燃料電池陽極氫氣濃度的優化控制是影響燃料電池電動汽車效率和耐久性的關鍵性能參數之一。安裝氫氣濃度傳感器是燃料電池系統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，有必要開發新型氫氣濃度估算器(estimator)，維持燃料電池氫氣系統管路(包括電堆陽極容腔)氫氣濃度在一定水平。本文分享現代汽車公司NEXO燃料電池陽極氫氣濃度估算器和基於估算器的吹掃控制器。
車用燃料電池系統通常包含燃料電池堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、熱管理系統。為提高燃料電池效率和耐久性，材料突破和技術更新必不可少。其中，最行之有效但危險的技術是對陽極氫氣濃度的優化操作。由於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，廣泛採用的方法是等效Q值(EQV)方法，即對燃料電池內隨時間變化的輸出電流與加權因子相乘並積分獲得，如下式所示。
現代NEXO燃料電池系統架構
當等效Q值高於目標水平，陽極執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間的間接方法，且受環境條件和行駛工況的影響較大。為應對這些不確定性，現代汽車公司做了大量工作來修正等效Q值法中的加權因子。因此，為獲得最接近氫氣傳感器測量的真實陽極氫氣濃度，現代汽車依據熱力學、流體力學、數學建模及燃料電池系統內的傳感器開發了氫氣濃度估算器(HCE)。此外，基於氫氣濃度估算器，現代汽車公司設計開發出陽極調壓控制器和吹掃控制器，以實現氫氣濃度的最佳控制運行，並在燃料電池汽車上進行了大量實驗。
氫氣濃度控制設計概念
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，可用使用率為用於燃料電池發電以驅動車輛前進和系統相關執行器運行的氫氣使用率(超過90％)，定義為發電所需氫氣量/總氫氣量。
第一種氫氣不可用使用率和氫氣穿越質子膜擴散到陰極有關(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。跨越質子膜從陰極擴散到陽極的氮氣會通過氫氣供給系統管路再循環(如氫氣循環泵)，並隨時間演變導致氫氣系統管路中氫氣濃度下降，因此應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
來自駕駛員觸發的大電密發電指令會導致無法供給足夠氫氣(氫氣分壓較低)，進而永久損壞燃料電池電極。因此維持較高的氫氣濃度區間防止損害尤為必要，但同時氫滲也會增加，導致效率降低。在效率與耐久性之間需要折中和權衡。為同時實現燃料電池的高效率和高耐用性，應對氫氣濃度進行最佳控制，這需要在氫氣供給系統中嵌入實時氫氣濃度估算器。氫氣濃度估算器概念
現代NEXO燃料電池系統簡要架構如下圖所示。氫氣供給系統的基本功能之一是氫燃料壓力調節和控制，當電堆電流根據駕駛員(車輛)的需求功率變化時，控制器通過操作燃料供給系統將壓力傳感器值維持在設定範圍內，並通過吹掃操作補償壓降。吹掃閥(purge valve)出口連接陰極出口歧管。電堆陽極出口未反應氫氣通過引射器再循環至供氫閥，以提高氫氣利用率。
現代NEXO燃料電池系統架構簡化
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行建模。但由於複雜性和計算時間成本，實時嵌入式軟件模型開發難度較大。因此簡化處理模型，將整個氫氣供給系統看成與其體積相同的立方體，並假設所有氣體成分均質，如下圖所示。
氫氣供給系統和空氣供給系統立方體模型
模型簡化導致的估算誤差可通過適當的校準參數設計來補償 。由於研究中採用氫氣濃度分析儀測量值與估算器估值進行氫氣濃度對比，且氫氣濃度分析儀是在去除水蒸氣後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)。因此，如果可以實時計算氫氣和氮氣摩爾數，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
由理想氣體狀態方程可知，氫氣供給系統管路內的氣體混合物總摩爾數可由管路內總壓力和溫度計算求得。根據質量守恆方程方程可得，氣體混合物摩爾數等於氫氣、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nV可由實驗中電堆電流和工作溫度之間構建的二維Map圖來決定，具體工況下的水蒸氣摩爾數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，即
nN2=氮氣初始摩爾數+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混合物成分隨時間演變不斷變化，因此質子膜兩側存在不同組分的濃度梯度，微觀尺度上存在質子膜兩側有高濃度區域向低濃度區域的質量傳輸(擴散)現象。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量擴散通量與濃度梯度成正比，如上圖所示。其中，擴散係數是和特定質子膜相關的半經驗公式，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。如上圖所示，只有氫氣供給系統和空氣供給系統歧管之間壓差才會引起氫氣供給系統管路中的氣體混合物排出氫氣供給系統。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管路的壓力高於空氣供給系統出口歧管的壓力。基於吹掃期間的摩爾分數概念，將混合物的總摩爾數可分成每種成分的摩爾數之和。各組分的摩爾分數定義如下(ni為組分i的摩爾數，n為氫氣供給系統的總摩爾數)。摩爾分數越高，組分i的排出量越大。
yi=ni/n (4)
氫氣濃度的初始值估計
燃料電池汽車啟動後，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。但控制器藉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停機時刻操作溫度越高，氫氣濃度越低。因此，繪製兩個參數(停車時間和停機時刻工作溫度)Map圖是估算燃料電池汽車啟動時刻初始氫氣濃度值的好方法。
陽極氫氣濃度和工作溫度關係
估算器校準
