為什么說氫燃料電池車是混動(dòng)汽車？前景如何？

“中國已經(jīng)形成了電-電混合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適合燃料電池技術(shù)的特點(diǎn)?！?/p>

全國政協(xié)副主席、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席、前科技部部長(zhǎng)萬鋼，是氫燃料電池技術(shù)路線的支持者。他在論述中國氫燃料電池技術(shù)的時(shí)候，經(jīng)常提及前面這個(gè)論斷。

氫燃料電池既然這么好，為啥還要混合驅(qū)動(dòng)汽車？中國搞“電-電”混動(dòng)，是不是因?yàn)榧夹g(shù)水平太差了？現(xiàn)在能否判定氫燃料電池技術(shù)的前景？

我們逐個(gè)來分析分析。

1、電電混合的由來

汽車行駛在道路上，行駛狀態(tài)不斷變化，上下坡、加減速，需要發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)輸出不同的功率。如果一輛燃料電池汽車，通過燃料電池發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就需要燃料電池不斷變化功率載荷。

然而，燃料電池似乎并不太喜歡變載，變載必須讓進(jìn)氣（氫氣、空氣）等外部條件隨之變化。

從燃料電池電堆（燃料電池系統(tǒng)最核心的發(fā)電單元）的角度看，電堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、（反應(yīng)）微流道等等，都是基于某一工況范圍設(shè)計(jì)的。現(xiàn)在電堆功率越設(shè)計(jì)越大，動(dòng)輒百千瓦上下。迫于對(duì)功率密度的需求，往往要通過大電流密度實(shí)現(xiàn)。這讓通氣條件在全工況下適應(yīng)非常困難。在負(fù)載過大或過小時(shí)，電堆可能只能短時(shí)間工作，以避免因水熱問題造成損壞。

從系統(tǒng)角度講，燃料電池的輔助系統(tǒng)（BOP，Balance of Plant）似乎也不太喜歡變載。比如空壓機(jī)會(huì)有最合適的一段輸出區(qū)間，此區(qū)間空壓機(jī)效率較高，且工作穩(wěn)定。另外，比如更簡(jiǎn)單的管路，由于管徑固定，如果氣體量太小，那么氣體壓力無法控制；如果氣體量太大，那么會(huì)有很大的壓降損失，甚至造成密封失效。

從能量角度講，所有“體外循環(huán)”的電池，在工作過程中，都會(huì)有能量的損耗。因?yàn)榫S持電堆運(yùn)行的供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)都會(huì)消耗能量。當(dāng)電堆出力較低時(shí)，BOP待機(jī)功耗相對(duì)純電動(dòng)系統(tǒng)更大（如同汽車怠速的效果）。同時(shí)電堆低功率出力時(shí)，為了平衡流場(chǎng)設(shè)計(jì)和水熱管理，往往進(jìn)氣計(jì)量數(shù)更大。系統(tǒng)能效整體降低。

現(xiàn)代FCV

雖然燃料電池不喜歡變載，但并不代表不能變載?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)管理來實(shí)現(xiàn)。但這是個(gè)及其復(fù)雜的過程。當(dāng)系統(tǒng)要求電堆出力提高時(shí)，氫氣和空氣的進(jìn)氣量隨之提高，電堆電流密度上升，電堆輸出功率上升（但可能伴隨效率下降），發(fā)熱量也隨之上升。冷卻系統(tǒng)控制冷卻泵增加循環(huán)水量。氫循環(huán)泵循環(huán)量增大，陰極（或陽極）排氣量和排水量也隨之發(fā)生變化。

與此同時(shí)，電堆單池之間的差異也可能隨之增大，系統(tǒng)會(huì)采取診斷和保護(hù)措施……

可能就是上坡跟車時(shí)的一腳油門，系統(tǒng)就要做出一連串的復(fù)雜動(dòng)作。如果哪一步?jīng)]跟上，燃料電池就像一臺(tái)渦輪遲滯明顯的早起渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至直接故障。同時(shí)，頻繁的功率變化也會(huì)讓燃料電池的壽命加速衰減。

因此，燃料電池整套管理機(jī)制，要設(shè)計(jì)的相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)。如果說傳統(tǒng)電動(dòng)車是電和熱的組合，那么燃料電池則至少多出兩個(gè)維度：氣體（氫氣和空氣）和水（氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的水以及冷卻液）。電、熱、空、氫、水五場(chǎng)合一，相互聯(lián)動(dòng)。再加上日益增大的單堆功率，讓系統(tǒng)的控制難度呈幾何級(jí)數(shù)上升。燃料電池的成本當(dāng)中，系統(tǒng)成本至少占三分之二，也是可以理解的。

電電組合的出現(xiàn)，可以大大降低系統(tǒng)管理的難度。因?yàn)榇蟛糠智闆r下，通過電池可以減小電堆功率的調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)前，電電混合的常見形式有三種。分別是能量存儲(chǔ)、功率平衡、增程續(xù)航。

