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时间: 2020年02月29日 14:23 | 来源: 空城旧憶、故人離 | 编辑: 全星辰 | 阅读: 4299 次

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有没有一种职业,叫轿车殡葬业...

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电动轿车,燃料电池体系,电力电子

清华大学教授 李建秋

十分侥幸能有这么一个机会给咱们陈述在燃料电池体系中的一些电力电子的疑问。我的陈述大约分红四个有些:

榜首,燃料电池体系的构成。

第二,国内外燃料电池轿车开展的最新开展。

第三,具体燃料电池体系中心的电力电子的具体疑问。

第四,小结。

首要,来看燃料电池体系。

燃料电池体系包含电堆本体,包含外围的空气体系;然后是冷却体系,有电扇、水泵等等,也包含节温器;还有氢气供给体系,包含氢气的电磁阀和再循环的回路。燃料电池是被迫作业的,功率输出有必要要有一个DC/DC来协作,悉数体系由相应的电控体系来协作作业。所以咱们通常来讲,一个燃料电池体系,咱们简称燃料电池发动机,包含有电化学的,即是他自身作业的进程是电化学的,可是也包含传热传质的进程,气体的活动、水热沟通等等。当然包含功率操控,电力电子包含电机的操控。所以搞燃料电池发动机有必要要集成三个学科的团队,一个是电化学的,一个是传统发动机的,还有一个是电力电子的。

第二,燃料电池轿车国内外的开展。

首要,电堆技能或许最中心的有些,根本上分红两大门户,一个是以轿车作为使用的,选用金属的双极板,图底下是电机和变速器,这个是空压机,上面即是带有电缆的接口是电力电子操控总成,是用碳化硅的半导体器材来做的。这个是本田,本田的燃料电池发动机在国际上如今技能状况是最佳的,2015年的MIRA根本上排第二。这边是美国的,本来UTC做的商用车的燃料电池体系,你可以看到它的功率密度差一个数量级,即100千瓦/公斤,这个大约有三四百公斤重,所以你可以看到电堆的功率密度是很低的,为何不相同这么大呢?是由于用的资料不相同,它的电堆用的是金属的双极板,另一个电堆用的是碳板,碳板体积大、重一点。这个电堆的特性即是耐久性十分好,均匀超越1万小时,最佳的一辆车在美国现已跑了2.3万小时,可是咱们金属板的发动机通常都不会超越5千小时。

下面就陈述,把这个发动机装在车上构成了各种燃料电池车辆的开展状况。首要是客车,如今国际上,如美国、德国、日本都推出了燃料电池客车,功率大约是从120—200千瓦,都配有锂电池(多多少少都会配的),加上两个电机,通常的电机功率都比照大,续驶路程可以跑到300公里没有疑问,耐久性均匀抵达1万小时。可是这个车做的比照贵,大约是100万美元左右,咱们国内的车比它廉价,后边咱们会讲。

货车的状况,这是最新的开展,货车如今现已有三家开端在做了,一个是美国的Nikola One,是一家专门做货车规划的公司,它声称它要做一辆燃料电池半挂的拖车,大约可以行进1000英里,是用200公斤的液氢储氢设备,300千瓦的燃料电池体系,这个车还没有出来。上一年一提出这个主意,丰田说我有燃料电池发动机,所以丰田就抓紧时间做了榜首款燃料电池的货车。在Nikola One之前推出了这个,以后丰田遭到Nikola One的启示,说我也做重卡,美国港口牵引车用的8级重卡,总重大约49吨,36吨的载货量,用了4个气瓶,2个MIRA的动力体系,现已做了搞了一些活动。

从能量密度来讲,可以满意长距离、重型车辆行进,可以继续供给能量的,我感受仍是燃料电池比照靠谱。

下面陈述一下轿车的状况,燃料电池轿车国外开展要点的,包含丰田、通用、日产、奔跑,包含后边还有几家都推出来了。通用这个车老一点,处在大约2008、2009年的状况,后边没有再改善了,其他两家都是近来两三年改善的,续驶路程都在500—600公里,跟传统的燃油车差不多了。除了这个以外,近来又有几个新的参加这个阵营,宝马、群众,群众尤其是奥迪的品牌,一个车辆推出三个版别,纯电动、插电、燃料电池,选用四驱,一个车上用了三个气瓶可以装6公斤的氢气,完好的跑600公里没有疑问。

戴姆勒奔跑推出了它的插电式的燃料电池轿车,功率大约是75—100千瓦,9千瓦时的电池。现代在IX35 SUV上推出了燃料电池发动机。

咱们想给咱们看看,本田的发动机集成度是最高的,由于咱们今日是电力电子,它是世界上首要悉数选用碳化硅功率模块完结小型高功率,大约100千瓦的DC/DC改变器,集成在上面,咱们以为这些作业在全球来看都是抢先的。

