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为什么说氢燃料电池车是混动汽车前景如何?

更新时间:2019-04-04 13:39:13 点击次数:619次 字号:T|T
“中国已经形成了电-电混合的技术优势,适合燃料电池技术的特点。” 全国政协副主席、中国科学技术协会主席、前科技部部长万钢,是氢燃料电池技术路线的支持者。他在论述中国氢燃料电池技术的时候,经常提及前面这个论断。

“中国已经形成了电-电混合的技术优势,适合燃料电池技术的特点。”

全国政协副主席、中国科学技术协会主席、前科技部部长万钢,是氢燃料电池技术路线的支持者。他在论述中国氢燃料电池技术的时候,经常提及前面这个论断。

氢燃料电池既然这么好,为啥还要混合驱动汽车?中国搞“电-电”混动,是不是因为技术水平太差了?现在能否判定氢燃料电池技术的前景?

我们逐个来分析分析。

1电电混合的由来

汽车行驶在道路上,行驶状态不断变化,上下坡、加减速,需要发动机/电动机输出不同的功率。如果一辆燃料电池汽车,通过燃料电池发电直接驱动电机,就需要燃料电池不断变化功率载荷。

然而,燃料电池似乎并不太喜欢变载,变载必须让进气(氢气、空气)等外部条件随之变化。

从燃料电池电堆(燃料电池系统最核心的发电单元)的角度看,电堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、(反应)微流道等等,都是基于某一工况范围设计的。现在电堆功率越设计越大,动辄百千瓦上下。迫于对功率密度的需求,往往要通过大电流密度实现。这让通气条件在全工况下适应非常困难。在负载过大或过小时,电堆可能只能短时间工作,以避免因水热问题造成损坏。

从系统角度讲,燃料电池的辅助系统(BOP,BalanceofPlant)似乎也不太喜欢变载。比如空压机会有最合适的一段输出区间,此区间空压机效率较高,且工作稳定。另外,比如更简单的管路,由于管径固定,如果气体量太小,那么气体压力无法控制;如果气体量太大,那么会有很大的压降损失,甚至造成密封失效。

从能量角度讲,所有“体外循环”的电池,在工作过程中,都会有能量的损耗。因为维持电堆运行的供气系统、冷却系统都会消耗能量。当电堆出力较低时,BOP待机功耗相对纯电动系统更大(如同汽车怠速的效果)。同时电堆低功率出力时,为了平衡流场设计和水热管理,往往进气计量数更大。系统能效整体降低。


现代FCV

虽然燃料电池不喜欢变载,但并不代表不能变载。可以通过系统管理来实现。但这是个及其复杂的过程。当系统要求电堆出力提高时,氢气和空气的进气量随之提高,电堆电流密度上升,电堆输出功率上升(但可能伴随效率下降),发热量也随之上升。冷却系统控制冷却泵增加循环水量。氢循环泵循环量增大,阴极(或阳极)排气量和排水量也随之发生变化。

与此同时,电堆单池之间的差异也可能随之增大,系统会采取诊断和保护措施……

可能就是上坡跟车时的一脚油门,系统就要做出一连串的复杂动作。如果哪一步没跟上,燃料电池就像一台涡轮迟滞明显的早起涡轮增压发动机,甚至直接故障。同时,频繁的功率变化也会让燃料电池的寿命加速衰减。

因此,燃料电池整套管理机制,要设计的相当严谨。如果说传统电动车是电和热的组合,那么燃料电池则至少多出两个维度:气体(氢气和空气)和水(氢氧反应产生的水以及冷却液)。电、热、空、氢、水五场合一,相互联动。再加上日益增大的单堆功率,让系统的控制难度呈几何级数上升。燃料电池的成本当中,系统成本至少占三分之二,也是可以理解的。

电电组合的出现,可以大大降低系统管理的难度。因为大部分情况下,通过电池可以减小电堆功率的调节范围。当前,电电混合的常见形式有三种。分别是能量存储、功率平衡、增程续航。

(1)“丰田模式”:能量存储型



在丰田的系统中,搭载了镍氢电池以实现电电混合。而镍氢电池的作用,主要用于能量的回收储存,这是丰田的表述。能量存储并非目的,将能量转化成可用动力才是关键。因此,我认为“丰田模式”的电电混合,仍是以“削峰填谷”作为目标。

