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    戴威:燃料电池汽车动力系统关键技术发展现状及趋势

    2017-07-11 14:04:43 来源:本站原创字号:  

      非常荣幸今天有幸来给大家出这么一个报告。我今天站在这里非常忐忑不安,因为我属于班门弄斧,前面章桐老师已经作了非常详尽而深入的燃料电池技术发展和趋势,所以我非常紧张,下面我跟大家分享一下。

      我们先看一下燃料电池发动机产业的现状。今天如果我们到美国的加州,大家能看到和买到三款车,最便宜的是丰田未来这款车,只要349就能开回家,都不需要888。而且如果你是来购买的话,价格拿到补贴之后也只需要不到4万块钱。这是什么概念呢?美国的一个非常普通的中产阶级他很容易就能买到这款车,所以对燃料汽车来说,燃料汽车商业化的序幕已经开启。

      另外我想提到的是美国燃料电池公交车的示范项目,这是2016年最新的总结报告,在美国目前有21辆车正在路上每天进行示范运行。这是它截至2016年8月底的报告分析,其中有3个数据我想跟大家着重说一下。第一是这21辆车平均的运行时间已经超过了1.2万小时,最长的一辆也到了2.3万小时。刚才飞强也提到了,今天已经到了2.6万小时。另外一个,我想让大家注意的是这个成本,它的平均成本要200多万美金,所以在美国是非常贵的,这是实际每辆车的运行情况。它在2016年的时候已经非常接近DOE的目标了,DOE的终极目标是2.5万小时,最长的车已经非常接近。

      另外一个我想提醒大家注意的是,燃料电池公交车的平均故障,这个对于我们汽车运营的厂家来说,比方说公交车公司他是非常关注的。从美国燃料电池公交车实际运营的情况来看,我们可以说燃料电池出现的故障几率并没有我们想象得那么大,而且可以满足DOE系统可靠性的目标。

      下面给大家看一些图片。大家看这张图片可能会觉得很熟悉,这是特斯拉的电动车,其实不是的,这款车是2002年通用推出的最早的一个燃料电池的概念车,叫燃料电池滑板车,特斯拉后来抄袭了它的概念。这个车是把所有的燃料电池动力系统部件全部集中在底盘,就是一个滑板的形状,整个车身是可以更换的,这是它当时推出的一个燃料电池汽车的概念。

      它的氢气瓶是放在中间,这在2002年来说是一个非常前沿的设计。今天我们可以看到当时的概念车,到现在差不多都变成了现实。通用在燃料电池动力系统方面,其实以前一直是业界的领先者,我们可以看到燃料电池一代代发动机的体积越来越小,功率密度越来越高,但是因为受到08年金融危机的影响,非常可惜,通用把它行业领先的地位拱手让给了日本的丰田。这是丰田的这辆车,这个图都看到很多了,燃料电池系统是装在整个车座的底下,放在中间。这是动力系统打开的情况,放大的部分就是它的电堆使用钛板做的动力板,它整个的设计理念是放在前舱的设计结构。

      下面这两家公司是巴拉德和氢能公司,它采用方方正正的设计理念。美国和整车厂开发的思路有点相似,它是把传统商用车柴油机调出来,把燃料电池系统调出去,所以它把所有的零部件全部集中在一起,对柴油机进行了更换。从上面可以看到以本田为代表的燃料电池轿车发动机所追求的是高的电堆功率密度,而且它的功率数比较大,通常来说我们不得不采用金属管,耐久性大家的目标是5000小时。对商用车来说,它并没有追求很高发动机的功率密度,因为商用车上的空间是比较大的,它的总功率并没有乘用车的功率那么高,它用了石墨的双极板。它也采用了低压的方案,寿命目标是1万小时。

