王晓华日本 IND4汽车人平台4月9日“燃料电池”沙龙——来自王晓华博士的分享

编者说【4月9号燃料电池】主题沙龙邀请两位嘉宾分享了他们各自团队在燃料电池动力系统研发过程的心得。今天由王晓华博士将沙龙内容成文与大家分享。下载IND4汽车人APP立即关注王博士,即时掌握燃料电池前沿技术动态!

作者简介

王晓华:IND4汽车人资深注册用户。上海燃料电池汽车动力系统有限公司技术总监。

非常高兴和大家做一个技术交流,我是上海燃料电池汽车动力系统有限公司的王晓华,上燃成立的时间是2001年12月14日,到今年是16年。我2016年7月加入上燃动力,现在担任技术总监一职。上燃是应国家 “863计划电动汽车重大专项”提出的实现电动汽车重大专项产品化和产业化目标而诞生,由上海汽车工业(集团)总公司、上海同济企业管理中心、上海科技投资公司、上海工业投资(集团)公司、信息产业部电子第二十一所及自然人共同出资建成。

上燃动力成立之初就专注于研究燃料电池动力系统,当时新能源汽车还是一个很超前的概念。我们做得比较早,供应商非常少,包括电机、锂电池、电控、DCDC等等核心零部件及系统都需要自主开发,伴随着国家新能源产业的发展成长的很多企业,都是我们的合作伙伴和供应商。

上燃动力的技术服务包括:三个大方面,一是动力系统集成与控制,包括燃料电池“电电混合”及纯电动两大类型动力系统的集成、匹配和测试,二是新能源汽车控制策略开发,包括动力系统控制策略开发、ECU控制算法平台开发等,三是燃料电池及纯电动车辆运营,包括示范运行的运营保障、技术支持、远程数据的采集以及燃料电池汽车的加氢、维护等保障服务。

从最早2001年~2005年超越1号、超越2号和超越3号的桑塔纳车型,到2006~2010年“创新一代燃料电池轿车动力系统平台研发和应用示范”,推广应用于纯电动和“电电混合”轿车、客车以及微型车,在这个过程中我们夯实了燃料电池“电电混合”的技术的基础,同时也积累了丰富的项目经验。

在这期间,上燃动力承担了2008年北京奥运会24辆“电电混合”燃料电池领驭轿车的示范应用项目,该车型用作马拉松比赛引导车和招待国家元首及重要来宾的车辆用车。由于出色的完成了项目,受到了国家科技部及上海市政府的嘉奖。奥运会之后我们选了16辆燃料电池轿车送到美国加州进行为期半年的示范运营,用以测试车辆的可靠性、稳定性。

2010年上海世博会期间,上燃动力承担了100辆观光车、70辆轿车(车型包括上汽荣威、大众领驭、一汽奔腾B50、长安志翔和奇瑞东方之子)、3辆大巴的燃料电池“电电混合”系统开发、车辆试制以及示范运营。其中,70辆轿车平均里程2示范788公里,单车最大运行里程6565公里;100辆观光车,平均里程5786km。这是到现在为止国内最大幅度、最高强度的燃料电池车辆示范运营,我们的收获也非常大的。

深圳大运会期间,上燃动力负责动力系统研发和动力系统总成研制,包括2辆城市客车,60燃料电池观光车,持续运营了2年左右的时间。

世博会之后,国内对于新能源汽车的发展路线产生了分歧,纯电动的声音越来越大。之后很长一段时间燃料电池的政策比较淡,民间资本的关注也是非常少的,技术路线也一直在变化,在世博会和奥运会期间以开发大功率燃料电池为主,45KW甚至更高级别的功率,第一技术成熟度不足,第二成本太高,50KW以上的成本可能要将近上百万,所以开始考虑小功率的燃料电池增程模式,纯电动主要解决短途的应用,燃料电池提供长途续航。

在这些方面,我们做了很多尝试,比如2012年~2014年,上燃动力联合同济、北理、清华等单位共同参与了一个中德合作项目,开发了一款动力系统原型车,分布式驱动的增程燃料电池的跑车,前轮轮毂电机,后轮轮边电机,集成25千瓦燃料电池增程器。还有近期将在上海嘉定区邮政系统进行的示范运营30辆燃料电池物流车。

