原创《氢燃料电池车商业化已经上路》
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随着石油资源的不断消耗,传统燃油汽车在未来将被新能源汽车取代已成定局.燃料电池车作为新能源汽车发展的终极目标,当前已进入市场导入期.
从国际上来看,商业化进程正在加快,到2020年,我们可以看到氢燃料电池汽车会成为一个重要的组成部分.目前,丰田、本田、现代、宝马、奔驰、奥迪等国际车企都在紧锣密鼓的研发燃料电池车.其中,丰田 Mirai、本田 Clarity、现代 ix35FC3款车型已进入市场销售.
从国内来看,燃料电池车在技术上与日韩等国家仍有差距,从目前的技术发展水平及应用场景来看,造就了国内燃料电池商用车先行的局面.
本文盘点了国内外有代表性的车企在燃料电池汽车上的研发成果.可以看到,虽然目前燃料电池汽车尚处产业化前期,但随着燃料电池技术的成熟以及加氢站数量的增多,预计未来几年燃料电池车数量将逐年大幅提升.
国际篇：主流车企抢跑
丰田Mirai
“Mirai”是丰田首款量产的氢燃料电池车.如其名,Mirai被丰田汽车视为“未来之车”,于2014年12月在日本开始销售,随后从2015年秋季开始将销售范围扩大至美国和欧洲.
动力方面,位于传统汽油车发动机位置的是一台电机,电机通过燃料电池堆生成的电力和来自驱动电池的电力进行驱动,可以实现113 kW最大功率,335 Nm最大扭矩的动力输出,上方还有个PCU（动力控制装置）用来保证所有行驶工况下都能合理地控制燃料电池堆的输出功率和驱动电池充放电.该车的最高车速可以达到175 km/h.
位于前排座椅下方的燃料电池是整个车辆的电力来源,其体积功率密度达到3.1 kW/L,最大功率达到114 kW.在新一代燃料电池系统中,发出的电能还需要经过FC升压变频器的升压才能供给电机使用,最终可将FC电池堆的电压升至650 V.
据可靠消息称,该款车一次充气最大续驶里程可以达到500 km,仅需要5 min就可以将车内的氢气罐注满.
为了在二十一世纪20年代实现氢燃料电池车的真正大规模普及,丰田计划在2020年前后将Mirai、氢燃料电池大巴等氢燃料电池车的销量扩大至每年3万辆以上.
本田clarity
本田旗下的氢燃料电池车Clarity于2015车展首发,事实上在氢燃料电池车这件事情上,本田花了很多心血,他们对于Fuel Cell的研究最早可以追溯到1999年.
为了将燃料电池传动系集成在发动机舱,本田将整个系统的体积缩小了33%之多,其体积功率密度却增长了60％,且这个布局方式的抗冲击能力较上一代FCX大大增强.电池被布置在了下方,同样使用了抗冲击的电池结构,氢储存罐则保留在了后方,使用了一大一小2个储氢罐,加满需要3 min左右.其所搭载的电机最大功率为130 kW,燃料电池的功率为103 kW.JC08工况测试下的续驶里程可以达到750 km.
乘客座椅下面和后面的一对氢气罐在70 MPa压力下储存了141 L约5.5 kg的氢气,是以前FCX的2倍之多.尽管每个部件的容积已经尽可能缩小以节省空间,但Clarity储存燃料量依旧增加了39％.储氢罐的工作压力高达70 MPa,Clarity对于氢能安全采取了三步骤预防,第一,足够强大的储存结构强度,尽可能做到不泄露；第二,随时监测,如果监测到发生泄漏立即阻止；第三,如果泄漏已经不可逆,将使用安全的方式排放泄漏的氢气.
此外,本田汽车和通用汽车共同出资8500万美元成立燃料电池系统制造公司,并力争2020年左右开始投入量产.
现代NEXO
在日本“氢社会”的主导下,丰田和本田在氢燃料汽车上的宣传格外卖力,相关车辆也进入了量产阶段,不过很多人不知道的是,世界上第一辆氢燃料电池汽车来自韩国现代.
2013年2月,世界第一辆量产版氢燃料电池车ix35FCV在现代汽车韩国蔚山工厂正式下线.5年的积累让现代在氢燃料汽车方面更加成熟,同时大量匹配设施的建设也初见成效.在日前举办的CES Asia 2018上,现代汽车以“未来氢社会”为主题,展示了最新一代NEXO氢燃料电池车.
动力方面,现代Nexo的整备质量相比以往的ix35燃料电池车整体减重20%,同时搭载在现代Nexo的第四代氢燃料电池技术的动力效率提高20%、燃料电池堆功率密度增加了30%.这就使得其电机最大功率达120 kW,峰值扭矩395 Nm,其0~96 km/h加速时间为9.5 s,最高车速160 km/h.
