中通客车王波:氢燃料电池在客车上的应用

  • 原创
  • 2018-07-20 15:14
  • 来源:电动汽车资源网 丘山

摘要:中通客车控股股份有限公司技术研究院实验室主任王波就氢燃料电池在客车上的应用分享了他的看法。

电车资源讯:

720日,2018第二届中国新能源汽车测试评价技术发展高峰论坛在深圳坪山盛大开幕。本届论坛由深圳市坪山区科技创新服务署指导,重庆车辆检测研究院有限公司与电动汽车资源网联合主办。在下午的演讲中,中通客车控股股份有限公司技术研究院实验室主任王波就氢燃料电池在客车上的应用分享了他的看法。

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中通客车控股股份有限公司技术研究院实验室主任王波

以下是王波演讲的主要内容:

一、氢燃料电池客车应用背景及现状

面对环境污染以及能量来源多样性,现代汽车发展的电动化成为必然趋势。从清洁能源考虑,新能源汽车中的纯电动汽车和燃料电池汽车具有零排放的可能,也是未来交通运输的发展方向。基于实际使用需求,纯电动汽车在短续驶里程方面具有优势,燃料电池汽车在长续驶里程应用方面具有优势。燃料电池汽车具有更多与传统汽车相似的特性,被认为是汽车行业终极技术路线之一。

二、发展燃料电池客车的优势

对于燃料电池客车来说,王波认为,主要有几大优势:①运营条件成熟。城市公交客车更因为其定线、定时,集中管理的特点,对加氢站依赖较小,便于在适当地点集中建立加氢站等基础设施。②车身布置相对容易。客车内部空间宽阔,便于进行改型设计,可以最大限度地减少对原车机械结构的改动,保持了车辆原有的机械机构性能、行驶系统技术指标及车身的完整性。③降低城市污染。作为城市交通运输主力,采用燃料电池客车可实现车辆的零排放,极大改善城市环境质量,同时具有良好的社会宣传效果。④市场风险相对较小。在政府部门统一协调下,在产品初期通过政府及地方财政补贴,整车厂可降低新技术风险和成本支出,为产品各项技术验证及进一步完善提供便利条件,同时各项关键技术在城市公交客车上的应用一旦成熟,可将其成果扩展应用到其他用途的车辆上。

在政策导向方面,王波表示,燃料电池是国际汽车行业能源和动力转型的重要方向,美国、欧盟等发达国家均将燃料电池作为汽车工业的战略方向,日本政府更是将发展氢能与燃料电池作为重大国家战略,计划到2030年实现氢能社会。

而在中国,《中国制造2025》、《汽车产业中长期发展规划》明确了燃料电池汽车的战略定位;于此同时,在今年的新能源汽车补贴标准中,只有燃料电池汽车补贴力度保持不变,这都说明着燃料电池汽车在中国新能源汽车发展中的战略定位。

三、国内外燃料电池客车发展现状

王波表示,在目前,国外厂商燃料电池功率、寿命、整车续驶里程等主要性能指标均已达到应用要求,目前燃料电池客车多数是在欧洲及北美地区运行,另外日野客车基于丰田Mirai燃料电池系统开发了燃料电池城市客车已开展示范运营,预计将用于2020年东京奥运会。

国内燃料电池城市客车从“十五”计划开始攻关,联合国内企业、研究院所和高校开展氢燃料电池客车研发,经过十几年的技术沉淀,目前国内燃料电池客车性能与国外相差不大,甚至在氢燃料消耗方面还具有领先优势。

从2008年经历奥运会、世博会、UNDP燃料电池城市客车示范及‘十城千辆’、亚运会等示范运行后,2016年以100辆福田氢燃料电池客车投入商业化运营为标志,国内燃料电池客车进入小规模商业化阶段。在全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UNDP)支持下,2018年中国5个示范城市中计划示范运行112辆氢燃料电池汽车,其中包含36辆氢燃料电池客车。

王波认为,燃料电池汽车已经上升到了国家战略层面,因此目前国内各整车厂都在加紧布局氢燃料电池客车,并陆续开发出多款燃料电池样车,以便尽早抢占市场。

四、氢燃料电池客车关键技术

1、燃料电池客车典型构型。目前氢-电混合式燃料电池汽车作为主流的技术路线,集合了全功率燃料电池汽车(FCV)与纯动力电池汽车(EV)的优点,既控制了成本又保障了续航里程。采用氢-电混合的动力策略,在匀速行驶阶段,燃料电池发动机提供功率,在加速或爬坡行驶阶段,燃料电池发动机和动力电池共同提供功率。

2、燃料电池动力系统集成匹配。面向燃料电池客车动力系统平台,分析电机功率、燃料电池发动机功率、电池倍率、容量、成本以及工况适应性关系,建立整车动力性、经济性仿真模型,采用多目标寻优算法优化参数取值,形成开发成本、功率/容量最优的动力平台匹配方案。

