气分压较低)，进而永久损坏燃料电池电极。因此维持较高的氢气浓度区间防止损害尤为必要，但同时氢渗也会增加，导致效率降低。在效率与耐久性之间需要折中和权衡。为同时实现燃料电池的高效率和高耐用性，应对氢气浓度进行最佳控制，这需要在氢气供给系统中嵌入实时氢气浓度估算器。氢气浓度估算器概念
现代NEXO燃料电池系统简要架构如下图所示。氢气供给系统的基本功能之一是氢燃料压力调节和控制，当电堆电流根据驾驶员(车辆)的需求功率变化时，控制器通过操作燃料供给系统将压力传感器值维持在设定范围内，并通过吹扫操作补偿压降。吹扫阀(purge valve)出口连接阴极出口歧管。电堆阳极出口未反应氢气通过引射器再循环至供氢阀，以提高氢气利用率。
现代NEXO燃料电池系统架构简化
为精确评估，需对带有引射器、管路和阳极流道和供氢阀等部分进行建模。但由于复杂性和计算时间成本，实时嵌入式软件模型开发难度较大。因此简化处理模型，将整个氢气供给系统看成与其体积相同的立方体，并假设所有气体成分均质，如下图所示。
氢气供给系统和空气供给系统立方体模型
模型简化导致的估算误差可通过适当的校准参数设计来补偿 。由于研究中采用氢气浓度分析仪测量值与估算器估值进行氢气浓度对比，且氢气浓度分析仪是在去除水蒸气后用氢气和氮气来计算氢气浓度，因此氢气浓度可表示为以下公式(nH2和nN2分别为氢气和氮气的摩尔数)。因此，如果可以实时计算氢气和氮气摩尔数，则可轻易计算出氢气浓度。
氢气浓度=nH2/(nH2+nN2) (1)
氢气浓度估算策略
由理想气体状态方程可知，氢气供给系统管路内的气体混合物总摩尔数可由管路内总压力和温度计算求得。根据质量守恒方程方程可得，气体混合物摩尔数等于氢气、氮气和水蒸气的摩尔总和，即
n=nH2+nN2+nV (2)
为简化模型，水蒸气摩尔数nV可由实验中电堆电流和工作温度之间构建的二维Map图来决定，具体工况下的水蒸气摩尔数nV由插值法计算得出。因此，可以对初始值用渗透模型和吹扫模型对时间求积分求出氢气和氮气摩尔数，即
nN2=氮气初始摩尔数+氮气渗透率对时间积分-氮气吹扫率对时间积分 (3)
氮气渗透模型
燃料电池阴阳极气态混合物成分随时间演变不断变化，因此质子膜两侧存在不同组分的浓度梯度，微观尺度上存在质子膜两侧有高浓度区域向低浓度区域的质量传输(扩散)现象。该项研究中使用了菲克定律，菲克定律表明单位面积上每种组分的质量扩散通量与浓度梯度成正比，如上图所示。其中，扩散系数是和特定质子膜相关的半经验公式，随工作温度升高而升高。注意，对氢气浓度计算，仅需要氮气渗透模型。
各组分吹扫模型
忽略粘性和重力项的纳维-斯托克斯方程可被用来简单计算吹扫气体摩尔总数。如上图所示，只有氢气供给系统和空气供给系统歧管之间压差才会引起氢气供给系统管路中的气体混合物排出氢气供给系统。为将氢气管路中的气体混合物排出，通常控制氢气供给系统管路的压力高于空气供给系统出口歧管的压力。基于吹扫期间的摩尔分数概念，将混合物的总摩尔数可分成每种成分的摩尔数之和。各组分的摩尔分数定义如下(ni为组分i的摩尔数，n为氢气供给系统的总摩尔数)。摩尔分数越高，组分i的排出量越大。
yi=ni/n (4)
氢气浓度的初始值估计
燃料电池汽车启动后，因为控制器中CPU在停车期间断电，氢气浓度的初始值估算较难。但控制器借助计时器芯片可知道车辆的停车时间。众所周知，停车时间越长且系统停机时刻操作温度越高，氢气浓度越低。因此，绘制两个参数(停车时间和停机时刻工作温度)Map图是估算燃料电池汽车启动时刻初始氢气浓度值的好方法。
阳极氢气浓度和工作温度关系
估算器校准
对燃料供给系统中复杂氢气流动简化处理会导致估算误差，该误差定义为氢气浓度估算值与氢气浓度分析仪测得的氢气浓度值之差。现代汽车公司设计了以下三个校准参数，如上图所示。三个校准参数分别为：(1)氮气渗透增益。正常工作温度下估算的氢气浓度衰减率的校准参数；(2)活化能。最小化工作温度引起的估算误差的校准参数；(3)吹扫增益，正常工作温度吹扫期间估算的氢气浓度值升高的校准参数。
调整估算器三个校准参数(基于浓度分析仪测得氢气浓度值)
氢气浓度估算器有效性
在NEXO燃料电池控制器中添加氢气浓度估算器后，现代汽车公司为此进行了大量测试以检验氢气浓度估算器的有效性。基于UDDS、HWFET和US06工况(从低负载到高负载的宽负载范围)测量数据，现代汽车公司调整了三个校准参数以减少估算误差。在调整三个校准参数后，氢气浓度估算器的误差大小在不同的行驶工况中略有变化，但仍保持在合理范围内，说明足以用作估算器，如下图所示。估算误差变化来自于混合气的均质假设。氢气供给系统在低负荷条件下，由于电堆的氢气消耗量低，氢气再循环量也较少，因此氢气供给系统中气态混合物更不均匀。如下图所示所示，这种影响表明UDDS工况下误差较小，但HWFET和US06工况下误差稍大。
