燃料電池混合動(dòng)力汽車將成為我國(guó)未來(lái)發(fā)展方向
日期：2024-11-24 16:16:25 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：3681. 引言
當(dāng)前，全球能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，氫能和燃料電池是未來(lái)重要發(fā)展方向和趨勢(shì)，燃料電池汽車被認(rèn)為是未來(lái)新能源汽車的終極選擇。國(guó)務(wù)院在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》明確了至2020 年，中央財(cái)政將投入1000 億元用于扶持新能源汽車產(chǎn)業(yè)。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》重點(diǎn)提出了對(duì)燃料電池汽車整車設(shè)計(jì)、集成和制造技術(shù)，動(dòng)力系統(tǒng)集成與控制技術(shù)，汽車計(jì)算平臺(tái)技術(shù)，高效低排放內(nèi)燃機(jī)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的技術(shù)規(guī)定?！吨袊?guó)制造2025》明確提出了燃料電池汽車及其關(guān)鍵部件的技術(shù)路線圖，對(duì)燃料電池關(guān)鍵材料的研發(fā)提出了技術(shù)目標(biāo)。
2. 燃料電池混合動(dòng)力汽車
針對(duì)燃料電池電壓電流輸出特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后的特點(diǎn)，基于城市公交大客車運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)功率波動(dòng)頻率高、幅度大以及長(zhǎng)續(xù)駛里程的總驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)能量較大等工況特點(diǎn)和難點(diǎn)，以清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為主的氫燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，率先提出并研制成功燃料電池加動(dòng)力電池的電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)。
燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動(dòng)力源、DC/DC變換器等部件。燃料電池系統(tǒng)作為車輛常規(guī)運(yùn)行時(shí)的主要?jiǎng)恿υ?，為車輛的常規(guī)運(yùn)行提供所需能量;輔助動(dòng)力源為蓄電池或超級(jí)電容器，提供車輛在啟動(dòng)、加速、爬坡等特殊工況下所需功率。如此，既能保證車輛在不同工況下所需的能量，同時(shí)能夠減小對(duì)燃料電池的沖擊，提高燃料電池的壽命。
通常，根據(jù)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源裝置的搭配方案以及它們與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的連接方式來(lái)定義系統(tǒng)構(gòu)型。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)是否與電機(jī)控制器直接相連分為直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。
(1) 直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)
圖1為直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)直接與電機(jī)控制器相連，同時(shí)，使用蓄電池或者超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力裝置，并且蓄電池組(超級(jí)電容)和動(dòng)力系統(tǒng)的直流母線之間使用雙向DC/DC變換器。
圖1 直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)
(2) 間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)
圖2為間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。在燃料電池系統(tǒng)前面使用單向DC/DC變換器來(lái)對(duì)燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行電壓匹配，并對(duì)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行控制，輔助動(dòng)力源裝置選用蓄電池組或超級(jí)電容，并直接與直流母線相連接。
圖2 間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)