3、整车与氢系统集成及安全防护。通过对电压、电流、温度以及绝缘电阻等参数的精确监控和在线分析,实现对整车电气网络(蓄电池、燃料电池、驱动电机、)的安全预警与实时控制。目前主要包括整车电安全多重预警保护系统、车辆电气碰撞监控系统、蓄电池及电动机温度分布的热成像测试、车载在线绝缘检测系统、车辆电气火灾监控系统等安全配置。

对于氢来说,氢燃料爆炸需要三大条件:明火、密闭空间、4%-74%比重,三者同时满足则可能导致事故发生。因此,王波认为,整车与氢系统集成设计应综合考虑氢电隔离、管路集成设计、氢气泄漏警示、氢气泄漏扩散、防碰撞结构等主、被动安全措施,提高整车安全性。

4、氢系统安全控制。车载氢系统应建立氢-电互锁、氢-电联动防护等多重安全机制,实时监控氢系统压力、温度、流量、氢泄漏等状态,保证车载氢系统安全可靠。

5、燃料电池系统控制。燃料电池控制系统应建立基于整车耐久性、安全性、经济性和动力性的控制策略,基于整车实际应用工况,优化驱、制动控制策略,实现面向全局最优的一体化控制技术。

6、燃料电池客车高压控制。燃料电池电堆及车载动力电池作为燃料电池新能源客车的动力源输入,能量流通过自身配电系统汇总至整车高压配电箱,随后根据整车高压电器部件用电需求进行电能分配。高压系统应具备过压、欠压、过流、短路、上电防瞬态冲击功能,配备智能化高压回路安全监测系统实现高压故障诊断和高压安全监测。燃料电池新能源客车通过多种类、多级别安全防护措施保障高压用电安全。

7、水热控制。水热控制是燃料电池系统的关键技术之一,燃料电池的工作温度和湿度对其寿命、性能有着十分显著的影响,需分别研究燃料电池系统整体最优工作区域、辅助系统各部件工作特性及工况标定、水热平衡条件等问题,保证燃料电池不同工况下水热平衡的可靠性。

8、整车集成设计。基于燃料电池客车的不同应用场景和燃料电池系统关键零部件特性,研发燃料电池客车专用车身及底盘,建立模块化、轻量化整车结构,实现整车工程化复杂结构正向设计开发、优化。

五、燃料电池客车下一步技术研发重点

燃料电池客车整车开发及产业化技术。开展燃料电池客车关键系统及整车集成研究与正向设计,进一步提升整车安全性、可靠性、耐久性和环境适应性,开发轻量化、模块化、系列化底盘及整车。优化燃料电池客车大规模产业化技术工艺和一致性保障体系,实现定制化背景下的智能制造新模式。基于云平台大数据分析建立燃料电池客车全生命周期运营维保及评价体系。

整车工程化技术开发及应用。基于车载氢系统、燃料电池系统等关键总成的国家标准要求,从维修保养、水空氢管路和高低压线束空间、布置需求及工作温度、防水防尘环境需求等方面展开结构匹配设计;基于镁铝合金、(超)高强钢及碳纤维等新材料性能数据,研发车用高性能新材料及挤压、弯曲、无电偶腐蚀连接技术及新材料部件的先进制造工艺,实现部分装车应用和分析验证。

全工况、全气候燃料电池系统。目前国内燃料电池还处在产业化的初级阶段,各项性能指标较国外有一定的差距,其产品集成度、可靠性、环境适应性、能耗水平相对较差。因此,需对商用车用大功率燃料电池系统定制开发,研发能够应用于商用车的燃料电池系统并进行匹配、标定、测试评价。

燃料电池系统与动力电池系统耦合匹配与控制技术开发。研究商用车用燃料电池系统与动力电池系统的匹配标定、能量管理、故障诊断、容错控制和制动能量回收技术,完成车用燃料电池系统的空、氢、水、热、电、磁等各模块的管理及高度集成技术开发;建立燃料电池商用车用氢-电深度混合动力系统,开展氢-电耦合匹配及整车控制技术研究。

高安全长寿命动力电池系统。开展模块式、分散式布局的动力电池系统总体构型、功能和机-电-热一体化设计技术研究,开发先进可靠的电池管理系统和高效热管理系统,开展动力电池系统的电气构型与参数匹配、以及耐久性和可靠性设计与验证,基于热仿真模型、热失控和热扩散分析模型,研究电池系统火灾蔓延及防火安全措施,突破电池系统轻量化、紧凑化技术,开发高比能量、高安全、长寿命动力电池系统。

车载氢系统开发及应用。基于国家标准,从加氢、储氢、供氢材质选型、检测、设计,管路弯曲半径、边缘距离、管接头位置,隔热、碰撞保护,过温、过压、过流、泄露报警等方面建立企业车载氢系统设计、工艺、检测与评价标准体系,提高整车安全性和可靠性。

(来源:电动汽车资源网 丘山)

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