丰田选择镍氢电池实现电电组合,我想多半是来自于丰田在普锐斯上技术的积累。在普锐斯上,丰田配置了168个单体电压为1.2V的镍氢电芯,总储能容量为1.3kWh,藉此保证普锐斯的发动机始终在最“佳”的工作状态。

在城市行驶的工况下,普锐斯的管理系统,将电池的充放电深度控制在很小的范围之内,而仪表盘上的SOC显示,只是电池可用范围上的消耗百分比。浅充浅放的使用场景,保证了镍氢电池的寿命。

Mirai借鉴了相似的结构。将镍氢电池与燃料电池耦合相连。在刹车时,回收能量存储与电池当中。通过燃料电池发电和能量回收,始终保证镍氢电池在“合适”的SOC范围。在系统变载时,镍氢电池向系统输出瞬时功率,让系统更加平顺。

同时,镍氢电池属于“水系”电池,因此在使用过程中,相比锂电池,在出现故障时,电池本体起火的可能性更低。因此,就安全性来说更胜一筹。

简单总结丰田的电电混合模式,从表面上看,是对于能量的回收。但是其本质,还是“削峰填谷”,从而让燃料电池工作在最佳的状态。

(2)本田模式:功率平衡型

本田对燃料电池汽车的开发,可以追溯到上世纪的80年代。第一代FC样机的实验,实在奥德赛上完成的。时隔三十年,本田的Clarity,又以全新的姿态,展现FCV的技术。

本田的核心技术,是将燃料电池发动机集成到和V6标准发动机相同的大小。这让Clarity在布置上,可以大量借鉴传统汽车的结构,降低设计风险。


本田的电电混合系统,由燃料电池、锂离子电池通过本田特有的部件FCVCU进行连结。


燃料电池电压控制器(FCVCU)是实现“本田模式”的关键部件,它是一种高效的电压调节装置。应用SIC-IPM,(我对这个技术的翻译是碳化硅智能电源模块,不知道官方有没有更炫的名字。)让本田以极小的体积实现对燃料电池电堆电压的转化。

下图是FCVCU的工作原理图。相比丰田强调的回收制动能量,本田的电电混合技术更加强调对功率的提升。本田通过FCVCU将燃料电池电压提升至500V,燃料电池可以和锂离子电池同时出力。在最高功率时,锂电池出力占整个系统的30%。


揣测本田的设计思路,就是通过电压的控制,增加锂电池对系统出力的比例,反向也能让燃料电池出力范围变化更加缓和。

(3)增程续航

市面上还有另外一种燃料电池和锂电池混合的电电混动技术:即燃料电池只为锂电池充电,锂电池单一驱动电机。我曾在展会上见过类似的应用。燃料电池在几个相对固定工况下工作,使控制难度进一步降低。但是这种纯粹以“增程”为目的的FCV应用,本质上是牺牲功率换取续航的做法。

总结一下电电混动的技术,简单说就是储能电池像一个蓄水池般不断地充放调整,以平衡系统的功率特性和容量特性。各家技术的区别,在于所配备“蓄水池”的大小不同。如果单从技术上来评价,丰田仅仅配备了2kWh的镍氢电池,在燃料电池管理技术上来说,最为先进。但也要从成本和寿命上综合考虑。



2燃料电池汽车的优势在哪

与电动汽车相比,燃料电池汽车在形式上更加符合汽车的要求。一般来说,燃料电池汽车在几分钟,便可充满满足500公里续航的氢气;而特斯拉的ModelS,最多只能保证在20分钟内充满续航300公里的电能。当我们计算成本的时候,很少把使用的方便性计算进去。因此,和很多人观点相同,补充氢气更方便是燃料电池的最核心优势。

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特斯拉第三代超充峰值功率提升到250kW

在此,我想追问两个问题。第一个问题,虽然充电更为耗时,可否用商业模式去弥补?

我曾见过这样一个项目,将充电站和购物休闲相结合?其所谓的痛点,就是帮人们“打发”充电的等待时间,同时产生利润。说实话,我个人对类似商业模式的评价是一个字:尬!也许反过来,一个成熟的商业中心提供一些充电服务更加合适。

第二个问题,如果在技术上,提高充电桩的功率,让充电更加快速,从而减少等待时间。届时燃料电池还有没有优势?