燃料電池直接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，為滿足車輛良好的動(dòng)力性，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)(FCE)必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性和V-I特性，同時(shí)，為避免FCE瞬時(shí)大功率放電導(dǎo)致的母線電壓過(guò)低而損壞燃料電池堆，F(xiàn)CE的額定功率取值也相對(duì)偏高。
燃料電池間接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，由于DC/DC變換器的作用，實(shí)現(xiàn)了FCE與儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的功率耦合和電壓隔離，有利于對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，在目前燃料電池的技術(shù)水平下，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型。
3. 燃料電池混合動(dòng)力汽車發(fā)展優(yōu)勢(shì)
(1) 能夠提高燃料電池的使用壽命
燃料電池混合動(dòng)力汽車是燃料電池與動(dòng)力電池混合，動(dòng)力電池提供車輛啟動(dòng)、加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，平均功率由燃料電池提供，使燃料電池運(yùn)行工況基本不變，負(fù)載變化較小，輸出功率平穩(wěn)，對(duì)燃料電池的瞬時(shí)沖擊小，能夠大大提高燃料電池的使用壽命。動(dòng)力電池作為燃料電池混合動(dòng)力汽車的輔助動(dòng)力源，可以通過(guò)控制動(dòng)力電池的充放電功率，提高動(dòng)力電池的使用壽命。
(2) 規(guī)模越大，成本越低
依據(jù)當(dāng)前燃料電池汽車路線圖，到2020年有望發(fā)展到1千輛，燃料電池成本與規(guī)模有很大的關(guān)系，規(guī)模越大，成本越低。如燃料電池汽車與320~350kwh的純電動(dòng)汽車成本基本持平。隨著燃料電池逐步產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，成本有望逐步下降。
(3) 提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力
工信部、財(cái)政部、科技部和發(fā)改委《新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中對(duì)燃料電池乘用車實(shí)行20萬(wàn)元/輛補(bǔ)貼，輕型貨車、客車30萬(wàn)元/輛補(bǔ)貼，大型客車、中重型貨車50萬(wàn)元/輛的補(bǔ)貼，純電動(dòng)大巴汽車將在2019年會(huì)有退坡政策，這樣燃料電池混合動(dòng)力汽車將具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
(4) 加注時(shí)間短，續(xù)航里程長(zhǎng)
燃料電池混合動(dòng)力汽車加氫時(shí)間短，一般為3~5min，續(xù)航里程可達(dá)到500km以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。
4. 燃料電池混合動(dòng)力汽車發(fā)展現(xiàn)狀
4.1國(guó)內(nèi)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)主流整車廠開(kāi)發(fā)的燃料電池客車、物流車、乘用車等均采用燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，用氫燃料電池搭配一定功率的動(dòng)力電池作為車輛動(dòng)力源。氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)最先在客車進(jìn)行示范推廣和商業(yè)化應(yīng)用。
宇通最新一代燃料電池城市客車采用電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)，配備了額定功率為30kW的燃料電池系統(tǒng)同時(shí)搭載40-60kWh鋰離子動(dòng)力電池，車身頂部設(shè)置了8個(gè)140L的氫瓶，續(xù)駛里程超過(guò)300km，每一次加氫只需要10-15min。
福田歐輝8.5米氫燃料電池客車由1臺(tái)頂置30kW燃料電池電堆、4個(gè)頂置氫瓶和40kWh鋰離子電池所構(gòu)成，續(xù)航里程可以達(dá)到350km。2016年福田汽車獲得世界最大氫燃料電池客車商業(yè)化訂單，其采用億華通氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2017年全部交付運(yùn)營(yíng)。
佛山飛馳開(kāi)發(fā)的燃料電池客車配置60kW燃料電池電堆，輔助配備36kWh鋰離子動(dòng)力電池，勻速行駛時(shí)續(xù)航里程大于300km。
上海榮威 950氫燃料電池乘用車使用氫燃料混合動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池由大連新源動(dòng)力股份有限公司提供，鋰離子動(dòng)力電池由上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司提供，續(xù)航里程大于400km，最高時(shí)速可達(dá)到160km/h。
