燃料電池的汽車優(yōu)勢在哪兒？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-10 16:52
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從燃料電池電堆（燃料電池系統最核心的發(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）微流道等等，都是基于某一工況范圍設計的?，F在電堆功率越設計越大，動輒百千瓦上下。迫于對功率密度的需求，往往要通過大電流密度實現。這讓通氣條件在全工況下適應非常困難。在負載過大或過小時，電堆可能只能短時間工作，以避免因水熱問題造成損壞。
從系統角度講，燃料電池的輔助系統（BOP，Balance of Plant）似乎也不太喜歡變載。比如空壓機會有最合適的一段輸出區(qū)間，此區(qū)間空壓機效率較高，且工作穩(wěn)定。另外，比如更簡單的管路，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，都會有能量的損耗。因為維持電堆運行的供氣系統、冷卻系統都會消耗能量。當電堆出力較低時，BOP待機功耗相對純電動系統更大（如同汽車怠速的效果）。同時電堆低功率出力時，為了平衡流場設計和水熱管理，往往進氣計量數更大。系統能效整體降低。
現代FCV
雖然燃料電池不喜歡變載，但并不代表不能變載。可以通過系統管理來實現。但這是個及其復雜的過程。當系統要求電堆出力提高時，氫氣和空氣的進氣量隨之提高，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，電堆單池之間的差異也可能隨之增大，系統會采取診斷和保護措施……
可能就是上坡跟車時的一腳油門，系統就要做出一連串的復雜動作。如果哪一步沒跟上，燃料電池就像一臺渦輪遲滯明顯的早起渦輪增壓發(fā)動機，甚至直接故障。同時，頻繁的功率變化也會讓燃料電池的壽命加速衰減。
因此，燃料電池整套管理機制，要設計的相當嚴謹。如果說傳統電動車是電和熱的組合，那么燃料電池則至少多出兩個維度：氣體（氫氣和空氣）和水（氫氧反應產生的水以及冷卻液）。電、熱、空、氫、水五場合一，相互聯動。再加上日益增大的單堆功率，讓系統的控制難度呈幾何級數上升。燃料電池的成本當中，系統成本至少占三分之二，也是可以理解的。
電電組合的出現，可以大大降低系統管理的難度。因為大部分情況下，通過電池可以減小電堆功率的調節(jié)范圍。當前，電電混合的常見形式有三種。分別是能量存儲、功率平衡、增程續(xù)航。
（1）“豐田模式”：能量存儲型
在豐田的系統中，搭載了鎳氫電池以實現電電混合。而鎳氫電池的作用，主要用于能量的回收儲存，這是豐田的表述。能量存儲并非目的，將能量轉化成可用動力才是關鍵。因此，我認為“豐田模式”的電電混合，仍是以“削峰填谷”作為目標。
豐田選擇鎳氫電池實現電電組合，我想多半是來自于豐田在普銳斯上技術的積累。在普銳斯上，豐田配置了168個單體電壓為1.2V的鎳氫電芯，總儲能容量為1.3kWh，藉此保證普銳斯的發(fā)動機始終在最“佳”的工作狀態(tài)。
在城市行駛的工況下，普銳斯的管理系統，將電池的充放電深度控制在很小的范圍之內，而儀表盤上的SOC顯示，只是電池可用范圍上的消耗百分比。淺充淺放的使用場景，保證了鎳氫電池的壽命。
Mirai借鑒了相似的結構。將鎳氫電池與燃料電池耦合相連。在剎車時，回收能量存儲與電池當中。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。在系統變載時，鎳氫電池向系統輸出瞬時功率，讓系統更加平順。
同時，鎳氫電池屬于“水系”電池，因此在使用過程中，相比鋰電池，在出現故障時，電池本體起火的可能性更低。因此，就安全性來說更勝一籌。
簡單總結豐田的電電混合模式，從表面上看，是對于能量的回收。但是其本質，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
本田對燃料電池汽車的開發(fā)，可以追溯到上世紀的80年代。第一代FC樣機的實驗，實在奧德賽上完成的。時隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿態(tài)，展現FCV的技術。