并且它做了一项作业,把燃料电池发动机真实的代替传统的发动机,放在发动机舱悉数动力总成。这是将来本钱的开展状况,国内外估计到2020年一辆燃料电池轿车,适当于B级车的水平,续驶路程五六百公里,一次加氢3—5分钟,整车本钱是2600美元,大约20万人民币不到,所以这个根本上现已为燃料电池轿车的工业化铺平了路途。咱们曩昔讲,本来咱们格外忧虑贵金属铂的用量比照高,如今最新的资料技能水平,选用非铂和低铂的催化剂现已可以降低铂的用量,传统内燃机,即是咱们平常开的汽油机,三效催化设备后边有后处理设备大约3—5克铂,所以燃料电池车的铂用量在敏捷挨近传统内燃机的水平,这个是值得咱们注重的。

方才欧阳教师讲,特斯拉用了10几公斤的钴,将来最少每辆车用公斤级的钴是有必要的。公斤级的钴跟克级的铂差了上千倍,所以钴虽然地球的储量比照多,可是咱们的判别将来纯电动,即是电池的工业大了以后,这些金属的资本也会相对稀缺,咱们猜测的成果是将来动力电池和燃料电池要相互协作,它是一个燃料电池轿车,可是上面也用动力电池,可是用量不会像纯电动那么多,用氢来做存储设备,抵达纯电动轿车核燃料电池轿车两个协调开展,咱们的电池工业、核燃料电池工业可以相互协作开展,这是有利于咱们悉数新能源轿车职业协调开展的。

其他的不再多说了,包含有轨电车,咱们近来也在跟青岛搞有轨电车,本年要上线开端在佛山运行了。

国内的状况给咱们简略陈述一下,咱们现已做了十多年,2015年开端,咱们一个动力体系渠道,往物流车、客车、有轨电车,包含如今轿车也开端推了,做了许多的作业,包含它的耐久性。这是咱们的客车跟国外的比照,根本上咱们12米的客车如今报价在200万以内,这仍是在咱们燃料电池发动机没有批量出产状况下的本钱,咱们如今燃料电池发动机批量的出产线,年产200套,下一步到年产1万台的发动机出产线,等咱们把这个线建起来,它的本钱应当还能再降低2—3成。国外的车辆,咱们悉数功用跟它差不多,可是本钱跟耐久性明显进步,这块咱们是有立异的,咱们如今国内做的燃料电池动力体系跟它们仍是有差异的。这个是有轨电车正在调试的状况,咱们如今一个动力体系渠道推行到不相同的整车使用里边,并且从本年开端上百台的客车的订单现已开端在出产了。

技能道路不具体讲了,有一个耐久性的猜测,依据咱们国内电堆和资料的水平、操控的技能,咱们猜测2020年抵达1万小时的方针,到2025年,由于咱们资料和操控技能的开展,会做到2.5万小时,根本上跟客车等寿数,所以咱们估计从如今到2020年仍是小批量演示1万左右的量,到2025年咱们估计产值就会起飞了,并且起飞的量是依照10万台,每年几万台到10万台的量起飞,咱们悉数工业链规划,以发动机为中心,一瞬间咱们要讲的咱们的电力电子的这些疑问要害零部件,咱们开端要进行要害化的规划和预备。

下面陈述一下燃料电池里边几个要害的点,即是电力电子疑问。

榜首,燃料电池专用的DC/DC,它的功率模块有些是十分要害的,DC/DC要完结啥功用呢?咱们是把它作为燃料电池操控的首要执行器,榜首个功用完结功率的改换,第二个功用要完结对燃料电池的耐久性进行操控,即是操控燃料电池的功率电压,咱们知道功率等于电压×电流,实际上这个即是双闭环操控。一起要直接操控燃料电池功率的改变率,这个也是很要害的,除了功率自身要操控还要操控改变速度。第三个十分要害的,参加燃料电池的沟通阻抗辨识,不只仅要完结功率的改变,并且是要经过发作高频的扰动信号,协助操控体系来辨识电堆里边的含水量。所以不要以为一个通常的DC/DC的公司就可以做好这个燃料电池的专用DC/DC,这个概念是错的,还需要有一些新的功用。直接操控燃料电池在暖机进程的作业电压,这个也是不相同的。还有其他的,轿车级的电力电子器材的作业请求,电池兼容、分量、体积、功率、本钱,还有26262的标准请求等等。

