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为什么说氢燃料电池车是混动汽车？前景如何？

时间:2019-04-01 11:05来源:电动车观察家 作者:盖世大V说
点击: 次
       “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。
      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，Balance of Plant）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。
 
      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Model S，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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       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。”
 
      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。
 
      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。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 氢燃料电池车 混动汽车
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