孫賓賓：燃料電池商用車模塊化建模與集成控制
圖為山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院副教授/博士孫賓賓做主題演講
日前，由中國電池工業(yè)協(xié)會、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2021氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國際峰會”在淄博舉行。山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院副教授孫賓賓博士做了題為“燃料電池商用車模塊化建模與集成控制”的報告。
以下為報告實錄：
孫賓賓：各位專家我來自咱們淄博的駐地高校山東理工大學(xué)，我今天匯報相關(guān)工作，一是基于我們團(tuán)隊的研究成果，我們團(tuán)隊也是基于山東省高校新能源協(xié)同創(chuàng)新中心這個平臺，在做一些相關(guān)科研工作。
所以請允許我簡單地介紹這個中心和團(tuán)隊情況。我匯報的題目是“燃料電池商用車模塊化建模與集成控制”。
山東省高校新能源協(xié)同創(chuàng)新中心，它的前身是2011年由淄博市人民政府投資5000萬，以山東理工大學(xué)牽頭協(xié)同清華大學(xué)、山東大學(xué)濰柴等等20多家企業(yè)協(xié)同起來，2013年的時候，中心獲批了山東省首批培育協(xié)同中心建設(shè)，當(dāng)時全省有11個名額。2017年經(jīng)過4年的培育建設(shè)，中心以優(yōu)異考核成績，獲得正式立項建設(shè)。2019年11月份，由于我們整個中心的績效比較突出，升級為整個山東省示范協(xié)同創(chuàng)新中心。
今年我們正在積極地申報國家級的省部共建協(xié)同中心，山東省目前只有一個名額。整個中心經(jīng)過十年從自主培育、立項、示范發(fā)展，目前基本情況跟大家匯報一下。
中心的構(gòu)成。現(xiàn)在來說，山東理工大學(xué)牽頭由20家高校和企業(yè)來協(xié)同發(fā)展的機制。最多的時候是有32家協(xié)同體，這中間做了動態(tài)調(diào)整。
中心方向，也是緊緊圍繞地我國和山東省汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和人才培養(yǎng)的需要，主要是新能源汽車能源動力系統(tǒng)，動力學(xué)與輕量化智能汽車和車用可再生能源材料五個方向。
中心的條件保障，近五年來我們中心共獲得省市投資建設(shè)經(jīng)費是在7096萬元，協(xié)同企業(yè)研發(fā)投入約在5.3億。2020年10月份，山東理工大學(xué)專門為中心建造了一座6000平方的研發(fā)大樓，專門用于中心成果孵化、人才培養(yǎng)、科學(xué)研究為支撐。
中心團(tuán)隊總?cè)藬?shù)是動態(tài)，我跟大家匯報一下，現(xiàn)在目前在中心大樓工作的固定人員現(xiàn)在是有52個全職因此人員。省部級人才13人，成果方面去年我們中心獲得了山東省科技進(jìn)步一等獎2項，技術(shù)發(fā)明獎1項，國家項目近幾年來是5項，其中最大的是張鐵柱院士他研究的關(guān)于新能源產(chǎn)業(yè)化的項目，這個項目支持的經(jīng)費是在一億元。
中心方向，低溫鋰離子動地電池及應(yīng)用，大功率燃料電池及應(yīng)用、高性能大容量鎳氫動力電池這方面也有一些研究，因為相關(guān)這一塊的產(chǎn)業(yè)需求越來越低，鎳氫電池這一塊比較少。
我們中心有兩個帶頭人，一個是張鐵柱院士，其實張院士最主要的工作是做低溫鋰離子動力電池，從單體成組PACK等一系列的技術(shù)，他能夠做到零下45攝氏度的低溫電池系統(tǒng)，他主要是用在軍工領(lǐng)域。
還有大功率燃料電池及應(yīng)用團(tuán)隊是高松教授，以及燃料電池面向整車的集成化的控制和參數(shù)設(shè)計的一些關(guān)系。
目前我們?nèi)剂想姵匮邪l(fā)的工作，跟大家簡單匯報一下。
整個研發(fā)思路，因為站在中心的平臺，研發(fā)的思路面向企業(yè)應(yīng)用需求，能夠結(jié)合自身的優(yōu)勢來進(jìn)行一些底層應(yīng)用基礎(chǔ)的開發(fā)，最關(guān)鍵的是通過相關(guān)的研發(fā)，能夠給我們企業(yè)培養(yǎng)相關(guān)的后續(xù)新生力量。
我們現(xiàn)在整個的研發(fā)流程，按照微流程這樣一個思路，從離線模塊化建模，模塊化的參數(shù)的設(shè)計，能量管理的設(shè)計，以及在線的整車的測試和標(biāo)定這樣一個流程。