對燃料供給系統中複雜氫氣流動簡化處理會導致估算誤差，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。現代汽車公司設計了以下三個校準參數，如上圖所示。三個校準參數分別為：(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參數；(2)活化能。最小化工作溫度引起的估算誤差的校準參數；(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參數。
調整估算器三個校準參數(基於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後，現代汽車公司為此進行了大量測試以檢驗氫氣濃度估算器的有效性。基於UDDS、HWFET和US06工況(從低負載到高負載的寬負載範圍)測量數據，現代汽車公司調整了三個校準參數以減少估算誤差。在調整三個校準參數後，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，但仍保持在合理範圍內，說明足以用作估算器，如下圖所示。估算誤差變化來自於混合氣的均質假設。氫氣供給系統在低負荷條件下，由於電堆的氫氣消耗量低，氫氣再循環量也較少，因此氫氣供給系統中氣態混合物更不均勻。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燃料電池系統氫氣濃度估算器有效性實驗
基於氫氣濃度估算器的反饋控制
氫氣供給系統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氫氣供給系統管路內的氫氣壓力，另一種是對氫氣供給系統管路中的氮氣和水蒸氣執行吹掃操作。使用作用和氫氣濃度傳感器相同的氫氣濃度估算器，可為抵抗內部干擾(如製造過程偏差)和外部干擾(如環境壓力變化)構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行比較以獲得誤差信號。當燃料電池系統從停機狀態突然進入發電狀態，吹掃控制器發送吹掃命令，壓力控制器將壓力參考信號發送到供氫閥。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
壓力控制器設計
在燃料電池停機狀態持續較長時間情況下，由於氮氣滲透效應，氫氣系統管路內的氫氣濃度降低，但因電堆此時無需輸出電流，因此控制器不會採取任何措施將氫氣濃度保持在最佳範圍內。若對電堆電流輸出突然有需求，則需要快速恢復到氫氣濃度最佳區間。從儲氫瓶向氫氣供氣系統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出口歧管的速度要快得多，此處需要設計壓力控制器。根據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量。在通過壓力控制操作對氫氣供給系統管路氫氣加壓後，吹掃控制操作在連續負載條件下開始執行。
吹掃控制器設計
因大多數行駛工況都由連續負載工況組成，因此吹掃操作頻率遠高於壓力控制操作頻率。當氫氣濃度估算器輸出值小於最佳氫氣濃度範圍，控制器僅提高氫氣濃度(例如半主動執行器)，當高於最佳氫氣濃度區間，不執行吹掃操作。為了執行上述控制，應在空氣供給系統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散，減少對電流輸出影響。由於空氣壓縮機響應延遲和新鮮空氣輸送需要時間，在燃料電池停機狀態下供氣形成需要時間，但在穩定的負載條件下，不會出現吹操作的延遲。
性能評估
為驗證基於氫氣濃度估算器的反饋控制有效性，現代汽車公司在NEXO燃料電池動力系統和SUV中進行了大量實驗。評估了傳統Q值方法的三個主要特徵：抗外部干擾，防止氫氣欠氣和效率提升。保密起見，現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
地球上的環境壓力會因氣候、海拔和緯度等因素有所不同。由於氫氣供給系統管路壓力和環境壓力間壓差會導致氣體洩漏，因此吹掃控制器與環境壓力也密切相關。可觀察到在不同日期相同行駛工況下吹掃計數的變化，估計誤差保持在預定範圍內。在三種行駛工況連續運行下，環境壓差1.6 kPa可引起9個吹掃計數差。在三種工況中，氫氣供給系統工作壓力相同，但環境壓力降低1.6 kPa會增加吹掃氣體摩爾數，這會導致吹掃期間氫氣濃度升高並延長了吹掃時間間隔。因此，得出的結論是，該技術已實現了針對環境壓力變化(如在不同海拔下的形式工況)的最佳吹掃計數。
防止氫氣欠氣以提高耐久性
研究中也對燃料電池系統長時間停機後突然施加大載荷來檢查壓力控制器功能。燃料電池系統停機後，由於氮氣滲透效應，估算的氫氣濃度與最佳濃度值相比偏低。但在應用於大載荷之前，觀察到已按設計要求將氫氣供給系統管路壓力升高來將氫氣濃度提高至最佳位置。氫氣供給系統管路的壓力上升量是根據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歷過衝(overshoot)、下衝(undershoot)和誤差上升到了最佳區間。經評估，該功能對於預防氫氣欠氣(延長燃料電池壽命)很有用。
效率提升
現代汽車公司在NEXO燃料電池SUV中進行了常規Q值方法與基於氫氣濃度估算器的反饋控制技術之間的效率比較。使用Q值方法時，氫氣濃度估值蔓延在最佳氫氣範圍內，變化波動較大。但基於氫氣濃度估算值的反饋控制技術可實現氫氣濃度估算值維持在最佳區間，沒有越過上限值和下限值，並在不同行駛工況中均未觀察到平均值出現偏移。在組合行駛工況中，由於最佳範圍內的氫氣濃度值會提高氫氣利用率，因此效率提高了0.02 MPGe。
結論
現代汽車公司通過旗下NEXO燃料電池SUV和燃料電池系統實驗實現並證明了基於氫氣濃度估算器的反饋控制器優於傳統Q值方法。首先，為嵌入式軟件開發，建立具有相同氫氣供給系統體積的簡單立方體模型，發現其性能可靠，可用作氫氣供給系統管路的氫氣濃度估算器。其次，在寬載荷工況範圍內，估算誤差在變化，如UDDS、HWFET和US06工況，但三個校準參數可在合理範圍內保證誤差可控。再者，現代汽車公司開發出基於氫氣濃度估算器的反饋控制技術，該技術展現出良好的抵抗環境壓力干擾性，通過防止氫氣欠氣提高耐久性性和效率。最後，與傳統的等效Q值方法相比，現代汽車公司的氫氣濃度最佳運行控制實現組合行駛工況下效率提升。（來源：燃料電池乾貨）
