同濟大學(xué)戴海峰：數(shù)字化燃料電池復(fù)合電源系統(tǒng)
同濟大學(xué)教授戴海峰作主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國際峰會”在中國上海隆重舉行。中國電池工業(yè)協(xié)會理事長劉寶生、中國工程院院士彭蘇萍、中國科學(xué)院院士孫世剛、上海市嘉定區(qū)副區(qū)長李峰等出席峰會，來自行業(yè)主管部門、高校、科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈知名企業(yè)，以及外賓代表共300余人與會。
同濟大學(xué)教授戴海峰在會上作題為《數(shù)字化燃料電池復(fù)合電源系統(tǒng) 》的演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容實錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
戴海峰：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位同行：下午好!
我是同濟大學(xué)的戴海峰，非常高興有這樣一個機會，今天下午能在這里跟大家分享和討論我們前期的一些工作和思考。今天上午其實行業(yè)里的幾位院士還有大的專家，以及下午的幾個公司的介紹，實際上大家已經(jīng)看出來氫能燃料電池火爆的程度，同時也能夠看到無論是在系統(tǒng)層面，還是在電堆層面，還是在剛剛的空壓機、循環(huán)泵等這些關(guān)鍵零部件的層面，現(xiàn)在的技術(shù)都有了非常大的進展。
客觀地說，氫能燃料電池技術(shù)的進展，實際上跟企業(yè)的大力投入是密不可分的，作為高校其實我們一方面要配合企業(yè)來推動這個行業(yè)的發(fā)展，另外一方面其實很重要的我們也要做一些前瞻性的思考，無論是在技術(shù)層面、方法層面，還是在理念層面，我們要去做一些思考，這個可能是企業(yè)不太會關(guān)注到的。
我今天跟大家分享到的更多是一些理念層面的思考，我的報告題目是《燃料電池復(fù)合電源系統(tǒng)》，但是我給它加了一個副標(biāo)題，復(fù)合電源的數(shù)字化，這個地方其實就是想通過一個理念，我們通過數(shù)字化的這樣一個手段，來如何去提升燃料電池復(fù)合電源系統(tǒng)的設(shè)計以及管控，從而最終來提升這個系統(tǒng)的性能。
首先我們來看一下，我們都知道國內(nèi)的氫能燃料電池現(xiàn)在很火爆，但是其實有一個牽引的因素，這個因素是什么呢，就是燃料電池汽車，既然談到燃料電池汽車，就一定要回顧到我們國內(nèi)最早提出來新能源汽車這樣一個戰(zhàn)略布局，就是我們看到的左上角，今天也分享了三縱三橫的技術(shù)路線。
三條縱線，實際上就是三種不同的動力系統(tǒng)，混合動力、純電動以及燃料電池，而三條橫線實際上是三個共性的關(guān)鍵技術(shù)，其中很重要的一塊就是在電池這塊，當(dāng)然這個電池是廣義的電池，包括我們的燃料電池。
在這樣一個路線的布局之下，其實我們的純電動汽車、插電式混合動力汽車以及燃料電池汽車，都得到了長足的進步。當(dāng)然現(xiàn)在也還是有爭議的，不同的車型應(yīng)用場景到底是什么樣子，我們給出了一種可能的解答，當(dāng)然不是我給的，這是豐田的規(guī)劃。
對于不同的應(yīng)用場景，不同的一個車型它的使用情況，僅供參考。其實每個人應(yīng)該都有自己的想法，如果我們把所有的車型它的共性關(guān)鍵技術(shù)提煉出來，形成這樣一個交集，我們可以得到這樣一個結(jié)論，目前多種動力系統(tǒng)形式并存，而實際上背后真正的推動力是電源技術(shù)。
比如說對我們純電動汽車來講，真正的推動力其實就是動力電池技術(shù)，所以我們普遍認(rèn)為電源技術(shù)實際上是推動了不同動力系統(tǒng)技術(shù)路線的進步，這是一個關(guān)鍵因素。接下來我們來看一下，這樣一個電源技術(shù)的發(fā)展，未來它的應(yīng)用趨勢是什么樣子的。首先還是在交通領(lǐng)域，前面我們談的是新能源汽車，接下來我們看一下從車是不是有可能拓展，在這里面我們可以看一下兩種拓展的維度，一個是在續(xù)航里程里面不斷的增加，從百公里到千公里這樣一個級別。