那么離線燃料電池模塊化建模，他們建120千瓦三個功率以及平臺，他們提的要求，多個燃料電池平臺開發(fā)的時候，你的模型要盡可能給我提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)支撐。我們基于最底層的軟件，現(xiàn)在把燃料電池每一個部件，都是進(jìn)行建模封裝到中層把燃料電池數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?gòu)架進(jìn)行設(shè)計到了上層面向企業(yè)應(yīng)用層的話，我們主要一些參數(shù)的定義，或者企業(yè)需求性能的要求。
那么，我們在做這項工作的時候也遇到一些新的問題現(xiàn)在主流的思路是是幾種參數(shù)法，它是為了面向工程應(yīng)用需求所必須的這樣的一種方法，但是這種方法他存在自身固定的缺陷問題就是他無法經(jīng)過電堆面的層面時間和空間上面的差異性。所以說，后期的工作現(xiàn)在也在想辦法從現(xiàn)在商用化提升。
燃料電池研發(fā)工作，他們提的要求，這三家企業(yè)都屬于山東重工集團(tuán)，盡可能的提供平臺然后方便他們后續(xù)各種車型在這個平臺上做一些設(shè)計、計算、分析。所以說我們就設(shè)計了這樣一個基本平臺框架，從駕駛員模型、能源動力系統(tǒng)模型、動力學(xué)模型、控制系統(tǒng)的子模塊、數(shù)據(jù)傳輸子模塊都進(jìn)行了模塊化這樣一個設(shè)計。這是各個子模塊它的一些內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然還有更底層，我就不再詳細(xì)地展開說了。
第三塊工作就是整車的熱管理這樣一個離線設(shè)計，因為燃料電池與內(nèi)燃機最大的不同之處在于說，對于整車的熱負(fù)荷提供了更大的設(shè)計要求，因為像內(nèi)燃機都是熱氣排出去，而燃料電池?zé)崃坑绕涫敲嫦蛑乜ㄟ@種大功率需求的整車的話，對整車散熱系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。所以說現(xiàn)在主要的工作，從產(chǎn)熱到傳熱到散熱各個部件它的熱流特性的分析。
第二是基于分析的結(jié)果，進(jìn)行散熱器以及鋰電池、電機、燃料電池多個熱源之間的傳熱介質(zhì)的分配和管理這樣一個設(shè)計。
能量管理策略離線設(shè)計，現(xiàn)在主要做了兩塊工作，一個是基于最優(yōu)算法，因為基于最優(yōu)算法，現(xiàn)在面工程應(yīng)用還是不太可行，因為他的實施性沒法得到保障，但是基于最優(yōu)算法，這一款整車，為提高整車的經(jīng)濟(jì)性，最大的天花板是多少，基于這個天花板思路的設(shè)計的方法，基于鋰電池和燃料電池能量的調(diào)解，在制動的時候，機械能和電流的分配調(diào)解。
故障診斷這一塊，現(xiàn)在基于平臺來做，如何判斷故障以后，相應(yīng)的故障等級是什么，相應(yīng)的故障等級給出故障執(zhí)行控制指令，尤其對于燃料電池整車來說，故障診斷現(xiàn)在復(fù)雜程度比傳統(tǒng)的燃油車多很多，因為傳統(tǒng)的燃油車面向鋰電池純電動轉(zhuǎn)換的時候，由于鋰電池的安全性的要求，提出更高的故障診斷的需求。像現(xiàn)在的燃料電池汽車都是采用負(fù)荷才能的設(shè)計方案，也就是說在原來的鋰電池的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在又多了一個氫燃料電池所帶來的安全性要求。
那么硬件在環(huán)測試現(xiàn)在是基于武德（音）這個平臺，這是整個核心部件的開發(fā)思路。因為我們是高校，現(xiàn)在有一個比較全行業(yè)共同關(guān)注的問題。
我們高校車輛工程專業(yè)和內(nèi)燃機專業(yè)，都有相應(yīng)的招生名額，人才培養(yǎng)的體系和專業(yè)的建設(shè)。也就是說只有這么多本科生和研究生才能支撐整個行業(yè)發(fā)展。但是現(xiàn)在面臨一個問題，燃料電池應(yīng)該說各大高校本科層面里面是沒有專業(yè)的建設(shè)和人才的招生這一塊。相關(guān)的也只是說某個老師某個團(tuán)隊從事燃料電池研究，可能他的研究生能做，從事相關(guān)的工作。那么這就對于我們整個行業(yè)快速發(fā)展和人才供給的斷缺提出一個矛盾的點。在不同的場合，從高校人才角度出發(fā)，我們要呼吁高校這方面的人才體系。盡可能讓我們的燃料電池專業(yè)從本科到研究生到博士慢慢建立起來，更能支撐我們產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
謝謝！
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