4.2國(guó)外燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外市場(chǎng)以燃料電池乘用車為主，日本豐田已于2014年12月推出了世界首款量產(chǎn)的氫燃料電池汽車 “Mirai”，其續(xù)航里程近500km。
2015年10月在東京車展上，本田正式發(fā)布了旗下氫燃料電池車型FCV的量產(chǎn)車型—Clarity，可提供700km的最大續(xù)航里程，并已于2016年上市。不同于我國(guó)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池的作用，Mirai和Clarity配備的鎳氫電池/鋰離子電池主要起到啟動(dòng)點(diǎn)火和回收制動(dòng)能量的作用。
2016年6月，奔馳推出了一款全新氫燃料電池概念車—GLC fuel-cell，由奔馳與福特聯(lián)合開(kāi)發(fā)，新車將于2017年上市，前期將僅在日本和美國(guó)加州投放。奔馳GLC fuel-cell是第一款可外接充電的氫燃料電池車型，搭載了一套8kWh的電池組，兩個(gè)儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存的能量可提供約451km的續(xù)航里程，而搭載的電池組則可以提供約48km的續(xù)航里程，新車的總續(xù)航里程可以達(dá)到500km。
奧迪分別于2014年和2016年發(fā)布了兩款氫燃料電池概念車，A7 Sportbackh-tronquattro 以及 h-tronquattro 概念SUV。據(jù)奧迪官方介紹， h-tronquattro 采用了大眾第五代燃料電池技術(shù)，可在4min內(nèi)充滿氫氣，續(xù)航里程可以達(dá)到600km。
現(xiàn)代在2017年日內(nèi)瓦車展，對(duì)外公布下一代燃料電池計(jì)劃，預(yù)計(jì)搭載第四代燃料電池技術(shù)的車型將在2018年推出，第四代氫燃料電池技術(shù)是基于ix35 FCV技術(shù)上而改進(jìn)，將動(dòng)力效率提升10%，燃料電池功率密度增加30%，車重降低20%，從而使續(xù)航里程進(jìn)一步提升，達(dá)到800km。
5. 國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力系統(tǒng)的比較分析
國(guó)內(nèi)燃料電池混合動(dòng)力汽車采用的是小功率的燃料電池搭載大功率的動(dòng)力電池，與國(guó)外大功率的燃料電池搭載小功率的動(dòng)力電池不同，除了國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)與國(guó)外還有一定的差距的原因外，動(dòng)力系統(tǒng)匹配不同在于運(yùn)行工況有較大的區(qū)別。國(guó)外城市客車行駛速度較高，加速時(shí)間短，正常運(yùn)行時(shí)所需的功率較高，配備大功率的燃料電池可以保證其正常運(yùn)行，同時(shí)能夠提供其加速所需的瞬間功率。目前，國(guó)內(nèi)燃料電池客車主要運(yùn)用于公交車，運(yùn)行速度在40km/h以內(nèi)，動(dòng)力系統(tǒng)所需功率不高，配備小功率燃料電池不但可以滿足其運(yùn)行需求，而且可以降低整車成本，滿足現(xiàn)有市場(chǎng)需求。隨著國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)的不斷提高，成本下降，國(guó)內(nèi)的燃料電池混合系統(tǒng)也將實(shí)現(xiàn)大功率燃料電池乃至全功率燃料電池的終極目標(biāo)。
表1所示是國(guó)內(nèi)外燃料電池客車參數(shù)表。如德國(guó)戴姆勒奔馳客車其燃料電池功率為2×60kW，搭載的動(dòng)力電池能量為26kWh。宇通客車燃料電池功率為60kW，而搭載的動(dòng)力電池容量為60kWh。
表1 國(guó)內(nèi)外燃料電池客車參數(shù)表
國(guó)內(nèi)的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)搭載較大容量的動(dòng)力電池，在基本性能與國(guó)外車輛相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，整車成本僅為國(guó)外的1/3~1/6，與純電動(dòng)車成本相當(dāng)，為我國(guó)燃料電池客車的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
6. 結(jié)語(yǔ)
燃料電池作為一種新型清潔能源，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研發(fā)，技術(shù)逐步趨向成熟，特別是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用空前飛速，受到各國(guó)政府的廣泛關(guān)注和政策的大力支持。燃料電池混合動(dòng)力汽車以其能量利用率高、環(huán)境友好、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)而成為未來(lái)的發(fā)展方向。特別是目前國(guó)內(nèi)用燃料電池搭配較大容量的動(dòng)力電池作為車輛動(dòng)力源的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，適合我國(guó)的國(guó)情及產(chǎn)業(yè)化的需求。