第二個是在輸出功率上面不斷的增加，從我們乘用車的百千瓦到我們商用車的數(shù)百千瓦，再到我們機車的兆瓦級，可以看到里程的增加實際上是對我容量或者能量提出了要求，而功率的增加實際上就是對我們的功率能力提出了要求，這個時候我們必然會想起來我們目前常有的兩種電源形式，一個是動力電池或者我們常用的鋰離子電池，另外一個就是燃料電池。
事實上這兩種電池它們有自己不同的特性，也有自己不同的適用場合，比如說電力電池它的能量補充比較慢，它的動態(tài)特性比較好，而燃料電池適用于可持續(xù)運行，因為它的能量補充比較快，但是它的動態(tài)特性比較差。
這樣一來我們可以認(rèn)為動力電池，實際上適合短時動態(tài)應(yīng)用，而燃料電池適合長時穩(wěn)定應(yīng)用，我們自然而然地就會想到有沒有可能我們把它復(fù)合到一起或者結(jié)合到一起，形成一個新的能源，這個就是我們復(fù)合電源的概念。
通過DCDC這樣一個裝置，我們把燃料電池和動力電池復(fù)合到一起，形成復(fù)合電源，通過這個復(fù)合電源來提高系統(tǒng)的功率和能力，從而來擴展我們的電化學(xué)電源對移動應(yīng)用的適用場景。
如果我們把這個場景進一步地往外拓展，不僅僅考慮交通，我們從整個能源網(wǎng)絡(luò)來看，這個時候可以對比一下新能源汽車的動力系統(tǒng)，以及我們新能源電力系統(tǒng)它的一些相似性。
上面這張圖是新能源汽車動力系統(tǒng)的一個拓?fù)洌瑒恿﹄姵亍⑷剂想姵赝ㄟ^電力電子變換單元合在一起，然后提供一個能量來源。在電力系統(tǒng)里面其實也是類似的，儲能電池跟燃料電池通過我們的電力電子單元，比如說我們的逆變器合到一起，我們再并網(wǎng)來提供我們所需要的電能，所以我們可以得到這樣一個相似性的對比，兩者都具有燃料電池和儲能電池這兩種化學(xué)電源，這是第一點。
第二點，都有電力電子功率變換裝置來進行電能的調(diào)節(jié)和變換，我們通過這樣一個復(fù)合電源行使的靈活多樣性，來應(yīng)對復(fù)合電源的改變。所以我們可以看到兩者也是比較相似的，在這樣的一個應(yīng)用場景的拓展下面，勢必會帶來一些新的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括什么呢，首先是運行環(huán)境，有高溫的應(yīng)用、高寒的應(yīng)用，就是我們所謂的三高或者四高這樣一個應(yīng)用場景。
第二個是在運行工況上面，不同的場景它的工況也是不一樣的，這地方我們列出了一些典型的工況。
第三個就是我們在設(shè)計過程中，我們所受到的約束包括它的空間布置，包括我們的質(zhì)量要求等等，實際上是不一樣的。在這樣一個多元化的需求下面，我們需要同時去考慮比能量、功率、安全性、使用壽命這諸多的因素，這實際上是一個巨大的挑戰(zhàn)，這是應(yīng)用復(fù)雜性帶來的。
另外，如果從我們系統(tǒng)自身來看，系統(tǒng)自身實際上是有它的一些復(fù)雜性，這個復(fù)雜性體現(xiàn)在哪里，我們總結(jié)了三點，第一個是難測量性，就是我們要知道電池比如說最簡單的像電池的SOC，這是不能直接測量的，像燃料電池我們要知道它的含水量，這也是不能直接測量的，這個地方我們是沒有辦法直接測量，所以我們要通過一些估計或者一些計算的方式來獲取。
第二，時變性，它內(nèi)部的狀態(tài)也好，內(nèi)部的特性參數(shù)也好，在使用的過程中并不是一成不變的，它是會發(fā)生變化的，這個時候就給我們的控制、設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。新電池是一個樣子，老電池是另外一個樣子，這個就是一些時變性的問題，這個會帶來壽命和安全的問題。
第三，空間分布性，我們從單個電極到單堆再到單系統(tǒng)，再到我的多極系統(tǒng)，在這個過程中空間維度在變大，空間維度變大的時候會導(dǎo)致內(nèi)部的物理量會發(fā)生一個分布的問題，這些分布的問題實際上會帶來我們設(shè)計和管控上一些新的挑戰(zhàn)，所以這個是系統(tǒng)自身復(fù)雜性所帶來的一些挑戰(zhàn)問題。