      下面我班门弄斧聊一聊动力系统的关键技术。它涉及到科学的门类特别多,燃料电池从总体上来说,它是一个多相、多尺度、动态复杂的系统,为什么说它是多相呢?它涉及到水、气和固体。为什么说多尺度呢?它的催化剂是纳米尺度,它的载体是微米尺度,它的流道是宏观尺度,是多相多尺度,而且是动态平衡,燃料电池不是在一个持续稳定的状态,它是有一定的功率变化,它在工作状态变化的时候,支持的操作条件也在变化,所以它始终在一个动态复杂平衡的状态下运行,所以想做好一个燃料电池的系统是非常难的,和我们的理念是相同的,难度要高一些。

      这是我们整个的系统,上面是氢气系统,下面是空气系统、冷却系统、电力系统。当我们装在车上的时候,动力系统主要是燃料电池的系统加上DC/DC,加上一些附件,加上动力电池进行电电混合,对动力电机进行驱动。

      我们在选择燃料电池动力系统的时候会碰到的第一个问题就是燃料电池究竟用多大的功率,我们这个功率的需求有很多种计算的方式,以轿车为例,我们计算的是它的需求功率,它在不同的速度下稳定持续输出的时候,它需要多少的功率。我们发现其实一般轿车在120功率每小时,它平均功率只需要32千瓦,30千瓦是能够满足大家的需要的。

      作为商用车来说,我们举了几个例子,都是在满载的情况下,我们在百公里运行的时候大概是分别需要9、86和112千瓦,这给我们做整个燃料电池系统设计,对燃料电池电功率怎么去选择的时候,给我们提供了一个选择的依据。

      这三张图讲的是电堆开发不同的思路。这动电堆的开发模式使用的是低压的系统,它的主要不同是一个整体单堆的设计,而且它的BOP,就是混电的系统是集成在端板上,这是一个不同的思路。对于乘用车的公司,比方说像丰田和本田,它们的设计思路就和前面两个的设计思路不一样,他们多数采用金属板,用独立的IP67封装,为了达到很高的功率密度必须要用高压的空气系统的模式。而且丰田是做了无增湿,这是它的专利技术。

      散热系统其实是很多人不够重视的一个系统,燃料电车的系统挑战,我们在实际做的过程当中遇到的挑战是挺大的,因为燃料电池在它的标准额定工况运行的时候,它的散热和它的电能差不多是1比1,怎么有效的把热散出去,如果环境温度到了50多度,因为温差很小,给散热造成了很大的困难,如何做好散热系统包括冷启动怎么综合利用燃料电池发出的热量是挺大的挑战。燃料电池控制器相对比较简单,一个是硬件的升级,另外要满足更多车用使用的需求、使用的标准,一个控制器来控制很多的附件,比方说风机、水棒、增湿系统等等。另外可以增加一些交流阻抗来测内阻的一些功能。

      对于DCDC来说,现在我们大多数在市面上使用的燃料电池DCDC都是非隔离式的DC,非隔离式和隔离式各有各的优缺点,DCDC把现在纯粹升压的装置变成一个和燃料电池密切相关的专用的DCDC,也就是说它会针对燃料电池开发很多特殊的功能,比方说以丰田为例,它的DCDC就具有燃料电池电堆含水量状态的功能,我们认为这样一个趋势也是未来发展的必然趋势。此外,还有一个可能的发展趋势就是整个的DCDC的电控系统和燃料电池的电控系统,以前我们电动车经常讲几合一,我们认为在未来的发展趋势来说,它整个的电控系统也会从多变成单一的控制模式。

