燃料電池混合動力汽車將成為我國未來發(fā)展方向
日期：2024-11-29 21:30:29 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：3681. 引言
當前，全球能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴重，氫能和燃料電池是未來重要發(fā)展方向和趨勢，燃料電池汽車被認為是未來新能源汽車的終極選擇。國務(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，中央財政將投入1000 億元用于扶持新能源汽車產(chǎn)業(yè)。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》重點提出了對燃料電池汽車整車設(shè)計、集成和制造技術(shù)，動力系統(tǒng)集成與控制技術(shù)，汽車計算平臺技術(shù)，高效低排放內(nèi)燃機、燃料電池發(fā)動機等關(guān)鍵部件的技術(shù)規(guī)定。《中國制造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，對燃料電池關(guān)鍵材料的研發(fā)提出了技術(shù)目標。
2. 燃料電池混合動力汽車
針對燃料電池電壓電流輸出特性及動態(tài)響應(yīng)滯后的特點，基于城市公交大客車運行時，驅(qū)動與制動功率波動頻率高、幅度大以及長續(xù)駛里程的總驅(qū)動與制動能量較大等工況特點和難點，以清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室為主的氫燃料電池客車動力系統(tǒng)研發(fā)團隊，率先提出并研制成功燃料電池加動力電池的電-電混合動力系統(tǒng)。
燃料電池混合動力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動力源、DC/DC變換器等部件。燃料電池系統(tǒng)作為車輛常規(guī)運行時的主要動力源，為車輛的常規(guī)運行提供所需能量;輔助動力源為蓄電池或超級電容器，提供車輛在啟動、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，同時能夠減小對燃料電池的沖擊，提高燃料電池的壽命。
通常，根據(jù)燃料電池混合動力系統(tǒng)動力源裝置的搭配方案以及它們與電機驅(qū)動系統(tǒng)之間的連接方式來定義系統(tǒng)構(gòu)型。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)是否與電機控制器直接相連分為直接燃料電池混合動力系統(tǒng)和間接燃料電池混合動力系統(tǒng)。
(1) 直接燃料電池混合動力系統(tǒng)
圖1為直接燃料電池混合動力系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)直接與電機控制器相連，同時，使用蓄電池或者超級電容作為輔助動力裝置，并且蓄電池組(超級電容)和動力系統(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力系統(tǒng)
(2) 間接燃料電池混合動力系統(tǒng)
圖2為間接燃料電池混合動力系統(tǒng)。在燃料電池系統(tǒng)前面使用單向DC/DC變換器來對燃料電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)進行電壓匹配，并對燃料電池系統(tǒng)的輸出功率進行控制，輔助動力源裝置選用蓄電池組或超級電容，并直接與直流母線相連接。
圖2 間接燃料電池混合動力系統(tǒng)
燃料電池直接驅(qū)動構(gòu)型中，為滿足車輛良好的動力性，燃料電池動力系統(tǒng)(FCE)必須具有良好的動態(tài)特性和V-I特性，同時，為避免FCE瞬時大功率放電導(dǎo)致的母線電壓過低而損壞燃料電池堆，F(xiàn)CE的額定功率取值也相對偏高。
燃料電池間接驅(qū)動構(gòu)型中，由于DC/DC變換器的作用，實現(xiàn)了FCE與儲能系統(tǒng)(ESS)的功率耦合和電壓隔離，有利于對燃料電池動力系統(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)濟實用的混合動力系統(tǒng)構(gòu)型。
3. 燃料電池混合動力汽車發(fā)展優(yōu)勢
(1) 能夠提高燃料電池的使用壽命
燃料電池混合動力汽車是燃料電池與動力電池混合，動力電池提供車輛啟動、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，使燃料電池運行工況基本不變，負載變化較小，輸出功率平穩(wěn)，對燃料電池的瞬時沖擊小，能夠大大提高燃料電池的使用壽命。動力電池作為燃料電池混合動力汽車的輔助動力源，可以通過控制動力電池的充放電功率，提高動力電池的使用壽命。
(2) 規(guī)模越大，成本越低
依據(jù)當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)模不斷擴大，成本有望逐步下降。
(3) 提高市場競爭力
工信部、財政部、科技部和發(fā)改委《新能源汽車推廣補貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中對燃料電池乘用車實行20萬元/輛補貼，輕型貨車、客車30萬元/輛補貼，大型客車、中重型貨車50萬元/輛的補貼，純電動大巴汽車將在2019年會有退坡政策，這樣燃料電池混合動力汽車將具有很大的市場競爭力。