面對上述的這個挑戰(zhàn)，我們認(rèn)為設(shè)計和管控是實現(xiàn)高性能復(fù)合電源的關(guān)鍵，我們分別來看一下，首先是設(shè)計，我們至少可以從器件層面，就是單電池或者電片電源層面，從電源系統(tǒng)層面比如說我們單個的動力電池系統(tǒng)，或者單個燃料電池系統(tǒng)，以及從復(fù)合電源層面，比如說我們的動力電池跟燃料電池通過DCDC這種形成了復(fù)合電源層面，我們分別去進行優(yōu)化設(shè)計。
通過這個優(yōu)化設(shè)計，我們說期望的目標(biāo)是在電源本體層面上，我們要強化它的反應(yīng)過程，提高性能，在電源系統(tǒng)層面上我要去優(yōu)化它的集成設(shè)計。另外一個就是電源管控，如果我們用一句話，目前為止其實行業(yè)里面沒有人能對電池管理或者燃料電池控制下一個明確的定義。
我們在這里拋磚引玉，我們提一下我們自己對這個東西的定義，所謂的電源管控是什么，是在我可測量物理量的基礎(chǔ)之上，通過模型或者算法能夠獲取到電源的內(nèi)部狀態(tài)，同時去控制它的內(nèi)部狀態(tài)，從而使得它能夠高性能、高可靠地運行，這就是我們理解的電源管控。
所以從這個地方來看，實際上我們基于物理層的測量，比如說電壓、電流、溫度、壓力、流量等等，通過模型和算法我們要得到電源的內(nèi)部狀態(tài)，比如說像鋰電池的SOC，像燃料電池的含水量等等。得到這些內(nèi)部狀態(tài)之后，這些狀態(tài)作為我的反饋量，我要去對這些狀態(tài)進行一個優(yōu)化的管控，從而使得這個電池或者燃料電池工作在這樣一個合理的區(qū)間之內(nèi)，來提升它的性能，來保障它的安全和可靠性。
所以，電源管控的實質(zhì)實際上是兩個，一個是狀態(tài)的在線感知，第二個是狀態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控。我們通過這個電源的設(shè)計和管控，最終實際上我們希望能夠提升復(fù)合電源的功率，強化它的動態(tài)特性，優(yōu)化它的能效，提升耐流性，并且降低它的成本。
接下來我們再往下挖一層，設(shè)計和管控，我們面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)又是什么呢?首先來看一下設(shè)計，我們還是一樣，首先是在單電池這個層面上來看設(shè)計，我們傳統(tǒng)的電源設(shè)計實際上是從材料的實質(zhì)，到我們組成這個器件之后進行一個性能的表征，這中間有一個測試和優(yōu)化迭代的過程，實際上是這樣一個反復(fù)的過程，這個過程總體來講迭代比較慢，效率比較低，這是在單電池層面上。
在負(fù)荷電源層面，我說一下負(fù)荷電源系統(tǒng)本身并不是一個新概念，我們目前的燃料電池汽車?yán)锩鎸嶋H上都是用的這套系統(tǒng)，我們的設(shè)計一般是通過整車的需求，然后通過共識計算或者參數(shù)匹配，來設(shè)計我的燃料電池系統(tǒng)，來匹配我的電池等等這些東西。
總體來講也是一個比較偏經(jīng)驗化的設(shè)計方法，以上的這樣一個設(shè)計會導(dǎo)致我們在做復(fù)合電源系統(tǒng)設(shè)計的時候，存在成本高、迭代慢、單一優(yōu)化、時間尺度限制，以及多約束的這樣一些新問題。
在管控層面，我們面臨的挑戰(zhàn)，可以從兩個視角來看：一個就是信息視角，如何去獲取，我們說要獲取它的內(nèi)部狀態(tài)，怎么去獲取它的問題;第二個是管理視角，怎么去管理狀態(tài)問題。
從信息視角來看，有兩種基本方法，一種是直接測量的方法，就是基于測量或者基于觀察，第二個是基于模型或者基于計算的方法，來得到它的內(nèi)部狀態(tài)。如果是基于測量的方法，我們都知道目前的電源系統(tǒng)它是一個密閉的系統(tǒng)，我們在做的時候只能測到它的Y特性量，比如說工作電壓、工作電流、溫度、壓力等等，這都是外部的一些特性量。
所以我們說這是一個外部測量，這是一個間接測量，不知道內(nèi)部是什么樣子，而且總體來講信息維度比較低，特征提取比較困難。舉個例子，比如說我的膜含水量有一點點變化的時候，對這個燃料電池的單電壓到底有多大的影響，它的特征其實很不明顯，這是基于測量的問題。
