汽车氢燃料技术现状分析

2018-06-15 02:40阅读:33

作者 : 千讯咨询   来源 / 本站原创

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千讯咨询发布的中国汽车市场前景调查分析报告显示,氢燃料电池车主要由高压储气罐、氢燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力蓄电池组、驱动电动机和动力控制单元等组成。

1.高压储气罐

氢罐是燃料储存的重要一步,在固定电源,便携式电力和运输等应用中推进氢气和燃料电池技术的关键技术。氢气具有最高的比质量功率,一公斤氢气的化学能为33.3千瓦时,是传统燃料的3倍。但氢在环境温度下的较低密度导致每单位体积的能量密度低,这需要开发具有更高能量密度的潜力的先进存储方法。

高压氢罐技术对于燃料电池汽车来说至关重要,氢罐储存氢气的多少将直接决定燃料电池汽车的最大续航里程。因此,各个厂商均将发展燃料电池汽车高压氢罐技术作为研发的重点。日本政府对于高压储气罐体有着较为严格的要求,丰田公司研发的高压氢罐获得日本政府的认可,表明该技术已经十分成熟,可大规模商用化。

高压储氢罐采用三层结构,内层是密封氢气的树脂衬里,中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂(CFRP)层,表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。

丰田公司研发的高压氢罐采用了碳纤维材料,储氢压力达到了70MPa。该高压氢罐拥有较高的强度,在各种碰撞测试中均有稳定的表现。

对于高压储氢罐的制造来说,Hexagon Lincoln Inc是拥有世界最先进的树脂衬里制碳纤维强化压力罐的制造商,可以制造出高质量的高压储氢罐。此外,加上三井物产公司在日本国内的综合实力以及东丽公司的碳纤维的制造技术,三家公司各自发挥自己的优势,计划于2020年左右在日本市场量产氢燃料电池车最关键的部位-使用碳素纤维制造的高压储氢罐。

Hexagon Lincoln Inc在车载用运输和储存天然气的复合罐的研发和量产方面有丰富的经验,也已经研发出了面向FCV的高压储氢罐。

另一方面,作为量产燃料电池车的先行者,日系汽车制造商也计划在2020年东京奥运会开幕时FCV的产量可达到上万台,因此在未来,作为FCV主要部品的高压储氢罐的市场也将逐步扩大。

由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器,其储氢压力可达到70MPa。耐压容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷等组成的薄壁容器,其储氢方法简单,成本低,储氢质量分数可达5%~10%,而且复合储氢容器不需要内部热交换装置。现在正在研究能耐压80MPa的轻型材料,这样氢的体积密度可达到36 kg/m3。但这类高压氢瓶的主要缺点是需要较大的体积和如何构筑理想的圆柱形外形;另外,还需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。因此高压压缩储氢容器还需要进一步发展。同时由于高压压缩储氢容器受限于氢气本身的密度,其储氢量很难大幅度的提高。

为提高续驶里程,70MPa高压储氢是国内外氢能储存的发展目标和研究重点。受材料生产能力限制,我国目前还没有生产70Mpa的高压储氢容器,主要依靠于日本进口。

主要的70MPa储氢罐研究动态:

①美国Quantum公司和加拿大Dynetek公司

车载氢气供应系统研究与开发,目前比较领先的是加拿大的Dynetek公司和美国的Quantum公司。美国Quantum公司的与美国国防部合作,成功开发了移动加氢系统-HyHauler系列,分为HyHauler普通型和改进型。普通型HyHauler系统的氢源为异地储氢罐输送至现场,加压至35 或70MPa存储,进行加注。改进型HyHauler系统的最大特点是氢源为自带电解装置电解水制氢,同时改进型具有高压快充技术,完成单辆车的加注时间少于三分钟。美国国防部已经前瞻性地将HyHauler系统应用到部分车辆上进行检测。加拿大Dynetek公司也开发并商业化了耐压达70MPa、铝合金内胆和树脂碳纤维增强外包层的高压储氢容器,广泛用于与氢能源有关的行业。

②美国通用汽车和Impco公司

美国通用汽车公司(GM)首先开发出用于燃料电池的、耐压达70MPa的双层结构储氢罐,内层是由无接缝内罐及碳复合材料组成,外层是可吸收冲击的坚固壳体,体积与以往耐压为35MPa的储氢罐相同,可储存3.1 kg压缩氢。美国加利福尼亚州Irvine的Impco技术公司随后也研制出耐压达69MPa的超轻型Trishield储氢罐,质量储氢密度可达7.5%,该公司目前正致力于开发质量储氢密度达8.5%和11.3%、耐压性能更好的储氢罐。