NEXO燃料电池系统氢气浓度估算器有效性实验
基于氢气浓度估算器的反馈控制
氢气供给系统管路中氢气浓度控制有两种方法，一种是提高来自储氢瓶中流经氢气供给系统管路内的氢气压力，另一种是对氢气供给系统管路中的氮气和水蒸气执行吹扫操作。使用作用和氢气浓度传感器相同的氢气浓度估算器，可为抵抗内部干扰(如制造过程偏差)和外部干扰(如环境压力变化)构建如下图所示的反馈控制。参考信号为工况点的最佳氢气浓度，将参考信号与氢气浓度估算器的输出进行比较以获得误差信号。当燃料电池系统从停机状态突然进入发电状态，吹扫控制器发送吹扫命令，压力控制器将压力参考信号发送到供氢阀。吹扫控制器和压力控制器旨在减少与电堆载荷条件无关的信号误差，意味着氢气浓度估算器输出信号跟随参考信号。
氢气浓度估算器反馈控制
压力控制器设计
在燃料电池停机状态持续较长时间情况下，由于氮气渗透效应，氢气系统管路内的氢气浓度降低，但因电堆此时无需输出电流，因此控制器不会采取任何措施将氢气浓度保持在最佳范围内。若对电堆电流输出突然有需求，则需要快速恢复到氢气浓度最佳区间。从储氢瓶向氢气供气系统管路供氢的速度比对低浓度氢气吹扫以排入空气供给系统出口歧管的速度要快得多，此处需要设计压力控制器。根据给定操作条件下估算氢气浓度与最佳氢气浓度间差值来计算氢气供应量。在通过压力控制操作对氢气供给系统管路氢气加压后，吹扫控制操作在连续负载条件下开始执行。
吹扫控制器设计
因大多数行驶工况都由连续负载工况组成，因此吹扫操作频率远高于压力控制操作频率。当氢气浓度估算器输出值小于最佳氢气浓度范围，控制器仅提高氢气浓度(例如半主动执行器)，当高于最佳氢气浓度区间，不执行吹扫操作。为了执行上述控制，应在空气供给系统管路中形成最小水平的空气流速，以阻止氢气向阴极电极扩散，减少对电流输出影响。由于空气压缩机响应延迟和新鲜空气输送需要时间，在燃料电池停机状态下供气形成需要时间，但在稳定的负载条件下，不会出现吹操作的延迟。
性能评估
为验证基于氢气浓度估算器的反馈控制有效性，现代汽车公司在NEXO燃料电池动力系统和SUV中进行了大量实验。评估了传统Q值方法的三个主要特征：抗外部干扰，防止氢气欠气和效率提升。保密起见，现代汽车公司仅展示相对值和期望值，而非绝对值和实测值。
压力控制示意
抗外部干扰
地球上的环境压力会因气候、海拔和纬度等因素有所不同。由于氢气供给系统管路压力和环境压力间压差会导致气体泄漏，因此吹扫控制器与环境压力也密切相关。可观察到在不同日期相同行驶工况下吹扫计数的变化，估计误差保持在预定范围内。在三种行驶工况连续运行下，环境压差1.6 kPa可引起9个吹扫计数差。在三种工况中，氢气供给系统工作压力相同，但环境压力降低1.6 kPa会增加吹扫气体摩尔数，这会导致吹扫期间氢气浓度升高并延长了吹扫时间间隔。因此，得出的结论是，该技术已实现了针对环境压力变化(如在不同海拔下的形式工况)的最佳吹扫计数。
防止氢气欠气以提高耐久性
研究中也对燃料电池系统长时间停机后突然施加大载荷来检查压力控制器功能。燃料电池系统停机后，由于氮气渗透效应，估算的氢气浓度与最佳浓度值相比偏低。但在应用于大载荷之前，观察到已按设计要求将氢气供给系统管路压力升高来将氢气浓度提高至最佳位置。氢气供给系统管路的压力上升量是根据估算的氢气浓度值计算得出，氢气浓度估算器输出值没有经历过冲(overshoot)、下冲(undershoot)和误差上升到了最佳区间。经评估，该功能对于预防氢气欠气(延长燃料电池寿命)很有用。
效率提升
现代汽车公司在NEXO燃料电池SUV中进行了常规Q值方法与基于氢气浓度估算器的反馈控制技术之间的效率比较。使用Q值方法时，氢气浓度估值蔓延在最佳氢气范围内，变化波动较大。但基于氢气浓度估算值的反馈控制技术可实现氢气浓度估算值维持在最佳区间，没有越过上限值和下限值，并在不同行驶工况中均未观察到平均值出现偏移。在组合行驶工况中，由于最佳范围内的氢气浓度值会提高氢气利用率，因此效率提高了0.02 MPGe。
结论
现代汽车公司通过旗下NEXO燃料电池SUV和燃料电池系统实验实现并证明了基于氢气浓度估算器的反馈控制器优于传统Q值方法。首先，为嵌入式软件开发，建立具有相同氢气供给系统体积的简单立方体模型，发现其性能可靠，可用作氢气供给系统管路的氢气浓度估算器。其次，在宽载荷工况范围内，估算误差在变化，如UDDS、HWFET和US06工况，但三个校准参数可在合理范围内保证误差可控。再者，现代汽车公司开发出基于氢气浓度估算器的反馈控制技术，该技术展现出良好的抵抗环境压力干扰性，通过防止氢气欠气提高耐久性性和效率。最后，与传统的等效Q值方法相比，现代汽车公司的氢气浓度最佳运行控制实现组合行驶工况下效率提升。（来源：燃料电池干货）