小结一下:“十二五”之前燃料电池主要还是以小规模研发、技术积累和示范运营为主,并没有实现真正意义上产业化。相比于丰田和本田,这里特别要提的是上汽,“十二五”期间上汽的投入大量资金和人员做燃料电池轿车的产业化,一直坚持在做这件事情,非常不容易。

燃料电池系统本质上是一个发电系统。从系统集成的角度说,需要做到长寿命、低成本、高集成度、高可靠性和高性能,这里面涉及到的技术也比较多。电堆作为核心零部件,直接影响燃料电池系统的各项性能,同时还有向燃料电池提供空气、氢气的氢-空辅助系统。

空气辅助系统通过压缩机及增湿器,把空气带到堆内;氢气辅助系统将氢气由氢瓶逐级减压,送达电堆。氢-空辅助系统作用是非常重要的,它控制着堆内的温度、湿度、压力的平衡,也决定着系统的使用寿命。

从燃料电池本身的成本来讲,以前大家认为最贵的是铂金催化剂,现在铂金的用量已经非常小了,基本上可以做到与燃油车用三元催化剂中的铂金含量相当。双极板和质子交换膜,以前是石墨板为主,现在主流发展方向是金属板,金属板的材料成本非常低,但是它贵在什么地方呢?主要是工艺上,我们研究过丰田的双极板,它的流道非常细腻,工艺上做得很好,将来实现批量之后,不管双极板还是质子交换膜,价格都将会大幅下降。

其它核心零部件如空气压缩机、增湿器、回氢泵等,还是非常值得去研究的。

空压机本身就是一个工业产品,燃料电池系统对于内部工作环境要求很高,空气进去之后如果有了一些杂质,特别是一些油类的东西,会有一些影响,无油压缩机在技术上有一定的难度。另外增湿器,进堆之前需要给空气加湿,要想达到一个好的效率,在氢气侧也需要一定的湿度。通过增加回氢装置,提高氢气利用率,也可以对氢气侧湿度有一些帮助。

从整车的角度来说,燃料电池动力系统从能量管理策略来说,基本上是分三种,第一种负载补偿型,燃料电池系统提供缓慢平均功率,剩下的由锂电池做补充,燃料电池系统功率相对恒定,不实时跟随。第二种是负载跟随型,根据整车的能量需要,燃料电池输出功率实时跟随。另外一种是增程式,我们定义增程式是指锂电池可以满足所有动力特性,燃料电池只是用来增程的,不影响动力性。

负载补偿型方案,例如世博会期间我们所研制的燃料电池版上汽荣威,燃料电池系统输出45KW的功率。该车型整车总布置充分利用车身空间,最小限度的更改车身结构的前提下完成燃料电池系统的布置。车身中部是电堆,中地板部位是氢气的辅助系统,后置两个74L氢瓶,空气系统、燃料电池控制系统、冷却系统等布置在了前舱。

我们自主研发的PCU是总控单元,包括整车控制器、电机控制器等,冷却水泵需要满足燃料电池系统扬程和流量的要求。

负载跟随型例如丰田Mirai,燃料电池最大输出功率114KW,驱动电机最大功率113KW,燃料电池系统能够满足整车动力特性。Mirai采用的电堆能量密度达3.1KW/L,供氢采用75MPa的氢瓶。

增程式燃料电池的应用,例如我们所做的燃料电池物流车,由于受到车型空间的限制,我们采取了中置后驱的方案,APU位于座椅下方,其后是集成了电机控制器和DC/DC的一体化PCU和高压接线盒,传动轴两侧布置了氢瓶。

我们做了纯电动版和燃料电池版两个版本进行技术对比,燃料电池最高续程240Km,增加氢瓶可以跑到四五百公里。小功率燃料电池可以用于无人机,我们现在有一些接触,据报道大疆也在开发燃料电池的无人机,使之具备更长的续航里程。

燃料电池电电混合的方案设计,包括整车的功率需求,经过整车总布置、燃料电池系统原理图设计,燃料电池系统集成设计、燃料电池系统测试、整车及系统仿真分析、电安全及氢安全测试等环节。燃料电池系统集成设计包括电堆的测试、零部件选型开发、控制器开发等,氢-空辅助系统设计、冷却系统设计等方面。

