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燃料电池混合动力汽车前景可期

文章来源:中国聚焦网
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发布时间:2017-06-08 09:49:23

     当前,全球能源紧缺和环境污染问题日益严重,氢能和燃料电池是未来重要发展方向和趋势,燃料电池汽车被认为是未来新能源汽车的终极选择。国务院在《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》明确了至2020 年,中央财政将投入1000 亿元用于扶持新能源汽车产业。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》重点提出了对燃料电池汽车整车设计、集成和制造技术,动力系统集成与控制技术,汽车计算平台技术,高效低排放内燃机、燃料电池发动机等关键部件的技术规定。《中国制造2025》明确提出了燃料电池汽车及其关键部件的技术路线图,对燃料电池关键材料的研发提出了技术目标。

燃料电池混合动力汽车来了

针对燃料电池电压电流输出特性及动态响应滞后的特点,基于城市公交大客车运行时,驱动与制动功率波动频率高、幅度大以及长续驶里程的总驱动与制动能量较大等工况特点和难点,以清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为主的氢燃料电池客车动力系统研发团队,率先提出并研制成功燃料电池加动力电池的电-电混合动力系统。

燃料电池混合动力系统主要包括燃料电池、辅助动力源、DC/DC变换器等部件。燃料电池系统作为车辆常规运行时的主要动力源,为车辆的常规运行提供所需能量;辅助动力源为蓄电池或超级电容器,提供车辆在启动、加速、爬坡等特殊工况下所需功率。如此,既能保证车辆在不同工况下所需的能量,同时能够减小对燃料电池的冲击,提高燃料电池的寿命。

通常,根据燃料电池混合动力系统动力源装置的搭配方案以及它们与电机驱动系统之间的连接方式来定义系统构型。根据燃料电池系统是否与电机控制器直接相连分为直接燃料电池混合动力系统和间接燃料电池混合动力系统。

(1) 直接燃料电池混合动力系统

图1.png

图1为直接燃料电池混合动力系统。燃料电池系统直接与电机控制器相连,同时,使用蓄电池或者超级电容作为辅助动力装置,并且蓄电池组(超级电容)和动力系统的直流母线之间使用双向DC/DC变换器。

(2) 间接燃料电池混合动力系统

图2.png

图2为间接燃料电池混合动力系统。在燃料电池系统前面使用单向DC/DC变换器来对燃料电池系统和电机驱动系统进行电压匹配,并对燃料电池系统的输出功率进行控制,辅助动力源装置选用蓄电池组或超级电容,并直接与直流母线相连接。

燃料电池直接驱动构型中,为满足车辆良好的动力性,燃料电池动力系统(FCE)必须具有良好的动态特性和V-I特性,同时,为避免FCE瞬时大功率放电导致的母线电压过低而损坏燃料电池堆,FCE的额定功率取值也相对偏高。

燃料电池间接驱动构型中,由于DC/DC变换器的作用,实现了FCE与储能系统(ESS)的功率耦合和电压隔离,有利于对燃料电池动力系统优化调节,在目前燃料电池的技术水平下,是一种经济实用的混合动力系统构型。

燃料电池混合动力汽车具备发展优势

(1) 能够提高燃料电池的使用寿命

燃料电池混合动力汽车是燃料电池与动力电池混合,动力电池提供车辆启动、加速、减速等非稳态下所需的大功率,平均功率由燃料电池提供,使燃料电池运行工况基本不变,负载变化较小,输出功率平稳,对燃料电池的瞬时冲击小,能够大大提高燃料电池的使用寿命。动力电池作为燃料电池混合动力汽车的辅助动力源,可以通过控制动力电池的充放电功率,提高动力电池的使用寿命。

(2) 规模越大,成本越低

依据当前燃料电池汽车路线图,到2020年有望发展到1千辆,燃料电池成本与规模有很大的关系,规模越大,成本越低。如燃料电池汽车与320~350kwh的纯电动汽车成本基本持平。随着燃料电池逐步产业化发展,规模不断扩大,成本有望逐步下降。

(3) 提高市场竞争力

工信部、财政部、科技部和发改委《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》中对燃料电池乘用车实行20万元/辆补贴,轻型货车、客车30万元/辆补贴,大型客车、中重型货车50万元/辆的补贴,纯电动大巴汽车将在2019年会有退坡政策,这样燃料电池混合动力汽车将具有很大的市场竞争力。