新车一改此前ix35氢燃料电池车的双储氢罐设计,取而代之的是由3个相同尺寸储氢罐组成的储氢装置.通过对塑料内衬结构的创新设计等,使现代Nexo的储氢罐的容量达到了156 L,比ix35氢燃料电池车的储氢罐减重了13％,同时容量增加了12％.
Nexo的NEDC工况续驶里程可达约805km,其加注燃料的过程仅需5 min,相比普通汽油车型也不相上下.
此外,新车的结构经过优化,在燃料堆中融入现代独有的技术,比如MEA（Membrane ElectrodeAssembly）和双极板,确保汽车能在-30 ℃时顺利启动并降低成本.
据悉,现代将在2018年推出一款全新氢燃料电池SUV,最大续驶里程可达805 km.到2020年,现代将新建超过100个加氢站.
奔驰GLC F-CELL
奔驰在氢燃料电池汽车的研发上已经持续了22年的时间.从1994年开始,奔驰就推出了第一台氢燃料原型车NeCar 1.在2017年法兰克福车展上,奔驰发布了首款氢燃料电池动力车型——GLC F-CELL,在欧洲NEDC标准下达到437 km的续驶里程.
GLC F-CELL并不是完全通过氢燃料电池获取电能前行,车上同时搭载氢燃料电池和插电混合动力系统,既可以使用氢能也能够使用外界电能.该车只要有4种工作模式,分别是混合动力模式、氢燃料模式、电池模式和充电模式.
奔驰GLC F-CELL将燃料电池系统放在发动机舱,中部则是放置2个储氢罐,尾部则是可充电的锂离子电池和驱动电机.
车身中部的2个碳纤维储氢罐能够储存约4.4 kg氢气,罐体由戴姆勒Mannheim工厂生产,罐体内部压力高达700 bar.储氢罐从空至完全加满需要约3 min.戴姆勒集团与合作企业在加快建设加氢站,到2018年年底,德国的加氢站将会达到100个,到2023年,预计会有400个加氢站出现,类似的基础建设在欧洲、美国和日本都会开始推广.
宝马i8氢燃料电池测试车
宝马曾经在2007年推出了一款氢能7系轿车,并在2007年上海车展上进行过宣传.虽然有“氢能”二字,但其只是可以燃烧氢气的内燃机车,而非依靠氢燃料电池进行化学反应产生电能的产品.这次尝试,宝马一共只制造了100辆试验车,而最终也因“烧氢气”不太靠谱而未将其大规模推广.到了2015年,宝马展示了基于宝马i8和5系GT车型的氢燃料电池原型车,而自那以后宝马对于此种车型的研发工作从未停止过.
宝马-丰田早在2013年就开始共同合作研发燃料电池技术,全新宝马燃料电池车预计2020年推出,新车将拥有超长的续驶里程,且新车将是一款大尺寸轿车.目前,宝马计划在iNext车型的基础上开发燃料电池版汽车.
目前,宝马推出的一款i8氢燃料电池测试车是基于宝马i8打造的,试验车在i8尾部原本安装发动机的部位安装了氢燃料电池,这套动力系统的最大功率可以达到188 kW,而其排放物只有水.据悉,目前宝马并没有计划打造一款量产版i8氢燃料电池车.
国内篇：商用车先行
上汽荣威950燃料电池轿车
荣威950燃料电池轿车是目前国内唯一一款实现公告、销售和上牌的燃料电池轿车.具备动力电池＋燃料电池双动力源,可实现纯电动,混合动力和制动能量回收等模式,同时具备外接电源慢充功能,实现了真正意义上的能源多元化.荣威950燃料电池轿车最大续驶里程达430 km,能在-20 ℃的温度下启动.
上汽大通FCV80燃料电池轻客
在2017年广州车展,上汽大通宣布中国首款商业化运营燃料电池宽体轻客FCV80正式上市.该车指导价130万元,扣除国家和地方补贴后,最终到手价只有30万元,它在上市前就已收获100多辆订单.据悉,按照上汽大通规划,预计2018年可实现累计交付400辆.
该车采用最新一代氢燃料电池系统,搭载了最为适合汽车使用的质子膜燃料电池,以及35 MPa高密度储氢系统,同时拥有以燃料电池系统为主＋动力电池为辅的双动力源.
在充能方面,FCV80在使用过程中仅需3~5 min的加氢时间,使用便利性类似传统燃油车,更优于纯电车型.该车最长续驶里程可达500 km,解决了纯电动汽车用户在续驶里程方面普遍存在的焦虑.