③中国浙江大学

2009年12月4日,浙江大学王新华研究员主持的2006年探索导向课题"70MPa静态化学热压缩高压超纯氢压缩技术与装置"通过了国家科技部高技术中心组织专家的验收。2009年科技部又推出了863课题,研制70Mpa的车载气瓶,大力推动我国高压储氢技术的发展。

在国家高技术研究发展计划(863计划)等的资助下,针对氢气压缩、储存和氢安全中存在的问题,经过近十年的努力,该课题组突破了70MPa高压气态储氢系统的若干关键技术,取得的主要成果有:(1)安全状态远程在线监控的全多层大容积高压储氢容器 将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合,创新性地提出了全多层高压容器结构,研制成功拥有自主知识产权的国际首台高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器,突破了高压氢气的经济、安全、规模储存的难题。(2)集压缩、净化于一体的低能耗70MPa静态化学氢压缩机 研发了在150℃下释氢平台压力达到80MPa的储氢合金,解决了高压下储氢合金粉末堆积预防和传热优化、氢容量匹配等关键技术,形成了高压超纯氢静态化学氢压缩技术,研制成功了国际首台70MPa静态化学氢压缩机,该压缩机同时具有显著提高氢气纯度的功能。(3)轻质铝内胆纤维全缠绕高压储氢气瓶设计制造技术 建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构-材料-工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄(0.5mm)铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术,成功研制了70MPa纤维全缠绕高压储氢气瓶的单位质量储氢密度达5.78wt%,实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。(4)高压氢气快充温升仿真系统及其控制技术 考虑材料比热容随温度的变化和气瓶内外壁之间的传热,构建了高预测精度的车载高压储氢容器快充温升数值仿真系统,准确预测了快充过程中气瓶内各处压力、温度的分布规律,给出了实用可靠的温升控制方法。

④法国空气化工产品公司

空气化工产品公司在氢气存储方面的研究取得新的进展:开发出基于复合储氢罐的"缩短压缩过程的加氢站"。这种改进的复合型储氢罐,消除了现场压缩氢气的需要,大大降低了氢气加注及加氢站基础设施建设成本。该种技术能够提高成本效益的关键是靠一装载复合压力容器的拖车(composite pressure vessel trailer,以下简称CPVs)来实现的。该拖车与氢气加注部件直接相连,这样使得氢气运输车整合成为加氢站的一部分。通过这项先进的技术,加氢站可以有效地加注压力为700 bar/10,000 psi氢能汽车,这使得加注氢气具有更大的灵活性和带来成本的降低。

⑤日本汽车研究所

日本汽车研究所(JARI)FCEV中心己开发出能够承受37 MPa和70 MPa压力的高压储氢罐,但是在压力由37 MPa增至70MPa时,这种储氢罐能够容纳的氢仅增加了60 %,这意味着储氢罐在储存极限以及制造更为紧凑的储氢罐方面存在问题。

⑥日本丰田公司

其采用了丰田独自开发的70Mpa的高压氢储存箱,容量156L,较从前的FCHV都有所增加,储罐压强增加了一倍。FCHV-adv一次充氢后续航里程可达830公里,达到了以往同类车型两倍的水平。

丰田FCHV-adv:FCHV-adv全称为Fuel Cell Hybrid Vehicle-advanced,是由高压氢为燃料的高性能燃料电池"TOYOTA FC Stack"和镍氢蓄电池两种动力源驱动的混合动力概念车。

2.氢燃料电池堆栈

燃料电池堆栈一般包括多个燃料电池,它们一个叠在另一个上,相互间保持压缩形式。这多个叠置的燃料电池形成了被压缩成能让多个燃料电池保持压缩关系的燃料电池组件。一般而言,每个燃料电池都包括阳极层、阴极层、以及夹在所述阳极层和所述阴极层之间的电解质。该燃料电池组件需要相当大的压缩力将该堆栈的燃料电池压在一起。需要压缩力是由于燃料电池内存在的反应物的内部气体产生压力以及保持电池的内部部件之间良好电接触的需要。一般而言,每个面积单位的力总体约为195-205psi,这个力均匀地分布在电池的整个有效区域(对于车用大小的堆栈来说,一般是77-155平方英寸)上。于是,对于面积约80平方英寸的燃料电池来说,该尺寸堆栈的总压缩力一般约为15500到16500磅。