      冷启动是我们燃料电池遇到的一个比较大的挑战。美国实验室做了一个很好的实验,我在这里想跟大家分享的一点,就是我们认为对于我们燃料电池汽车来讲,冷启动它是一个整车的问题,而不是单纯的燃料电池本身的问题。所以燃料电池本身具备低温下的储存和低温下启动的能力,另外从整车的角度上来讲,你怎么利用整车综合的热管理来减轻燃料电池冷启动压力?因为燃料电池是可以冷启动的,但是它的冷启动要付出代价,要么让燃料电池付出代价,要么通过系统整体的设计和一些旁边比较容易抗造的部分分担它的痛苦,达到整车冷启动的效果。另外我和整车厂讨论的过程中,对冷启动究竟有什么要求,他说很简单,5分钟的时候要达到50%的输出功率。然后我就问他,如果是零下30度,那么我们一个柴油车是不是点着5分钟就要开走?他说不是,首先要给整个柴油车暖机,大概15到20分钟,然后再打火。我说电动车呢?电动车在零下30度的时候也要给它加温保温,让它达到一个工作状态才开始启动。平常就要求燃油电车5分钟打着就能走吗?这个就有点过分了。洛伊我非常希望和整车厂一起探讨我们能够满足客户实际需求的,如果客户在实际的应用当中是可以接受15分钟或者20分钟来启动的,我是指商用车,乘用车不一样,其实这个冷启动的问题会容易解决很多,因为我们平时没有必要去追求那个最高精尖的技术,我提供的产品只要能满足我客户的需求就可以。

      下一个很重要的问题就是耐久性。我们从动力系统角度来说,其实它就是两个原则。第一个就是我们用优化的控制策略保证燃料电池尽量在一个它最适宜的工作区间来工作。第二个,通过控制尽量避免燃料电池不喜欢的这种条件下工作。对于动力系统这个层级来说就是这么两个基本原则。因为燃料电池本身的寿命,是由它的材料、MEA本身的特性决定的,它的天花板就是围绕着这个材料耐受5万个小时,MEA可以做到3万小时。从系统设计的角度来说,就是创造了一个合适的工作条件,来尽量保护燃料电池能够让它达到足够长的寿命。刚才宇通提出的寿命指标要求还是非常高,最少要达到5万小时。一个是从材料本身的角度我们可以一起去努力,另外我们是从整车系统的控制策略上来说,是可以实现的。
    材料寿命从系统的角度来说,我们要做的一个重要工作是我们的工矿条件对燃料电池寿命的影响,什么样的工作条件对燃料电池的寿命是有影响的。比方说最大的是起停的变化,负载循环的变化,比如说带速,比方说北京的PM2.5等等。我们通过分析这些工况条件进行整体设计,尽量避免这些不利的工况条件。

      下面讲讲发展趋势。以前我们做燃料电池的时候,通常是用一个自下而上的方式,我们做一个世界上最好的无电机,然后再做一个世界上最好的电堆,做一个最好的发动机,然后再把发动机装在整车上,我们就达到了世界领先的水平。但是这种自下而上的方式往往忽略了整车对燃料电池发动机系统的需求,流程也存在不规范的情况。而且燃料电池是存在多种衰减的模式,状态和工况又是一个耦合的关系,再加上环境特别复杂,有一定的随机性和复杂性,不能保证它是不是一脚油门踩到底。整个系统里面只要有一个短板,整个的发动机的动性来说就会严重受限。所以我们提出了一个什么呢,燃料电池发动机设计思路,从整车的角度来说做一个顶层的设计,对燃料电池提出需求。自底向上是根据它自身的特性和整车进行协调,有一些东西可以满足要求,有一些情况确实达不到,那么怎么样通过一个互相的妥协来达到一个平衡?所以我们就提出了V型快法模式。这个模式一个成功的范例就是丰田。比较失败的就是世界上某些著名的燃料电池电堆的开发企业,他认为自己的电堆是全世界最好的电堆,而没有考虑对整车燃料电池的需求。

      丰田采取了全功率的燃料电池的模式,为什么它会这么做呢?我们分析它整车的开发是基于现有的普锐斯动力平台来开发这辆车的,利用现有的零部件,或者是用稍微把现有零件做一些燃料电池专业的改进,这个是降低成本最好的方法。但是从燃料电池本身的角度来说,它是牺牲了燃料电池的一些特性,因为燃料电池是比较喜欢在持续稳定的状态下工作,它是不喜欢这种剧烈的工况的变化。丰田是出于整车设计的考虑,所以采取了这样一个技术路线。

