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魏学哲:车用燃料电池系统控制关键问题与解决思路
中国汽车报网 ·   ·  2019-10-30

  10月27日,由科学技术部指导,联合国开发计划署、中国汽车工业协会联合主办,佛山市人民政府、佛山市南海区人民政府全面支持的2019联合国开发计划署氢能产业大会在佛山市南海区樵山文化中心隆重召开。

   

  以下是同济大学教授魏学哲作题为《车用燃料电池系统控制关键问题与解决思路》的主题演讲。

  主持人:女士们、先生们,各位同行:

  大家早上好!非常高兴我们今天能够相聚在南海探讨燃料电池的相关工作。今天非常高兴看到很多老朋友。我是今天上午的主持人,同济大学的魏学哲,我们一共准备了9场报告,中间有一次茶歇。我作为主持人的第一个任务就是控制时间,而且我是作第一场报告的,我可以把时间稍微缩短一点。

  我今天做的事情就是跟大家分享燃料电池控制系统的关键问题和解决思路,希望得到大家的批评和指正。

  第一部分,我们知道汽车目前有三大类动力控制系统,一是内燃机,我们称为EMS、engine management system,二是纯电动汽车,我们对电池也有一个相似的BMS。 三是燃料电池的燃料电池控制系统,我们先看一下这三个东西会有什么不一样的地方,这是大家熟知的燃料电池控制系统,它分为空气进气系统、氢气进气系统、热管理系统以及负载的控制系统,这是几大类东西,这些东西大家可能都非常熟悉。但是从做控制的角度上来看,画这样的物理系统远远不够,我们要从物理系统里抽象出它的信息,用物理信息描述一个系统,我们对比一下内燃机,这是一个内燃机系统,从控制上来讲主要有这么几块,就是空燃比控制,即空气和燃料的比例,节气门的控制、怠速控制、点火正时以及涡轮增压,这是一个物理系统。

  从控制上来讲有几大块东西,EMS控制,我们刚才讲了有三个闭环,但是我们基于反馈做三大闭环,包括点火提前角的闭环控制、空燃比的闭环控制、节气门的控制以及发动机的热管理。内燃机的控制里面我们做的几件事情,包括温度测量、排放测量、压力测量、环境参数的测量。我们在这个基础上提炼若干参数需要对它进行标定,包括喷油量、点火向相位,这是一个控制系统,我们用控制的眼光看刚才那张图需要有很多的执行器。

  为了做这些控制,我们需要做哪些执行器?

  我们把EMS和SOC做一个对比,我们从三个视角看这件事情:

  第一个对比的视角是非线性,我们看到内燃机和燃料电池都是一个非常强的非线性系统。这是第一个对比的视角。

  第二个对比的视角是时变性,也就是它的参数随着时间变化还是不变化,对于现代内燃机,一个新的内燃机和一个跑了30万公里的内燃机,其实控制上没有大的差别,也就是它的时变性不强。但是对于一个燃料电池来讲,一个新的燃料电池和一个跑了几十万公里的燃料电池有相当大的参数差异。也就是说燃料电池和内燃机相比,有一个非常重要的特点:它有非常强的时变性,而内燃机没有,也不是说没有,在短的时间尺度有一点点,比如冷启动、怠速的时候,但是总的来讲它的时变性不强。  第三个视角即分布性,我们知道内燃机无非就是大家熟知的4个缸、6个缸,16个缸最多了,也就是说它是各个缸轮流工作,基本上几个缸要均一化,没有很强的分布性问题,但是对于燃料电池来讲,有水分布、温度分布、浓度分布等等,所以它有很强的分布性问题。

  我们看看刚才对比的BMS,我画了两个BMS的闭环,第一个即BMS现在大家都做的一件事情,就是SOC的估计,我们需要用模型做SOC估计这件事情,也就是说我们对一个实际物理电池,需要抽象出它的等效电路模型,我们一般来讲用得比较多的就是二阶系统,在这个基础上估计它的开路电压,进而估计电池SOC。SOC大概是几十分钟到小时级别时间尺度的事情,但是对于一个锂离子电池来讲,一个新的电池和一个用了5年、8年或者跑了十几万公里的电池,它的容量、内阻参数也会发生非常大的变化,它也是一个强的时变系统。所以我们不仅要估计SOC,还要估计它的寿命,这是我画的两个闭环,要做这两个闭环的工作。

  我们把锂电池和燃料电池放在一起讲,大家都有非线性,燃料电池和锂电池都有非常强的时变性。但是从第三个角度来比较空间分布性,因为锂电池其实是一个固体电极,另外它的电解液是液体,所以从空间分布性来讲,它的分布是比较均匀的,但是燃料电池空间分布性其实非常强。

  我们从这三个视角看这件事情,就会知道燃料电池既是一个强非线性的系统,也是一个强时变性的系统,也是一个强分布性的系统。这是我们考虑问题的起点,我们从时变性、非线性、空间分布性这三个视角看这件事情,我们知道一个燃料电池系统的基本特性,同样的我们也知道了我们汽车里面过去的内燃机是怎么干的,内燃机对付非线性是怎么干的,锂离子电池对于时变性怎么做的,我们就可以借用这两套东西的思路对付燃料电池,燃料电池有自身的问题,即时变性、非线性、空间分布性问题。

