技術燃料電池

打造綜合型團隊解決燃料電池三大技術難點

阿彌諾斯 2017-07-19 17:03

2017年7月19日，中國電動汽車百人會舉辦的2017年第四期“電動汽車熱點問題研討會”在湖南省株洲市召開。本期主題聚焦“新能源汽車電力電子技術”，清華大學李建秋教授就燃料電池系統(tǒng)中的電力電子問題作出了詳細解讀。

李建秋認為，研發(fā)燃料電池發(fā)動機需要一個綜合型團隊，包括傳統(tǒng)電化學、燃料電池材料、傳熱傳質(zhì)等等學科；在電力電子層面上，DC/DC（直流斬波器）、空壓電機及控制器、氫氣再循環(huán)泵電機以及控制器，在燃料電池的控制里面是占有非常重要角色。

李建秋.jpeg

化學能轉(zhuǎn)化為電能后依然離不開電控系統(tǒng)

一個燃料電池系統(tǒng)，我們簡稱燃料電池發(fā)動機，就是他本身工作的過程本質(zhì)是電化學反應，是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其中也包括傳熱傳質(zhì)的過程、氣體流動、水熱交換等過程。一涉及到電驅(qū)動，就必須要又包括DC/DC在內(nèi)的電控系統(tǒng)來配合工作。所以搞燃料電池發(fā)動機必須要集成三個學科的團隊：電化學、傳統(tǒng)發(fā)動機、電力電子。

燃料電池汽車國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池的電堆技術是最核心的部分，金屬雙極板電堆因其較高的能量密度，適用于乘用車型；而碳板電堆體積重量比較多大，雖然能量密度較低但是耐久性非常好，是商用車的不二之選。

目前包括豐田、通用、日產(chǎn)、奔馳的企業(yè)都推出了燃料電池乘用車。通用的技術比較老，依然停留在2008年的水平，其他都在逐年改進，續(xù)駛里程能達到500—600公里，可以跟傳統(tǒng)的燃油車并駕齊驅(qū)。

美國、德國、日本都推出了燃料電池客車，功率大概是從120—200千瓦，配合鋰電池做儲能裝置，續(xù)駛里程可達300公里，耐久性平均達到1萬小，售價100萬美元左右。卡車也有美國的Nikola One和日本豐田在研發(fā)。

在國內(nèi)，中科院已經(jīng)在燃料電池方面已經(jīng)做了十多年的研究，現(xiàn)階段已經(jīng)建成了燃料電池發(fā)動機的批量生產(chǎn)線，年產(chǎn)2000套。李建秋預計2020年能小批量示范生產(chǎn)1萬臺左右，到2025年能達到每年幾萬臺到十萬臺的量。

燃料電池的三大電力電子難點

燃料電池專用的功率模塊部分是最關鍵的，其中DC/DC作為燃料電池控制的重要執(zhí)行器，除了要完成功率的變換，還要對燃料電池的耐久性進行控制，也就是控制燃料電池的功率電壓。此外，DC/DC還參與燃料電池的交流阻抗辨識的工作，通過產(chǎn)生高頻的擾動信號，幫助控制系統(tǒng)來辨識電堆里面的含水量。對于企業(yè)來說，與普通的DC/DC相比，研發(fā)燃料電池的DC/DC還是有難度的。

為了提高燃料電池的功率密度，需要對它的空氣進行增壓。傳統(tǒng)內(nèi)燃機可以通過廢氣渦輪增壓，但是燃料電池發(fā)動機廢氣的能量是很低的，必須要用一個高速電機來驅(qū)動這個空壓機，因此空壓電機的控制器就十分關鍵了?，F(xiàn)階段，中科院正與英飛凌和精金電動，為的就是把高速電機跟空壓機做成集成系統(tǒng)。