      对于我们国家来说,我们国家燃料电池的开发其实并不是基于混合动力的平台而开发的,而是基于电动车的平台而开发的,我们要根据自己的优势和缺点来决定自己的开发路线,而不是完全照搬丰田的技术路线。我希望燃料电池与锂电池是一种电电混合的方式,燃料电池持续的输出它的一个平均功率,让电池来承担功率区别的变化,这个方式一个可以降低整车的成本,毕竟燃料电池目前还比较贵,我用一个比较小一点燃料电池的话,整个车的成本要降低。另外燃料电池是在一个持续稳定的状态下工作,所以它的寿命能够得到大大的延长,而且我们也可以利用很多现有电动车的供应链。

      从趋势上来讲,我们觉得燃料电池动力系统发展趋势首先应该基于市场,我们到底是谁、什么样的客户有这样的需求,这个客户的痛点在哪里,为什么他愿意付出额外的钱来解决他的痛点。我们认为现在比较好的可能的应用领域,像燃料电池客车、物流车、特种车和乘用车,而且我们要充分为客户来考虑,他无非关心两个,一个是成本一个是寿命,成本也包括两个,一个是买不买得起,第二是用不用得起。所以我们整车包括动力系统开发应该是随着我们技术的进步的阶段而采取不同的技术路线,来满足当时客户的需求,当未来燃料电池技术很成熟了,我们当然可以做比较大的燃料电池,或者它的寿命已经做得很长了,我们可以采取全功率的方式,但是在过渡阶段,我们要根据现有的技术推出一个客户能够接受产品,而且能解决客户痛点的产品,这样才能够通过商业化的手段和国家政策大方向的支持的结合,使得燃料电池客车有一个可持续的发展。大家不要闭门造车,究竟采取什么样的模式,我怎么去一步步提高我的功率密度,我怎么样去简化整个的系统,这个系统简化并不光光指的是燃料电池的简化,和整车的热管理是不是可以结合起来,是不是可以提升BOP的系统。另外一个很重要的核心技术,我认为就是控制策略,控制策略是一个软的东西,我对燃料电池究竟有多深的了解,我有什么样的控制条件来控制燃料电池的运行,我怎么样诊断发现我可能潜在的问题,出现了问题我怎么去辨识它,这是一个非常关键的核心技术。从燃料电池本身的发展趋势来讲,我们认为它一定会有高功率的方式去发展,目前30千瓦可以满足需求,但是未来功率会越来越高,我们会从石墨板发展到金属板,我们选择低压还是选择高压的技术路线,是根据客户的需求来运营,如果低压他能够接受,而且体积也很小,成本也比较低,为什么不能采用这种方式呢?另外未来一定会低成本和国产化。

      讲一讲我们的挑战,一个是与整车厂需求的沟通与顶层设计,还有电电混合的动力匹配,还有热管理系统,冷启动解决方案(与电池和整车厂配合),整车布置优化。还有一个很大的挑战是关键零部件,比如说空压机/风机等等都是很大的挑战。另外一个很大的挑战是市场的需求与产品的定位,我们究竟要开发一个什么样的动力系统,这个动力系统是给谁来使用的,我们的补贴政策很多城市都没有明确,另外补贴政策3万公里的要求,给整车厂造成了很大的压力。另外就是找到合适的商业模式,燃料电池的推广不是为了推广而推广,而是说我们在某些特定的场景找到一个合适的商业模式,让它自身通过市场的力量持续发展下去,早期的时候通过国家的补贴政策和扶持可以让它扶上马送一程,但是最后还是要依靠市场的力量。

      我今天的报告就到这里,谢谢大家。

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