第二，基于模型來計算，現(xiàn)在我們面臨的問題是缺乏可實用性的高精度模型，同時這個模型的參數(shù)獲取也比較困難，這個是信息視角，就是我如何獲取內(nèi)部信息的問題。第二個就是假設(shè)我的信息能獲取出來，從管理視角來看我又有什么樣的問題，我們的問題是一個目標(biāo)不優(yōu)，我的優(yōu)化區(qū)間到底在什么地方，這個地方優(yōu)化目標(biāo)是不優(yōu)的。
第二個由于我前面的信息視角獲取的難度，會導(dǎo)致我的反饋量不準(zhǔn)，實際上作為我們控制來講，其實兩個關(guān)鍵的，一個就是控制參考，實際上就是我的目標(biāo)，還有一個就是我的控制反饋，這兩個東西如果搞不定，那么我們的管理或者我的管控就會有問題，這是在單電源層面上我們面臨的挑戰(zhàn)。
在復(fù)合電源層面上，我們把兩個結(jié)合在一起，他們面臨的挑戰(zhàn)第一個是單一的電源或者模塊內(nèi)部，發(fā)生失效的時候如何去處理。第二個就是在多約束條件下，電源之間的功率如何去分配的問題。
有挑戰(zhàn)，同時我們也要看到電源設(shè)計管控，其實也面臨一些新的機遇，這個新的機遇有材料學(xué)的，有測量分析的，也有數(shù)據(jù)智能方面的。所以我們總結(jié)一下就是先進的表征技術(shù)和電子信息技術(shù)的進步，為復(fù)合電源的發(fā)展又帶來了一些新的機遇。
比如說表征技術(shù)，從材料級別到電極層面再到單體層面，再到系統(tǒng)層面，實際上現(xiàn)在有很多非常先進的表征技術(shù)，我們充分地去研究它的內(nèi)部發(fā)生什么樣的變化，以及內(nèi)部這些變化對Y特性有什么樣的影響，這是科學(xué)層面上的事。
另外一個就是目前的互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)、人工智能、先進傳感和電力電子技術(shù)，實際上給我們的復(fù)合電源帶來了數(shù)據(jù)上的賦能，從而給我們的設(shè)計和管控也帶來一些新的手段。基于這樣一個挑戰(zhàn)和趨勢，我們就提出了電化學(xué)數(shù)字電源的概念，這個概念當(dāng)然是我們自己提到的，可能不是很成熟，大家正好可以給我多提點建議。
所謂的電化學(xué)數(shù)字電源，我們是這么定義的，就是通過電化學(xué)技術(shù)，電子技術(shù)，以及控制技術(shù)的數(shù)字化應(yīng)用，來突破原有的電化學(xué)電源在設(shè)計、管控的技術(shù)范疇，逐漸演變成電化學(xué)數(shù)字氫電電源系統(tǒng)，這里面就包括電化學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)。
比如說，在電化學(xué)技術(shù)層面我們有機理的解析、理化分析和機理建模，在電子技術(shù)的層面我們有測量、通訊、電能變換和測網(wǎng)互動，在控制技術(shù)層面我們有狀態(tài)估計、性能預(yù)測以及智能控制等等。
接下來我們就來闡述一下氫電復(fù)合數(shù)字電源的技術(shù)內(nèi)涵，因為時間的限制，后面我就講的稍微快一點，主要包括數(shù)字化建模、數(shù)字化設(shè)計和數(shù)字化管控，數(shù)字化建模是基礎(chǔ)，這個地方建模的手段既然引用了數(shù)字化，我們就至少會有兩種建模手段，一個是機理建模，包括跨尺度這樣一個機理模型以及材料學(xué)的表征。
我們也可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式來建模，當(dāng)然會引入機器學(xué)習(xí)的方式和數(shù)據(jù)特征挖掘方法，通過數(shù)字化建模期望能夠?qū)崿F(xiàn)這樣一個目標(biāo)，向下能夠?qū)崿F(xiàn)電極機理的揭示，而向上我們應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，在建模的基礎(chǔ)之上，接下來看數(shù)字化設(shè)計和數(shù)字化管控，數(shù)字化設(shè)計通過虛擬優(yōu)化設(shè)計設(shè)計單電源層面的材料組份優(yōu)化以及系統(tǒng)部件的優(yōu)化，在符合電源層面上，通過智能匹配設(shè)計構(gòu)型，優(yōu)化狀態(tài)參數(shù)，所以通過數(shù)字化設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度的虛擬數(shù)字仿真，以及多目標(biāo)匹配的優(yōu)化設(shè)計。