对于燃料电池的安全忧虑, FCV80采用氢浓度实时监测及保护、氢气过压保护、氢限流保护、特殊情况自断氢保护、氢泄露防护主动控制、高压安全设计保护、碰撞安全设计保护、涉水安全设计保护、主要系统具备24 h远程监控等,全面保驾护航.
福田欧辉燃料电池客车
早在2006年,福田欧辉与清华大学联合承接了国家“863计划”中氢燃料电池电动客车的研发,迈出了福田欧辉氢燃料电池客车的第一步；2008年,第一代氢燃料电池客车服务北京奥运会,圆满完成奥运会男、女马拉松比赛服务用车任务,至此,福田欧辉的“氢”实力已初见成果.
随后在2014年,福田欧辉研发出第二代12 m氢燃料电池客车,解决了生产升本高、燃料电池寿命短等阻碍氢燃料电池客车发展的瓶颈.紧接着,在2016年福田欧辉第三代8.5 m氢燃料电池客车问世,并签下100辆8.5 m氢燃料电车客车订单,创下了全球最大批量氢燃料电池客车订单记录,推动了氢燃料电池客车产业化、商业化运营的进程.2018年,福田欧辉持续发力,揽获49辆氢燃料电池客车订单,这批车辆将于2022年作为张家口城市形象代表,在2022京张冬奥会期间服务为张家口市民提供绿色出行服务.
在车辆的安全性、稳定性方面,福田欧辉氢燃料电动客车通过采用干膜技术,可实现-30 ℃低温启动、-46 ℃低温存放和停机自动保护,满足低温气候的使用需求.另外,在续驶里程方面,欧辉氢燃料电动客车可实现加氢时间不超过10 min,续驶里程达到500 km,全面提高了用户的运营效率.
据了解,未来福田欧辉还将陆续推出氢燃料技术的10.8 m、12 m高速长续驶里程城间车型及18 m大容量城市干线公交车型.
宇通燃料电池客车
宇通自2009年开始研发燃料电池客车,经过多年努力,已突破燃料电池电-电混合等多项核心技术,并完成了三代燃料电池客车开发.其中,2016年发布的第三代燃料电池客车正在进行实际道路测试,截至目前,已累计运行了3.5万多km,系统稳定运行已超过1000 h.
据了解,ZK6125FCEVG5燃料电池客车采用60 kW燃料电池系统和动力电池的混合动力系统方案,续驶里程可达500 km,是宇通2017年研发打造的又一佳作,该车于2017年12月进入第302批《道路机动车辆生产企业及产品公告》,并开始走入市场.
据介绍,该燃料电池客车系统寿命可超过1万 h,低温启动可达-30 ℃,可满足我国大范围地区环境使用需求.此外,该车还应用了高效燃料电池技术、制动回馈技术、高效电机驱动技术及电附件能量综合管理技术等多项整车节能控制技术,其工况氢耗可降至6.5 kg/100 km.
中通燃料电池客车
LCK6900FCEVG作为中通首台燃料电池客车,同时也是国内首台9 m级燃料电池车型.该车针对国内9 m公交市场设计研发,在开发之初就瞄准燃料电池技术的产业化,DC、供氢系统、电堆、整车控制器全部独立采购后由中通客车集成,通过样车装车及整车联调,中通客车在快速掌握燃料电池核心控制技术的同时,最大程度的降低了整车成本.
该车电堆净输出功率超过32 kW,使用寿命超过1万h,标准工况运行续驶里程可达400 km. LCK6900FCEVG试装了众多乘用车行业新技术,如一键启动、电子驻车、前防碰撞、360°环视系统等先进技术,值得一提的是样车还装配了一套3 kW外供电系统,在车辆巡展、没有外界电源时或遭遇自然灾害造成无法供电时,可通过车载燃料电池为外界提供持续的220 V电力.
在2017天津国际客运交通装备与技术展览会上,中通客车还发布了其首款12 m氢燃料电池客车——LCK6120FCEVG,在发布的同时也同期上市.该车工况续驶里程为400 km,可持续发电1.5万h,可以满足大中型城市公交以及团体用车需求.
安凯燃料电池客车
安凯客车在早期就已经开展氢燃料电池客车的相关技术研发及产品布局.安凯第三代氢燃料电池客车,基于全承载结构平台打造,其燃料电池系统具有高度集成的式设计、优化的系统匹配和极简的系统架构设计等优势,整车在动力性、经济性、舒适性上可实现协调平衡.
另外,在研发上,安凯氢燃料客车与纯电动客车一样,完全遵循产品平台化与迭代化开发思路,不久的将来,安凯客车将逐步完成6~12 m系列氢燃料客车平台搭建.
燃料电池论文参考资料：
归纳总结:本文是关于氢燃料电池和商业化和上路方面的燃料电池论文题目、论文提纲、燃料电池论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