下面打开讲讲,双闭环操控体如今啥地方呢?双闭环操控体如今燃料电池假如作业电压过高的话衰减会很快,假如作业电压比照低的话,衰减却是不马上,可是你的发动机功率会降低,通常会有一个下限电压,也会有上线电压,通常叫做电压前位操控,电压前位操控的意图即是为了使得发动机的经济性、耐久性都比照好,这是咱们前位电压操控的算法。国外也做过,电压改变率,假如负载,比如从0.65满负荷、怠速或许空转,假如你的电压骤变可以看到赤色这条线不到1千小时电堆衰减到只要80%了,假如只安稳在一个点,即便7千小时也衰减不到5%。所以这些都是咱们把DC/DC作为燃料电池的首要的执行器,包含瞬态的操控以及改变率。咱们如今提出来,DC/DC功率的改变率和电堆的内部作业进程要相互协作,空气的流量和压力在动态进程中相互协作。

还有一个,需要经过动力体系,即是说燃料电池的功率不能急剧的改变,车辆的功率要随意改变的,司机一脚油门踩下去就要加快,怎么办?这儿边有混合动力操控的疑问,燃料电池的功率跟动力电池的功率如何相互协作,咱们曩昔做了十多年,首要在这方面做了许多的作业,如今根本上咱们动力体系的技能现已安稳了。

还有一个,如何参加内部状况辨识,这是燃料电池的作业电压特定曲线,横坐标是电流,纵坐标是电压,为了辨识燃料电池电堆里边含水量的状况,需要专门发作一个自动的扰动信号,这个扰动的量不是很大,十几个安培的电流改变就可以,经过这个扰动量把DIDT和DVDT求导,取得沟通阻抗,这个质子沟通膜是电堆最中心的发作电化学反响的膜,咱们使用这个含水量来看膜的含水量,即是经过阻抗的巨细,完结含水量的闭环操控,这个叫燃料电池的水办理,这个对燃料电池的耐久性影响是十分大的,假如膜高了,这个寿数就会很快的衰减。

DC/DC的功用即是要直接完结软机发动,正常燃料电池输出电压是0.75V,低温条件下为了燃料电池的产热比照大,这个有些是产热,下面是功率输出,冷发动的时分需要DC/DC拉的电压会很低,比如说0.1V每个单体,正常作业是0.75V,发动的时分为了完结迅速,软机要拉到0.1—0.2V。

悉数燃料电池DC/DC的操控电压是这么的,首要,蓝色的这条线代表低温发动的时分,即是说正常作业电压大约300V多到400V发动的时分只要几十伏,跟着电堆温度上升,DC/DC会逐渐的调高暖机电压,最终温度正常的时分再调高到正常的作业电压,所以这个对DC/DC的作业频率,对你的设置、对你的参数的匹配都是有影响的,不是一个通用的DC/DC。

第二点,燃料电池空气体系里边有一个十分十分要害的执行器,即是它的空气压缩机,为了进步燃料电池的功率密度,通常咱们需要对它的空气进行增压,通常跟咱们内燃机增压到2—3个大气压,如何增压呢?咱们传统内燃机可以经过废气涡轮增压,可是燃料电池发动机废气的能量是很低的,由于排气的温度只要六七十度,不像内燃机可以到五六百度,差一个数量级,这么咱们有必要要用一个电机来驱动这个空压机,单位作业转速很高。这个电机和操控器就很要害,咱们如今有一个专门的团队是搞空气动力学的,他专门要把这个空压机的转速降下来,从10万转降到5万转,降到4万转,即是说空压机叶形的规划降低转速,这儿边有啥呢?空压机的总成规划疑问,这么高的转速电机加上叶片在一起,在一根轴上,这个轴的动力学就很要害,轴承也很要害,你不能用咱们废气涡轮增压的机油来光滑这个轴承,为何呢?机油会构成油的蒸汽,这个会构成电池污染,所以咱们有必要是无油空压机的研制,咱们如今安排啥部队在研制呢?在佛山广顺在职业里比照有名,是专门做医疗里边空气泵、空压机的。还有一个团队航天11所,航天动力研究所,搞长城5火箭发动机液氢液氧泵的团队,那个液氢液氧泵的转速也很高,咱们经过他们处理这个疑问。

当然电控方面临咱们也是应战,一个10万转的电机不是那么好做的,当然咱们今日英飞凌的徐辉女士也在这儿,咱们跟她们也在协作,电机操控这块,用TC275的渠道在做这些作业。你可以看到,这儿边12万转的转速,低压堆也要5万—6万转的转速。