(4) 加注时间短,续航里程长

燃料电池混合动力汽车加氢时间短,一般为3~5min,续航里程可达到500km以上,远远超过了传统纯电动汽车的续航里程。

国内燃料电池混合动力系统发展现状

目前,国内主流整车厂开发的燃料电池客车、物流车、乘用车等均采用燃料电池混合动力系统,用氢燃料电池搭配一定功率的动力电池作为车辆动力源。氢燃料电池混合动力系统最先在客车进行示范推广和商业化应用。     宇通最新一代燃料电池城市客车采用电-电混合动力系统,配备了额定功率为30kW的燃料电池系统同时搭载40-60kWh锂离子动力电池,车身顶部设置了8个140L的氢瓶,续驶里程超过300km,每一次加氢只需要10-15min。     福田欧辉8.5米氢燃料电池客车由1台顶置30kW燃料电池电堆、4个顶置氢瓶和40kWh锂离子电池所构成,续航里程可以达到350km。2016年福田汽车获得世界最大氢燃料电池客车商业化订单,其采用亿华通氢燃料电池动力系统,预计2017年全部交付运营。

佛山飞驰开发的燃料电池客车配置60kW燃料电池电堆,辅助配备36kWh锂离子动力电池,匀速行驶时续航里程大于300km。

上海荣威 950氢燃料电池乘用车使用氢燃料混合动力系统,其中燃料电池由大连新源动力股份有限公司提供,锂离子动力电池由上海航天电源技术有限责任公司提供,续航里程大于400km,最高时速可达到160km/h。

国外燃料电池混合动力系统发展现状

国外市场以燃料电池乘用车为主,日本丰田已于2014年12月推出了世界首款量产的氢燃料电池汽车 “Mirai”,其续航里程近500km。

2015年10月在东京车展上,本田正式发布了旗下氢燃料电池车型FCV的量产车型—Clarity,可提供700km的最大续航里程,并已于2016年上市。不同于我国燃料电池混合动力系统中动力电池的作用,Mirai和Clarity配备的镍氢电池/锂离子电池主要起到启动点火和回收制动能量的作用。

2016年6月,奔驰推出了一款全新氢燃料电池概念车—GLC fuel-cell,由奔驰与福特联合开发,新车将于2017年上市,前期将仅在日本和美国加州投放。奔驰GLC fuel-cell是第一款可外接充电的氢燃料电池车型,搭载了一套8kWh的电池组,两个储氢罐储存的能量可提供约451km的续航里程,而搭载的电池组则可以提供约48km的续航里程,新车的总续航里程可以达到500km。

奥迪分别于2014年和2016年发布了两款氢燃料电池概念车,A7 Sportbackh-tronquattro 以及 h-tronquattro 概念SUV。据奥迪官方介绍, h-tronquattro 采用了大众第五代燃料电池技术,可在4min内充满氢气,续航里程可以达到600km。

现代在2017年日内瓦车展,对外公布下一代燃料电池计划,预计搭载第四代燃料电池技术的车型将在2018年推出,第四代氢燃料电池技术是基于ix35 FCV技术上而改进,将动力效率提升10%,燃料电池功率密度增加30%,车重降低20%,从而使续航里程进一步提升,达到800km。

国内外混合动力系统的比较分析

国内燃料电池混合动力汽车采用的是小功率的燃料电池搭载大功率的动力电池,与国外大功率的燃料电池搭载小功率的动力电池不同,除了国内燃料电池技术与国外还有一定的差距的原因外,动力系统匹配不同在于运行工况有较大的区别。国外城市客车行驶速度较高,加速时间短,正常运行时所需的功率较高,配备大功率的燃料电池可以保证其正常运行,同时能够提供其加速所需的瞬间功率。目前,国内燃料电池客车主要运用于公交车,运行速度在40km/h以内,动力系统所需功率不高,配备小功率燃料电池不但可以满足其运行需求,而且可以降低整车成本,满足现有市场需求。随着国内燃料电池技术的不断提高,成本下降,国内的燃料电池混合系统也将实现大功率燃料电池乃至全功率燃料电池的终极目标。

图3.png

表1所示是国内外燃料电池客车参数表。如德国戴姆勒奔驰客车其燃料电池功率为2×60kW,搭载的动力电池能量为26kWh。宇通客车燃料电池功率为60kW,而搭载的动力电池容量为60kWh。

国内的燃料电池混合动力系统搭载较大容量的动力电池,在基本性能与国外车辆相当的同时,整车成本仅为国外的1/3~1/6,与纯电动车成本相当,为我国燃料电池客车的产业化奠定了基础。

燃料电池作为一种新型清洁能源,经过半个多世纪的研发,技术逐步趋向成熟,特别是在汽车领域的应用空前飞速,受到各国政府的广泛关注和政策的大力支持。燃料电池混合动力汽车以其能量利用率高、环境友好、续航里程长等优势而成为未来的发展方向。特别是目前国内用燃料电池搭配较大容量的动力电池作为车辆动力源的燃料电池混合动力系统,适合我国的国情及产业化的需求。

 

作者:刘艳秋 研究员     杜俊平 工程师     北京市氢燃料电池发动机工程技术研究中心;