为进一步探讨氢能在交通方面的发展,建立产业化应用的生态体系,寻求其在交通、电力等领域的应用与商业模式,清华大学、中国电动汽车百人会与国际氢能委员会于2018年6月28日在清华大学举办“氢能产业创新发展论坛”,邀请了来自国内外政府与相关部门的领导、氢能产业研究的专家学者以及汽车、能源、等领域的企业代表就以上相关问题进行了深入交流。
中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高发表《清华新能源汽车动力系统研究进展》报告,内容实录如下:
尊敬的万主席、徐部长,陈理事长,各位嘉宾,大家下午好!刚才万主席已经把全国整个氢燃料电池的情况都介绍了,所以我就不讲总的情况了,我代表清华大学把我们做的工作介绍一下。
我的题目是“清华新能源汽车动力系统研究进展”。清华大学新能源汽车团队是国家新能源汽车科技专项的核心研发团队,也是中美政府间合作计划清洁汽车研究联盟的中方牵头单位。
我们团队聚焦的是建立新能源汽车动力系统技术平台。不管是混合动力、纯电动、燃料电池汽车,背后的核心技术都是动力系统,包括发动机、电池、电机、燃料电池。我们聚焦的就是这一核心。有了这些,我们既可以做纯电动汽车,也可以做混合动力汽车,也可以做燃料电池汽车。
我们聚焦什么问题呢?聚焦三个核心的科学问题与技术瓶颈。对于动力电池,就是热失控导致的安全问题,这是纯电动汽车或者动力电池最大的瓶颈;对于燃料电池,我们重点研究性能衰减导致的寿命问题;对于多能源混合动力,我们重点研究内燃机燃烧导致的排放问题。前面两个我概括介绍一下,燃料电池稍稍详细一点。
首先,动力电池作为纯电动系统最基础、最核心的部分,也是燃料电池中重要的组成部分。我们在电池热失控方面进行了比较全面的研究,建立了清华大学电池安全实验室,聚焦高比能量动力电池热失控问题。分别与日产、奔驰、宝马、三星、SK、宁德时代新能源、广汽、一汽、长安等进行了广泛合作。
我们重点研究三个问题:第一,是什么诱发的热失控?第二,热失控反应机理及其防范技术是什么?第三,热失控在整个电池系统,几百、几千只电池中间蔓延扩展的机理,以及阻断它的方式?
首先,在热失控诱因抑制方面,我们研发了热-机-电综合管理系统(扩展的BMS),在国内外一系列企业都得到应用。第二,在热失控反应机理方面,我们发现了一些新机制,得出了一系列基本结论。首先,电池自生热副反应引发的祸首我们找到了。热失控温度剧烈上升(可达1千摄氏度/秒)的主反应我们找到了——即正极释氧与负极发生氧化还原反应。触发这个主反应的情况比较复杂,我们正在一一进行研究。在热失控蔓延的阻断方面,我们研发基于模型的热失控蔓延抑制热管理设计方法,基于这个方法,我们培育的创业公司——北京科易动力,发明了高比能量锂离子电池防火墙技术,利用这个技术,他们把动力电池系统比能量做到了国内最高,也比国际标杆的特斯拉要高,现在已经大批量的装车。所配套的国产微型电动汽车续驶里程做到300公里以上,而且已经批量生产。目前宝马公司在中国140家创新公司中间挑选出来的唯一一家电动化合作伙伴公司,就是这家公司——科易动力。