现有技术的典型燃料电池堆栈结构聚焦于采用刚性端板向燃料电池组件施加并保持压缩力。要压缩的燃料电池组件夹在一对刚性端板之间。然后将端板压在一起,使其以间隔关系保持以保持压缩力。可通过多种方式以间隔关系保持端板。例如,可利用穿过端板延伸的连杆向端板施加压缩力,并保持端板的间隔关系。连杆一般在燃料电池组件外部,它沿着端板的外缘布置。还可利用沿着燃料电池组件的长度方向延伸并与端板连接的侧板以间隔关系保持端板,以保持燃料电池组件上的压缩力。

①丰田Mirai氢燃料电池车

燃料电池堆栈位于车身下部,是氢气与氧气进行反应的场所,也是氢燃料电池车的关键。在燃料电池堆栈里,将进行氢与氧相结合的反应,其过程中存在电荷转移,从而产生电流。与此同时,氢与氧化学反应后正好生成一氧化二氢,即水。

燃料电池堆栈作为一个化学反应池,其最为关键的技术核心在于"质子交换薄膜"。

在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层,将氢气分解为带电离子状态。随后携带电子的氢通过这道薄膜,留下身上的电子,变成正价氢质子,并通过薄膜到达另一端。紧接着,氢质子与氧在薄膜的另一端结合,同时所丢失的电子被"还给"它,产生水。水成为了该反应过程中的唯一"废料"。

随着氧化反应的进行,电子不断发生转移,就形成了驱动汽车所需的电流。如果说,氢燃料电池车的技术突破是在发明一种汽车,倒不如说是在发明一种全新的"发电机",然后整合进一部车子里。

在燃料电池堆栈中,排布了诸多薄膜,可以产生大量的电子转移,形成供车辆行驶所需的电流。一般情况下,这些电流所产生的整体电压为300V左右,不足以带动一台车用大功率电机。因此,像丰田Mirai氢燃料电池车还装备了升压变压器,将电压升至600V以上,从而顺利推动电动机。

3.燃料电池升压器

丰田Mirai氢燃料电池车中的燃料电池升压器采用紧凑高效的大容量升压器,能够将电压升高到650V。

4.动力蓄电池组

燃料电池组,是一种重要经过氧或其余氧化剂继续氧化还原反响,把燃料中的化学能转化成电能的电池组。

燃料电池通过电化学反应将氢气和氧气结合,生成电、水和热。与电池不同的是,只要不间断地为燃料电池提供燃料,燃料电池即可持续发电。燃料电池是一种将化学能(各种燃料:氢气、天然气、乙醇等)高效率地转化为电能的发电设备,而电池是一种存储电能并释放电能的储能设备。

丰田Mirai氢燃料电池车中动力蓄电池组采用镍锰蓄电池,用以回收制动能量,在加速时辅助燃料电池供电;驱动电动机由燃料电池和动力蓄电池组供电,最大功率为113 kW,最大转矩为335 N·m。

5.驱动电动机

(1)驱动电动机类别

早期的电动汽车用驱动电机大多采用直流电机。但随着微电子、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展,电动汽车上采用交流感应电机作为驱动电机日益增多。与直流电机相比,其结构简单坚固、质量轻、体积小、低成本、效率高、价格低廉。

交流感应电机有鼠笼转子式和绕线转子式。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能,但其成本高、需要维护、耐久性不足,因而它没有鼠笼转子式应用那么广泛,特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上。

永磁电机根据输入电机接线端的电流可分为永磁直流电机和永磁交流电机亦称永磁无刷电机,永磁无刷电机又包括永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合电机三种。永磁电机的控制方式与交流感应电机基本相同,是当前电动汽车应用的研发热点。

永磁直流电机若励磁线圈和磁极用永磁体代替,传统的绕线式直流电机就变成了永磁直流电机。永磁直流电机功率密度和效率较高,电枢反应减少,换向器得以改善。这些优点促进了它在电动车上的应用。但因其换向器会产生转矩波动,同时其电刷会带来摩擦和射频干扰,并且它们都需要定期维护,因而永磁直流电机的应用不再有吸引力。