接下來就是數(shù)字化管控，在單電源層面通過狀態(tài)在線檢測方法，通過策源融合感知的先進算法以及智能預(yù)測控制，來實現(xiàn)單電源的優(yōu)化管控。
在負(fù)荷電源層面，通過端網(wǎng)互動的未來預(yù)測來實現(xiàn)能量的分配優(yōu)化，從而實現(xiàn)電源的狀態(tài)感知閉環(huán)管控，以及車網(wǎng)互動的智能管理，接下來其實就是對上面的技術(shù)展開。
首先就是數(shù)字化建模，第一個就是機理建模。其實用的手段就是基于先進表征的電化學(xué)電源跨尺度建模，通過先進的表征手段來探究跨尺度的多物理場建模方法，來揭示電源內(nèi)部的電極過程。
當(dāng)然在這里面要提一下，無論是電力電池也好，還是燃料電池也好，在機理建模層面其實是有相似性的，取決于工作原理的相似性，所以它們有高度類似的電化學(xué)機理和建模的方式。
我們也提到了數(shù)據(jù)驅(qū)動建模，實際上是基于機器學(xué)習(xí)的方法來建立包含系統(tǒng)、電堆、單池多元的數(shù)據(jù)庫探究面向電源設(shè)計和管控的數(shù)字孿生模型。
在設(shè)計層面，從單池從符合電源系統(tǒng)，單池是基于數(shù)字孿生設(shè)計高性能的單體電池，當(dāng)然是用虛擬設(shè)計的方法。在系統(tǒng)的設(shè)計層面，主要是關(guān)注關(guān)鍵零部件的參數(shù)優(yōu)化以及它的構(gòu)型設(shè)計，而在符合電源層面主要是面向多應(yīng)用場景進行符合電源構(gòu)型設(shè)計以及接下來要說的參數(shù)匹配設(shè)計。
簡單說一點，現(xiàn)在有很多新型的電池比如說鈉離子電池，這些電池跟燃料電池有沒有符合的可能性，或者鋰離子電池鈉離子，就像上午有老師講的，通過不同電池的符合實現(xiàn)不同應(yīng)用場景的優(yōu)化，通過這樣數(shù)字化的設(shè)計手段可以探索一下。
第三個數(shù)字化的管控，我們首先提了第一個概念就是在單池層面，我們提出了一個基于無損傳感測量智能電池的概念，實際上就是在電池單體內(nèi)部，我們埋設(shè)相應(yīng)的傳感器實現(xiàn)內(nèi)部狀態(tài)的直接測量。
同時我們把原來測量的信息都是在時域里面，我們進一步提升緯度到頻域里面，就是剛剛我們?nèi)痱?qū)同時講的，我們把交流阻抗的信息引入到這樣的測量中。
在系統(tǒng)層面，基于車云協(xié)同實現(xiàn)多信息融合的狀態(tài)感知，從而進一步實現(xiàn)狀態(tài)的優(yōu)化管控。
在符合電源系統(tǒng)層面，我們要通過車云協(xié)同實現(xiàn)多目標(biāo)的能量管理，分配燃料電池和動力電池的功率。
最后總結(jié)一下關(guān)于電化學(xué)數(shù)字電源的技術(shù)形式，簡單來講電化學(xué)數(shù)字電源包括建模、設(shè)計和管控，在建模方面有白箱模型就是基于先進表征的電化學(xué)極力模型，以及黑箱模型基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型;
在數(shù)字化設(shè)計方面，有智能電源的單體或者模塊設(shè)計，有電源多參數(shù)的匹配優(yōu)化設(shè)計;
在數(shù)字化管控方面，有多維傳感融合狀態(tài)感知和優(yōu)化管控，有端云互動多目標(biāo)優(yōu)化能量管理。
我的分享就到這里，感謝各位專家。
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