(4) 加注時間短，續(xù)航里程長
燃料電池混合動力汽車加氫時間短，一般為3~5min，續(xù)航里程可達到500km以上，遠遠超過了傳統(tǒng)純電動汽車的續(xù)航里程。
4. 燃料電池混合動力汽車發(fā)展現(xiàn)狀
4.1國內(nèi)燃料電池混合動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)主流整車廠開發(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力系統(tǒng)，用氫燃料電池搭配一定功率的動力電池作為車輛動力源。氫燃料電池混合動力系統(tǒng)最先在客車進行示范推廣和商業(yè)化應(yīng)用。
宇通最新一代燃料電池城市客車采用電-電混合動力系統(tǒng)，配備了額定功率為30kW的燃料電池系統(tǒng)同時搭載40-60kWh鋰離子動力電池，車身頂部設(shè)置了8個140L的氫瓶，續(xù)駛里程超過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臺頂置30kW燃料電池電堆、4個頂置氫瓶和40kWh鋰離子電池所構(gòu)成，續(xù)航里程可以達到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力系統(tǒng)，預(yù)計2017年全部交付運營。
佛山飛馳開發(fā)的燃料電池客車配置60kW燃料電池電堆，輔助配備36kWh鋰離子動力電池，勻速行駛時續(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力系統(tǒng)，其中燃料電池由大連新源動力股份有限公司提供，鋰離子動力電池由上海航天電源技術(shù)有限責任公司提供，續(xù)航里程大于400km，最高時速可達到160km/h。
4.2國外燃料電池混合動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
國外市場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。不同于我國燃料電池混合動力系統(tǒng)中動力電池的作用，Mirai和Clarity配備的鎳氫電池/鋰離子電池主要起到啟動點火和回收制動能量的作用。
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)合開發(fā)，新車將于2017年上市，前期將僅在日本和美國加州投放。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，兩個儲氫罐儲存的能量可提供約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)航里程可以達到600km。
現(xiàn)代在2017年日內(nèi)瓦車展，對外公布下一代燃料電池計劃，預(yù)計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，將動力效率提升10%，燃料電池功率密度增加30%，車重降低20%，從而使續(xù)航里程進一步提升，達到800km。
5. 國內(nèi)外混合動力系統(tǒng)的比較分析
國內(nèi)燃料電池混合動力汽車采用的是小功率的燃料電池搭載大功率的動力電池，與國外大功率的燃料電池搭載小功率的動力電池不同，除了國內(nèi)燃料電池技術(shù)與國外還有一定的差距的原因外，動力系統(tǒng)匹配不同在于運行工況有較大的區(qū)別。國外城市客車行駛速度較高，加速時間短，正常運行時所需的功率較高，配備大功率的燃料電池可以保證其正常運行，同時能夠提供其加速所需的瞬間功率。目前，國內(nèi)燃料電池客車主要運用于公交車，運行速度在40km/h以內(nèi)，動力系統(tǒng)所需功率不高，配備小功率燃料電池不但可以滿足其運行需求，而且可以降低整車成本，滿足現(xiàn)有市場需求。隨著國內(nèi)燃料電池技術(shù)的不斷提高，成本下降，國內(nèi)的燃料電池混合系統(tǒng)也將實現(xiàn)大功率燃料電池乃至全功率燃料電池的終極目標。
表1所示是國內(nèi)外燃料電池客車參數(shù)表。如德國戴姆勒奔馳客車其燃料電池功率為2×60kW，搭載的動力電池能量為26kWh。宇通客車燃料電池功率為60kW，而搭載的動力電池容量為60kWh。
表1 國內(nèi)外燃料電池客車參數(shù)表
國內(nèi)的燃料電池混合動力系統(tǒng)搭載較大容量的動力電池，在基本性能與國外車輛相當?shù)耐瑫r，整車成本僅為國外的1/3~1/6，與純電動車成本相當，為我國燃料電池客車的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
6. 結(jié)語
燃料電池作為一種新型清潔能源，經(jīng)過半個多世紀的研發(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，受到各國政府的廣泛關(guān)注和政策的大力支持。燃料電池混合動力汽車以其能量利用率高、環(huán)境友好、續(xù)航里程長等優(yōu)勢而成為未來的發(fā)展方向。特別是目前國內(nèi)用燃料電池搭配較大容量的動力電池作為車輛動力源的燃料電池混合動力系統(tǒng)，適合我國的國情及產(chǎn)業(yè)化的需求。