电动汽车有纯电动、混合动力和燃料电池三种类型,无论纯电动汽车、混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车,车用驱动电机系统既是关键技术又是共性技术。目前各国际汽车集团、跨国气集团、科研院所都投入大量资金与人力开展电动汽车用驱动电机系统技术研发。

随着电机及驱动系统的发展,控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,将单独或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强,参数变化具有鲁棒性,可大大提高整个系统的综合性能。蓄电池是电动汽车的储能动力源。能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车,除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源外,还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件工作的能量管理系统,并使其工作于最佳状态。

(2)我国驱动电动机现状

目前,国内驱动电机产业发展较快,整体水平达到国际先进水平。国内整车匹配电机基本为本土生产,而也都纷纷来我国寻找电机供应商资源。国内外的差距主要表现在零部件和整车的同步开发。

以日产Leaf纯电动轿车为例,电机重量约为60Kg,峰值功率约为80Kw,作为对标产品,国内的技术水平在功率密度和效率基本处于同一水平。在"十三五"国家规划中,明确提出电机效率超过4Kw/Kg,国内部分企业的量产产品已经实现该目标,但是相较于国际最先进的产品水平,在控制器的体积上相差一倍以上。

从电机本身角度来看,我国同国外企业在正向设计水平基本处于同一水平,同时也在向高密度和小型轻量化这方向不断拓展。但从生产装备和工艺来说,国内由于单一产品的规模仍然较小,在工艺水平和规模上同国外存在一定差距。

(3)国内外驱动电机技术发展方向

第一个是集成化,驱动电机除了和减速器外,控制器的集成技术趋势明显,部分企业开始把分布式驱动作为全电驱动平台的技术路线。驱动电机集成化程度越高,主机厂物料消耗将越低,装配也更加方便,使得汽车最后成本将降低;

第二个是永磁化,目前电机本体效率的进一步提升需要依赖于材料技术的进步,包括磁钢、硅钢在内的非晶态材料。永磁电机功率因数高、效率高、可靠性高的优点,使得永磁电机和新型混合励磁电机发展更为迅速;

第三个是数字化和智能化,新一代MCU控制器需要满足功能安全要求,具备诊断、通信和标定等功能。

6.动力控制单元

动力控制单元(PCU)是混合动力系统的控制核心,位于发动机室的电动无级变速器(E-CVT)的上方,其箱体的外壳为铝合金材料。电动机控制单元、逆变器及相位电流传感器内置于PCU中。

PCU通过电动机控制单元、逆变器、电动机转子位置传感器、相位电流传感器等实现对驱动电动机和发电机的矢量控制。电动机控制单元具有DC /AC(直流/交流)相互转换、变频等功能,以实现对电动机驱动和电动机发电等功能的控制,电动机控制单元还具有保护功能,如过流、过压、过载保护等。另外,电动机控制单元与发动机控制单元(PCM)通信以协调发动机和变速器的操作。电动机控制单元内置一个可重写的ROM,可使用升级工具进行程序更新。逆变器具有变压功能,它将高压锂电池的电压(259.2V)升压至700 V左右,为驱动电动机提供电能;它还可以降低来自发电机、驱动电动机的输出电压,使该电压与高压狸电池的电压匹配。

高压电源电缆将PCU连接到位于E-CVT内的驱动电动机和发电机上。采用的是可以输入及输出高压电并进行电机控制的三相电缆。高压电源电缆以插接器安装到PCU上,电动机侧采用螺栓固定到电动机定子的三相端子上。高压电源电缆封装在橙色波纹管中,便于与其他线束进行区分,以起到安全警示作用。

为实现对PCU的温度控制,设置了一个专用的冷却系统,该系统由一个专用的电动冷却液泵、散热器、储液罐、冷却软管和PCU水套等组成。冷却液从PCU内部水套吸收热量,流经散热器内部并将热量散发到空气中。电动冷却液泵内置电动机及控制单元,电动机为12V直流无刷电动机。

主要技术现状:

(1)丰田的SiC功率半导体

功率半导体是动力控制单元(PCU)的核心部件,PCU的作用是控制混合动力车(HEV)等的驱动马达的电流。采用SiC制作功率半导体可以降低电力损耗,大大缩小PCU的体积并大幅提高燃效。丰田共制作了两种SiC功率半导体,分别是控制电流开关的晶体管和控制电流单向流动(整流)的二极管。

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