虽然技术上也许可行,我觉得并非一个好的解决方案。首先,直流快速充电对电池耐用性和寿命上的伤害,一直是一个让人担心的问题。一些纯电动汽车制造商甚至会直接建议少用快充,以提高电池寿命。其次,提高充电速度,会降低系统的效率,增加能量损失。暂且不提损失的能量有多少,从设计理念上看,多少与绿色理念背道而驰。第三,大面积的快充装置对能源结构有影响。

从上述分析可以看出,一味地提高充电功率,是既损失效率,又损失电池寿命的做法。未来对新能源汽车的要求可能车型更大,续航时间更长,充电时间更短,这就更加凸显了电池所带来的木桶效应。燃料电池的优势则更加彰显。即使把加氢时间降低到3分钟以内,也不会对电堆有丝毫的影响。

当然,我们可以寄希望于未来锂电池技术的发展。比如所谓的全固态电池技术。但是,在此我想引用现代的技术专家说的一句话:“虽然我们对未来的创新有所期待,但是终归只是猜想。”

3氢能更加低效吗?

1度电,可以让电动汽车行驶5~7公里,但是如果把1度电制造成氢气,再将能量释放出来行驶,那么行驶里程可能只有三分之一。那么为什么一定要用氢气?

电动车业内的大佬马斯克认为氢是一种低效的能源。能源经过的多次转换,看似远不如直接用电高效。

相同的质疑声,也会指向纯电动汽车。一些人认为当下的新能源汽车,只是从“烧油模式”转变为“烧煤模式”。

对此,我们必须明确,能源是从哪里开始计算的?美国能源部提出了2035年全周期能耗(BTUs/miles)的评价。BTU,指的是英热单位,1度电约等于3412BTUs。而所谓全周期,指的是从最初的能源生产到被车轮消耗掉的整个过程。具体如下图所示。



从上面两幅图,可以看出电动车和燃料电池汽车,在全周期尺度上的能耗,都在相类似的范围之内,并没有太大差别。不论是丰田还是现代,他们都考虑从全周期的尺度上考虑新能源汽车的能效问题。丰田曾表示氢气的生产到灌充至储氢瓶中的过程,相比电的产生并充满电池更加高效,但并未给出此结论的出处,因此仅供大家参考。

4总结:最后一点担忧

从2015年新能源汽车飞速发展,我便对电池的回收处置问题开始担忧。燃料电池中催化剂用铂可以从电堆中直接回收,现在如庄信万丰这样的老牌贵金属供应商,已经着手于铂回收技术的开发。而相比之下,锂离子电池的回收,面临着很大的挑战。

首先电池在回收分解处置,存在着多种化学过程,技术复杂且有技术壁垒。在回收的过程,可能对环境造成较大的影响。同时,缺乏标准化的流程也是问题之一。

更重要的是,可能没有回收价值。曾有公司对从动力电池中回收锂做了估算,其成本约是从卤水中提取锂的5倍之多。电池成本越低,可回收的价值就越差。经济账算不过来,很难让人有做好这件事的动力。但是如果任由电池内的废弃物任意排放,比如镍和钴,都会对人体产生极大影响。

进一步讲,任何电池,如果不能形成从生产到回收形成闭环,那很难用“可再生”三个字来形容它。在追求电动化的今天,作为主角的锂离子电池,可能存在着严重的成本失真。当电池回收处置这件事不得不做的时候,本着“谁生产谁负责”的原则,锂电池的成本可能进一步上升。起码可以判断,锂电池的成本不会持续降低,当我们也可以从“全周期”的角度去认识新能源汽车的时候,也许会开始重视那些潜在的成本和收益。

当前情况下,燃料电池并未形成产业化规模,技术路线尚未定型。在此时时常被牵出来和锂电池作比较,实在不太公平。让汽车走遍千家万户的,并非是发动机的发明者,也不是第一辆汽车的制造者,而是福特的生产线。因此在技术成形之初,对技术成与不成的任何笃信,都显得有几分狂妄。


丰田Mirai动力系统图示

我有一次问丰田的一位专家:未来技术方向是什么?

丰田的专家并未给我明确的答案,而在我们交流的过程中,他不止一次的提到了成本。丰田的今天采取的技术路线,是过去的积累。丰田的未来,要看未来的成本怎样的。

消费者最优先关心的,并不是能效,或者是不是“电电混合”。但是如果给他们一个合理的价格,好的体验,他们中的一些人会愿意选择更加环保的产品。