电机咱们在跟精进电动协作,恰好咱们蔡蔚博士也在,咱们在做相应的作业,如何把高速电机的规划跟空压机集成在一起,这个难度很大,由于电堆自身咱们如今有好几家能处理了,反而是空压机如今还没有量产,没有批量做的比照好的。

一起,由于要上高转速,所以电流的操控能力要更强,所以咱们期望可以上碳化硅的这些操控的,新的电力电子器材期望用在上面,包含方才本田的发动机,现已是DC/DC和空压机都现已用碳化硅的器材来做电力电子器材了。

第三个有些,咱们的氢气再循环泵和操控器。氢气再循环泵有一个特色,榜首,要防爆,跟咱们阴极还不相同,阳极这个由于大有些气体是氢气,所以它的速度也很高,也是几万转到十几万转,一起还要防爆,这个防爆的电机和操控器应当怎么做?一起介质是改变的,阴极水蒸汽透过膜,由于如今质子沟通膜很薄,大约20微米厚,会透过阴极抵达阳极,假如一向循环不排,氮气和水蒸气的份额会上升,氢气的浓度就会降低,反响功率就降低了,所以你还得常常要有阳极的尾排,尾排以后气体成份就变了,成份变了以后空压机的作业,由于它的黏度和阻力都不相同,氢气的阻力是很小的,氮气和水蒸气的阻力和黏度是比照大的,所以氢气再循环泵的阻力就会改变。所以这块咱们现已到了,根本上国内如今没有人提这一块,咱们即是把这个需要提出来,所以咱们在座的有搞电力电子、有搞电机的,期望可以跨职业的协作,把这个空压机和氢气再循环泵这两个高速的旋转部件做好下一步的研制和布置,这么咱们国家燃料电池发动机的技能水平才会有一个比照明显的进步。这是咱们悉数氢体系的,里边有三个执行器,一个是前端的氢气喷发,就像咱们天然气的喷嘴相同,也是要用电控喷发的,这个咱们现已处理了,如今氢气再循环泵还没有处理,尾排电磁阀也处理了,所以悉数的要点在这儿。

最终讲一讲咱们如今在沟通阻抗辨识反响的开展。咱们现已做了一个,这是咱们的主DC/DC。咱们不改这个主DC/DC的功用,咱们加了一个小DC/DC专门来做沟通阻抗辨识,如今开展十分好,根本上咱们跟国外的比照咱们现已把每个电堆包含每一片的沟通阻抗都测出来了,这儿边仍是有一些难点的,即是每一片的电压动摇两十分小,如何才干让你这个电压的收集十分准确,咱们在丈量方面也做了许多的作业。

这个DC/DC,即是咱们跟英飞凌协作的成果,英飞凌专门给咱们供给了一个通用的DC/DC,咱们就拿它来作为沟通阻抗辨识,如今咱们做的根本上现已可以完结反应了。

下一步要做的即是沟通阻抗的算法直接AURIX TC275的,现已有一个规划了。

将来咱们期望完结的,燃料电池发动机不论作业温度和负载有啥改变,这个膜的含水量,沟通阻抗根本上是稳定的,这么燃料电池的耐久性就会得到确保。

最终做一个小结。榜首个定论即是,要搞好燃料电池发动机一定要组好团队,不只要有搞传统电化学的,即是搞燃料电池资料的人,也要有传热传质的人,这儿边很多即是传热传质的作业,要想把发动机操控好首要是操控和传热传质方面安排好。第三个即是今日的主题,咱们电力电子,不论是DC/DC,仍是空压机的电机,仍是氢气再循环泵的电机,以及操控器,在燃料电池的操控里边是占有十分首要人物的,所以咱们着重,只要完结多学科的集成,才干战胜耐久性木桶的短板效应,最终把每个木桶的板子做的都相同齐,燃料电池的耐久性就会高了,不然假如你有一个短板,那个短板就会严峻的影响这个电堆的耐久性。

第二,燃料电池专用DC/DC是它的中心的执行器,承当了多个功用的完结,它的归纳功用是彻底依赖于DC/DC的,所以咱们培养的亿华通即是在搞燃料电池发动机的产线,是自个把DC/DC也做工业化了,即是由于太中心了,适当所以它的首要的中心有些。第三,空压机、电机是它首要的执行器,需要霸占压气机和电子转子一体化集成、高速和超高速电机操控加上空气轴承技能才干真实满意FCEV的需要。

我的陈述就到这儿,谢谢各位专家和领导。

(依据速记收拾,未经自己审理)

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  要害字:城市功用

  人均GDP到达11.5万元</strong>

  虽说是新楼盘,一期现已悉数售完了,第二期所剩的房源也仅剩没有几套。</P>

(全星辰编辑《空城旧憶、故人離》2020年02月29日 14:23 )

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