本田的核心技術，是將燃料電池發(fā)動機集成到和V6標準發(fā)動機相同的大小。這讓Clarity在布置上，可以大量借鑒傳統汽車的結構，降低設計風險。
本田的電電混合系統，由燃料電池、鋰離子電池通過本田特有的部件FCVCU進行連結。
燃料電池電壓控制器（FCVCU）是實現“本田模式”的關鍵部件，它是一種高效的電壓調節(jié)裝置。應用SIC-IPM，（我對這個技術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現對燃料電池電堆電壓的轉化。
相比豐田強調的回收制動能量，本田的電電混合技術更加強調對功率的提升。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出力。在最高功率時，鋰電池出力占整個系統的30%。
揣測本田的設計思路，就是通過電壓的控制，增加鋰電池對系統出力的比例，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技術：即燃料電池只為鋰電池充電，鋰電池單一驅動電機。我曾在展會上見過類似的應用。燃料電池在幾個相對固定工況下工作，使控制難度進一步降低。但是這種純粹以“增程”為目的的FCV應用，本質上是犧牲功率換取續(xù)航的做法。
總結一下電電混動的技術，簡單說就是儲能電池像一個蓄水池般不斷地充放調整，以平衡系統的功率特性和容量特性。各家技術的區(qū)別，在于所配備“蓄水池”的大小不同。如果單從技術上來評價，豐田僅僅配備了2kWh的鎳氫電池，在燃料電池管理技術上來說，最為先進。但也要從成本和壽命上綜合考慮。
2燃料電池汽車的優(yōu)勢在哪
與電動汽車相比，燃料電池汽車在形式上更加符合汽車的要求。一般來說，燃料電池汽車在幾分鐘，便可充滿滿足500公里續(xù)航的氫氣；而特斯拉的Model S，最多只能保證在20分鐘內充滿續(xù)航300公里的電能。當我們計算成本的時候，很少把使用的方便性計算進去。因此，和很多人觀點相同，補充氫氣更方便是燃料電池的最核心優(yōu)勢。
特斯拉第三代超充峰值功率提升到 250kW
在此，我想追問兩個問題。第一個問題，雖然充電更為耗時，可否用商業(yè)模式去彌補？
我曾見過這樣一個項目，將充電站和購物休閑相結合？其所謂的痛點，就是幫人們“打發(fā)”充電的等待時間，同時產生利潤。說實話，我個人對類似商業(yè)模式的評價是一個字：尬！也許反過來，一個成熟的商業(yè)中心提供一些充電服務更加合適。
第二個問題，如果在技術上，提高充電樁的功率，讓充電更加快速，從而減少等待時間。屆時燃料電池還有沒有優(yōu)勢？
雖然技術上也許可行，我覺得并非一個好的解決方案。首先，直流快速充電對電池耐用性和壽命上的傷害，一直是一個讓人擔心的問題。一些純電動汽車制造商甚至會直接建議少用快充，以提高電池壽命。其次，提高充電速度，會降低系統的效率，增加能量損失。暫且不提損失的能量有多少，從設計理念上看，多少與綠色理念背道而馳。第三，大面積的快充裝置對能源結構有影響。
從上述分析可以看出，一味地提高充電功率，是既損失效率，又損失電池壽命的做法。未來對新能源汽車的要求可能車型更大，續(xù)航時間更長，充電時間更短，這就更加凸顯了電池所帶來的木桶效應。燃料電池的優(yōu)勢則更加彰顯。即使把加氫時間降低到3分鐘以內，也不會對電堆有絲毫的影響。
當然，我們可以寄希望于未來鋰電池技術的發(fā)展。比如所謂的全固態(tài)電池技術。但是，在此我想引用現代的技術專家說的一句話：“雖然我們對未來的創(chuàng)新有所期待，但是終歸只是猜想。”
3氫能更加低效嗎？
1度電，可以讓電動汽車行駛5~7公里，但是如果把1度電制造成氫氣，再將能量釋放出來行駛，那么行駛里程可能只有三分之一。那么為什么一定要用氫氣？
電動車業(yè)內的大佬馬斯克認為氫是一種低效的能源。能源經過的多次轉換，看似遠不如直接用電高效。
相同的質疑聲，也會指向純電動汽車。一些人認為當下的新能源汽車，只是從“燒油模式”轉變?yōu)?ldquo;燒煤模式”。
對此，我們必須明確，能源是從哪里開始計算的？美國能源部提出了2035年全周期能耗（BTUs/miles）的評價。BTU，指的是英熱單位，1度電約等于3412BTUs。而所謂全周期，指的是從最初的能源生產到被車輪消耗掉的整個過程。