  刚才是一个大概的看法,我们现在进一步地展开。

  第一个问题,非线性问题、进气控制问题。我们会看到氢气控制系统、空气控制系统,右边是一些非线性的具体案例,比如说阳极的脉冲排气造成的电压波动、压力波动,空气侧的压力和流量的耦合问题,比如涡轮式的空压机也有喘振问题,这也体现了一个强的非线性。

  第二个问题,老化问题,左边是哪些问题导致老化,这是从物质学的角度来看,我们知道燃料电池老化或者坏掉其实不会是一个堆一起坏掉,而是某一个板或者某一个板局部的坏掉,这是短板效应或者木桶原理,这里面有一些恶化的问题,会导致某些局部热点先坏掉。

  第三个问题,一致性。我们知道燃料电池是很多堆连在一起,堆里面有各种各样流场,我们需要知道它的电压分布的一致性,就是CELL和CELL之间的问题,在每个CELL上又会有温度、压力、水分布的一致性,所以需要各种各样的测量技术以反映它的空间分布性问题。

  同样的,对于热来讲,我们现在做热管理,目前的思路基本是这样的,上边是等效热阻模型,我们用等效热阻的办法描述整个热系统,在这个基础上我们通过两个闭环做热的管理。从基础思路来讲它是一个集总式的模型,我们没有办法考虑电池内部的空间热分布,就是把测量电堆的出口或者进口的液体温度作为反馈,所以没有办法解决燃料电池电堆空间和温度的分布问题。

  还有一个,大家熟知的难题即低温冷启动,我们对于燃料电池做模型的简化,我们需要在低温的情况下,实现既有液态又有气态又有固态,实际上是各态的耦合,问题在于如何对电堆的水含量分布等进行原位和在线的测试,而且因为启动时单片电压非常低,所以这时DCDC的升压比会非常高,而且对于DCDC电流控制精准度要求非常高。

  当然,还有一个问题即策略问题。

  针对刚才的问题,我们该怎么考虑这件事情?

  第一个,非线性问题即进气问题,非常像内燃机进气问题的控制,我们燃料电池可以考虑这么干,比如对于波动问题,我们基本思路就是要用反馈手段解决波动问题,比如氢侧问题,我们需要有一个反馈机制解决这件事情。空气侧,压力和流量是一个耦合问题,我们的手段有两个,一是空压机的转速,二是背压阀,在这个基础上,我们有大量的非线性问题,非线性的问题即空压机控制、增湿器的非线性,对于这些非线性,燃料电池完全可以借鉴内燃机的思路做各种各样的标定工作,把一个复杂系统变成一张查表的问题。

  第二个,时变性即寿命衰减问题,我们有几个层面:单体电池的寿命衰减怎么表达?对于燃料电池来讲,大部分的问题可以归结成一个阻抗问题,即寿命衰减过程中,阻抗的增加,在不同的情况下阻抗怎么增加的?单体做完了以后,单体扩展到整堆其实是一个一致性问题,就是要考虑整堆一致性的演变规律,所以从这个意义上来讲要搭建单体到堆的多维寿命模型。

  第三个,在线实现燃料电池寿命的在线测量和预测,对于本来是一个分布式的系统,我们简单地把它集总化描述,我们需要对底层建模,通过电化学机理建立物质的传递场、热物理场、电物理场,包括水分布式的测定测量,对它的局部建模,根据这些测量对局部测量的状态和参数进行估计,实现分布式的控制。  第四个问题,冷启动问题,冷启动的问题同样也是刚才讲的思路,因为冷启动的时候,几个物理场的耦合问题无法用单一的方法解决,需要进行分布式的动态模型构建,再加上原位检测的关键技术,实现内部的状态反馈。

  总结一下,燃料电池控制问题的起因在于三维空间上的传热、传质、传荷问题,我们必须从物理化学里面抽象出它的信息表达,所谓信息表达就是建模问题,建模问题即短时间尺度需要基于粒子动力学的模型建立,中时间尺度可以用集总参数的方式表达,长时间尺度,我们可以用数据建模的方式做,就是我们讲的白箱子、黑箱子的模式,主要的技术手段包括控制理论、控制技术,以及分布式的测量检测技术,包括电子技术、电子电力技术。

  最后,我第一张图是一个物理系统,对于一张图即过去讲的要把它信息化的表达,我怎么能够从控制的视角看问题,大致上是一张图,当然里面需要逐步细化,里面需要解决的一些基础问题,包括非线性、分布式的模型,最重要的第二点做控制也要反馈,反馈量是什么,我们以什么反馈量构成一个闭环系统?当然,在这个基础上做复杂性的控制问题。

  我的汇报到此结束,谢谢!(本稿未经本人审阅)

  编辑:黄霞

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