（1）“豐田模式”：能量存儲(chǔ)型

在豐田的系統(tǒng)中，搭載了鎳氫電池以實(shí)現(xiàn)電電混合。而鎳氫電池的作用，主要用于能量的回收儲(chǔ)存，這是豐田的表述。能量存儲(chǔ)并非目的，將能量轉(zhuǎn)化成可用動(dòng)力才是關(guān)鍵。因此，我認(rèn)為“豐田模式”的電電混合，仍是以“削峰填谷”作為目標(biāo)。

豐田選擇鎳氫電池實(shí)現(xiàn)電電組合，我想多半是來自于豐田在普銳斯上技術(shù)的積累。在普銳斯上，豐田配置了168個(gè)單體電壓為1.2V的鎳氫電芯，總儲(chǔ)能容量為1.3kWh，藉此保證普銳斯的發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最“佳”的工作狀態(tài)。

在城市行駛的工況下，普銳斯的管理系統(tǒng)，將電池的充放電深度控制在很小的范圍之內(nèi)，而儀表盤上的SOC顯示，只是電池可用范圍上的消耗百分比。淺充淺放的使用場(chǎng)景，保證了鎳氫電池的壽命。

Mirai借鑒了相似的結(jié)構(gòu)。將鎳氫電池與燃料電池耦合相連。在剎車時(shí)，回收能量存儲(chǔ)與電池當(dāng)中。通過燃料電池發(fā)電和能量回收，始終保證鎳氫電池在“合適”的SOC范圍。在系統(tǒng)變載時(shí)，鎳氫電池向系統(tǒng)輸出瞬時(shí)功率，讓系統(tǒng)更加平順。

同時(shí)，鎳氫電池屬于“水系”電池，因此在使用過程中，相比鋰電池，在出現(xiàn)故障時(shí)，電池本體起火的可能性更低。因此，就安全性來說更勝一籌。

簡(jiǎn)單總結(jié)豐田的電電混合模式，從表面上看，是對(duì)于能量的回收。但是其本質(zhì)，還是“削峰填谷”，從而讓燃料電池工作在最佳的狀態(tài)。

（2）本田模式：功率平衡型

本田對(duì)燃料電池汽車的開發(fā)，可以追溯到上世紀(jì)的80年代。第一代FC樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)在奧德賽上完成的。時(shí)隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿態(tài)，展現(xiàn)FCV的技術(shù)。

本田的核心技術(shù)，是將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)集成到和V6標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的大小。這讓Clarity在布置上，可以大量借鑒傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

本田的電電混合系統(tǒng)，由燃料電池、鋰離子電池通過本田特有的部件FCVCU進(jìn)行連結(jié)。

燃料電池電壓控制器（FCVCU）是實(shí)現(xiàn)“本田模式”的關(guān)鍵部件，它是一種高效的電壓調(diào)節(jié)裝置。應(yīng)用SIC-IPM，（我對(duì)這個(gè)技術(shù)的翻譯是碳化硅智能電源模塊，不知道官方有沒有更炫的名字。）讓本田以極小的體積實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池電堆電壓的轉(zhuǎn)化。

下圖是FCVCU的工作原理圖。相比豐田強(qiáng)調(diào)的回收制動(dòng)能量，本田的電電混合技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)對(duì)功率的提升。本田通過FCVCU將燃料電池電壓提升至500V，燃料電池可以和鋰離子電池同時(shí)出力。在最高功率時(shí)，鋰電池出力占整個(gè)系統(tǒng)的30%。

揣測(cè)本田的設(shè)計(jì)思路，就是通過電壓的控制，增加鋰電池對(duì)系統(tǒng)出力的比例，反向也能讓燃料電池出力范圍變化更加緩和。

（3）增程續(xù)航

市面上還有另外一種燃料電池和鋰電池混合的電電混動(dòng)技術(shù)：即燃料電池只為鋰電池充電，鋰電池單一驅(qū)動(dòng)電機(jī)。我曾在展會(huì)上見過類似的應(yīng)用。燃料電池在幾個(gè)相對(duì)固定工況下工作，使控制難度進(jìn)一步降低。但是這種純粹以“增程”為目的的FCV應(yīng)用，本質(zhì)上是犧牲功率換取續(xù)航的做法。

總結(jié)一下電電混動(dòng)的技術(shù)，簡(jiǎn)單說就是儲(chǔ)能電池像一個(gè)蓄水池般不斷地充放調(diào)整，以平衡系統(tǒng)的功率特性和容量特性。各家技術(shù)的區(qū)別，在于所配備“蓄水池”的大小不同。如果單從技術(shù)上來評(píng)價(jià)，豐田僅僅配備了2kWh的鎳氫電池，在燃料電池管理技術(shù)上來說，最為先進(jìn)。但也要從成本和壽命上綜合考慮。