第二方面,关于多能源混合/增程动力系统及其优化控制概况。我们在混合动力方面一贯主张的是串联式/增程式动力系统(目前大家所熟知的日产的E—Power动力系统就是这类系统)。我们的工作包括三个方面:第一,燃烧系统。我们发明了基于缸压传感器的发动机燃烧与排放反馈控制理论与技术;第二,在发动机总成方面,我们建立了发动机/电动机总成(增程器或者叫功率跟随器)的优化设计方法。可以使发动机大部分运行在高效区而不是原先的散在大的区域范围;在动力系统层次方面,我们研发了多能源一体化的混合/增程的动力系统,从这张图上可以看到,电路是一个并联系统,有一个电池,同时有一个发电机组,两者共同给电机供电。这个系统我们已经实现模块化、平台化,并研发了系列化车型,包括油-电混合动力客车,气-电混合动力客车,这些我们已经在中车时代电动等企业产业化应用并推广到国防军工特种车辆。当然我们也可以做燃料电池的氢-电混合动力,下面介绍。这就是我要介绍的长寿命燃料电池系统机理、模型与性能优化研究。这是清华的燃料电池动力系统的技术路线图,第一个层次我们研发了燃料电池的混合动力系统,发动机是外协的;第二个层次,我们研发了燃料电池发动机研发,燃料电池的电堆是外协的;第三步,我们研发成功燃料电池电堆,燃料电池膜电极是外协的。现在,我们马上要开始燃料电池膜电极的开发,已经组织了国际一流的研发队伍。我们层层深入,技术链逐环解耦,我们称其为剥洋葱模式。
首先看燃料电池混合动力系统。早期的燃料电池客车以燃料电池直接驱动为主流技术路线。我们发明了能量混合型燃料电池混合动力,燃料电池只提供车用的平均功率,而车用的峰值变化功率由动力电池提供。这区别于丰田公司的功率混合型燃料电池混合动力。我们还发明了Soft—run商用车燃料电池混合动力功率分配控制方法,把剧烈变化的车用负载转化成燃料电池功率基本不变,集中在稳定的功率范围,这样使燃料电池的耐久性成倍提高。我们早在2007年就实施了国际首例燃料电池客车氢-电系统带压碰撞实验。我们关联的公司研发的高压气态氢系统已经形成了系列产品,并获得国家颁布的特种设备安装改造维修许可证。我们研发了整个燃料电池混合动力系统并与企业合作开发了首批获得国家产品公告的燃料电池城市客车。
这是我们从示范考核、应用扩展,到率先实现燃料电池客车成套商业化的路径。2008年在奥运会示范,2010年在国外新加坡示范,2011—2012年联合国UNDP全球清洁城市示范。2016配合企业开发的世界上首台燃料电池有轨电车获得国际氢能协会颁发的奖励。2017年,我们配合企业开始燃料电池客车的商业化,第二阶段,我们是做燃料电池发动机。利用内燃发动机电控技术优势,研发了氢气电控喷射与阳极再循环系统,发明了带阴极再循环的燃料电池发动机空气系统,。开发了燃料电池发动机的控制系统和燃料电池专用DC/DC,可以直接利用交流阻抗反馈膜的含水量。我们实现了商用车燃料电池发动机系统集成的技术突破,进行了三代产品开发。我们培育了国内首个燃料电池发动机上市公司亿华通科技股份公司,并建立了北京燃料电池发动机工程技术中心,率先获得百台级客车燃料电池发动机销售。目前,亿华通科技股份公司的燃料电池发动机配套在燃料电池客车领域处于领先地位。目前的产品是我们完全采用自主电堆的新一代发动机。今年前四个月生产了燃料电池发动机150台,预计全年销售500台左右。
第三方面,燃料电堆模块研发。我们开展了电堆的设计优化,重点进行了双极板的研发。我们坚持碳板技术路线,因为做的是商用车的长寿命燃料电池电堆。我们认为,从长寿命的角度衡量碳板还是有优势的,我们实现了石墨树脂复合材料双极板的自动生产,现在正在建自动生产线,使双极板的成本大幅下降。我们深入研究了电堆工程热物理与状态辨识技术,对于电堆“水-热-气”状态失衡影响寿命的关键难题,发展了基于模型的堆内状态估计与管理方法,并且开发出新一代商用车燃料电池电堆,初步进行了1千个小时以上的试验,寿命超出预期。
我们还进行了电堆模块的集成化工程开发,以满足国家标准的各种要求。这是清华相关公司上海神力科技有限公司燃料电池电堆的系列产品,我们利用碳板实现了功率密度2千瓦/升(这对于碳板电堆而言,功率密度是很高的,丰田电堆功率密度3.1千瓦/升用的是是金属板,我们从长寿命的角度考虑,金属板用于轿车只需要5千小时寿命,而商用车必须要达到1万小时以上,因为商用车一般来讲运行寿命要求更高)。