氢气辅助系统的原理图看似简单,从氢瓶到电堆,当中涉及到很多种类的阀门,不但要实现减压,还要实现泄露的检测以及报警反应,也就是氢安全的问题。

针对燃料电池整车安全我们设置了不同故障等级,分为4级预警机制。第4级危险系数较低的情况,系统会发出相关预警提示,第3级故障将被限制功率输出,待故障修复或尽快缓行至维修点。如果涉及到2级和1级紧急故障,会要求采取系统强制停机、紧急制动、切断电源等处理方式。

燃料电池“电电混合”动力系统的智能控制技术,是根据燃料电池“电电混合”动力方案的要求编制整车的控制策略,以满足车辆最终性能的要求,使动力性、安全性以及驾驶舒适性协调统一。上燃动力开发的控制器主要有整车控制器、氢气管理单位、燃料电池系统控制单元、热管理单元等。

上燃动力自主设计了系统及核心零部件的测试平台和测试软件。具备系统级的测试能力,后续上燃动力还将加大系统级和核心零部件检验检测能力的建设投入。上燃动力和同济大学在“燃料电池国家重大仪器专项”开展合作,实验室包括一个主控室、电堆和单体的测试、FCE部件性能及匹配测试室、振动台、三综合环境仓、半消声室、动力测功机等。

上燃动力具备丰富的燃料电池汽车运营保障经验。车上的运行数据经远程监控通过基站再上传到后台,进行远程诊断,实现对整车及系统的监测,同时支持零部件故障率的统计和数据分析,进行针对性的维修、维护和保障。

补贴方面国内主要是针对车辆进行补贴,2017年的新能源补贴标准,燃料电池乘用车中巴大巴分别可以拿到20万、30万、50万不同等级的国补。但是国外的补贴不光局限于车,对于车辆运营通行费、燃料费和加氢站也有补贴。

加氢站的成本是非常高的,国内的对于加氢站的补贴不是很明朗,对于安防的要求也非常严格,国内现在已建成的加氢站只有5座,上海有1座,70MPa的加氢站只有一座在大连,数量远远赶不上日本、欧美等地区,今年广东江苏等省市和地区出台了很多支持政策,上海也在积极进行相关规划,到2020年上海拟建设50座加氢站,保障燃料电池车辆的加氢需求。

今天就分享到这来,谢谢大家。

叶磊:刚才王博士讲的,大家有疑问可以提问。

提问:我是做分布式能源光伏、储能、充电桩一类项目开发和投资的,我想问一下,我们这个燃料电池技术有没有可能作为电力的储能系统?第二个问题,目前在商业推广上,除了成本因素之外,还有没有其他技术的难点?

王晓华:第一,储能的问题。氢气是一个清洁能源,燃料电池汽车只是其中一个典型应用,未来可能就是氢的社会。氢气的来源非常广泛,包括煤质氢、光伏发电、电解水、生物制氢等,未来氢气的成本会降得很快。国外用燃料电池的车不是最主要的应用,主要还是家用,风电、光伏结合燃料电池储能,收集电能,存储,多出来的部分制氢,更容易存储。

中国西部地区的风电和光伏的发展很快,风电对电网的冲击很大,不容易并网,存在弃电现象,其中一个解决方案就是可以制氢往储备能源上做。印度采用燃料电池做电信基站的储备电源还是挺多的。

储备电源和车用燃料电池的技术还是有不同的,车用燃料电池系统成本上现在还是比较高的,每千瓦做到1万,要到千套以上的级别才可以达到。系统和核心零部件和前几年相比技术上有了很大地突破,但系统的可靠性是最大的技术难点

提问:王老师您好,我是来自于一家投资机构,正好我们也涉及到投新能源和新能源汽车相关的东西。燃料电池是我们很注意的方向,国外的技术比国内发达,有没有一些应用正好是和国内有一些互补的?除了您刚才说到的基础设施之外,具体的技术公司,分布在美国、以色列还是什么地方?

王晓华:国外车用电堆是巴拉德,它的技术不一定是最领先,可能日本和德国的企业做得很好,但是从量上来说,巴拉德的量是最大的,可靠性做得比较好。双极板日本的企业也蛮多的,有些专门做双极板到镀膜整套设备的企业。韩国的增湿器,国内压缩机广顺、雪人股份。武汉理工也在做的膜和双极板。