关于长寿命我们有一个长期发展技术路线图。2020年的寿命目标是1万小时,2025年大于2.5万小时。新研制的电堆寿命已经接近1万小时这个目标,所以2020年产品的寿命应该会超过1万小时。
下面是关于产业化的情况,首先,清华基金控股的北京亿华通科技公司,2004年以来致力于燃料电池发动机的研发和产业化,实现中国燃料电池发动机批量生产,并具有自主知识产权和产品系列,2016年在新三板挂牌,实现中国氢能燃料电池公司在资本市场零的突破。
另外,我们有上海神力的电堆基地,实现了模压石墨的双极板批量生产,新一代燃料电池电堆的批量生产,同时建立了燃料电池电堆测试中心,面对全社会提供测试服务。还有张家口的燃料电池发动机基地和制氢基地。这是设在加拿大的研发基地,将率先在这里开展膜电极研发。
最后我说一下氢能燃料电池汽车的前景与挑战。
这是奔驰公司给出的一个全方位的各种动力系统的比较图。横轴是能源消耗,纵轴是碳排放。这是内燃机、混合动力。绿色的是纯电动,蓝色的是燃料电池。从中间可以看出,如果以可再生能源为一次能源,在能耗方面纯电动应该是更有优势的。如果以天然气作为一次能源,燃料电池的能耗会有优势,但是二氧化碳仍然需要降低,要采取二氧化碳捕捉。所以,氢能是二次能源,节能环保效果与生产氢的一次能源有关,我们也不能说氢能是终极清洁能源。氢是能源载体,最后的载体一定会有氢和电,不可能把电排除。
这是丰田公司给出的一张图。横轴是行驶的距离,纵轴是车辆的速度,它给出的是在长距离重载运输方面是燃料电池的优势范围。
这是现代给出的一张图,就是面向2025年纯电池汽车与氢燃料电池汽车的成本优势对比。图上轿车的成本图,燃料电池是红色,纯电动是绿色。可以看出,在300—700公里之间,两者的成本差不多。在500公里以内,燃料电池轿车没有成本优势。但是商用车用燃料电池在100公里以上就具备成本优势。所以,我们目前的基本结论是,锂离子电池系统更适合替代汽油机,氢燃料电池系统更适合替代柴油机。这是我们为什么聚焦燃料电池商用车的缘故。
说一下市场的前景,首先我们认为,市场要稳扎稳打,我们目前是从北方的寒冷地区商用车市场突破,这张图是从北京到张家口的长距离实验,这是在张家口交付的130辆大客车,面向的是2020年的冬奥会。我们认为,在北方寒冷地区燃料电池相对纯电动更有市场竞争优势。
第二个,如果燃料电池仅仅用于汽车,我认为革命的意义是不大的,所以我们必须从能源革命的角度来看待燃料电池,逐步扩展开拓固定式氢-电能源市场,研发光-电-氢一体化微网系统。这张图是清华正在建设的光电氢一体化的微网试验系统。我们认为,氢能燃料电池大有可为,而且跟储能、纯电动汽车、光伏构成综合的高效清洁的而且分布式独立的能源系统,将会给能源系统带来革命性的变化。目前我们正与丹麦技术大学、日产、壳牌等合作,推进这方面的工作。把中国光伏的优势、储能电池的优势结合起来,并把氢燃料电池结合进来,光伏发电可以用电池储存,也可以制氢,,最后做成一个面向未来能源互联网的分布式独立微网独立能源系统。
当前氢能技术落后于燃料电池技术,进展比较慢,我们需要全链条各环节氢能科学与技术的新突破。这张图是选自长城汽车的一个研究,从能源生产、分配、运输、加注等等环节很长、很复杂。目前存在能效偏低、成本偏高的问题,大家必须联合起来,把这些关键技术突破。推进氢能燃料电池技术的规模商业化。
谢谢各位!
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