氫燃料電池車為什么是混動(dòng)汽車 它的技術(shù)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。

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?，F(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。可以通過系統(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。

燃料電池汽車的優(yōu)勢(shì)在哪

與電動(dòng)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(nèi)充滿續(xù)航300公里的電能。當(dāng)我們計(jì)算成本的時(shí)候，很少把使用的方便性計(jì)算進(jìn)去。因此，和很多人觀點(diǎn)相同，補(bǔ)充氫氣更方便是燃料電池的最核心優(yōu)勢(shì)。

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在此，我想追問兩個(gè)問題。第一個(gè)問題，雖然充電更為耗時(shí)，可否用商業(yè)模式去彌補(bǔ)？

我曾見過這樣一個(gè)項(xiàng)目，將充電站和購物休閑相結(jié)合？其所謂的痛點(diǎn)，就是幫人們“打發(fā)”充電的等待時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生利潤(rùn)。說實(shí)話，我個(gè)人對(duì)類似商業(yè)模式的評(píng)價(jià)是一個(gè)字：尬！也許反過來，一個(gè)成熟的商業(yè)中心提供一些充電服務(wù)更加合適。

第二個(gè)問題，如果在技術(shù)上，提高充電樁的功率，讓充電更加快速，從而減少等待時(shí)間。屆時(shí)燃料電池還有沒有優(yōu)勢(shì)？

雖然技術(shù)上也許可行，我覺得并非一個(gè)好的解決方案。首先，直流快速充電對(duì)電池耐用性和壽命上的傷害，一直是一個(gè)讓人擔(dān)心的問題。一些純電動(dòng)汽車制造商甚至?xí)苯咏ㄗh少用快充，以提高電池壽命。其次，提高充電速度，會(huì)降低系統(tǒng)的效率，增加能量損失。暫且不提損失的能量有多少，從設(shè)計(jì)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(duì)能源結(jié)構(gòu)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(duì)新能源汽車的要求可能車型更大，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，充電時(shí)間更短，這就更加凸顯了電池所帶來的木桶效應(yīng)。燃料電池的優(yōu)勢(shì)則更加彰顯。即使把加氫時(shí)間降低到3分鐘以內(nèi)，也不會(huì)對(duì)電堆有絲毫的影響。

當(dāng)然，我們可以寄希望于未來鋰電池技術(shù)的發(fā)展。比如所謂的全固態(tài)電池技術(shù)。但是，在此我想引用現(xiàn)代的技術(shù)專家說的一句話：“雖然我們對(duì)未來的創(chuàng)新有所期待，但是終歸只是猜想。”

氫能更加低效嗎？

1度電，可以讓電動(dòng)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(dòng)車業(yè)內(nèi)的大佬馬斯克認(rèn)為氫是一種低效的能源。能源經(jīng)過的多次轉(zhuǎn)換，看似遠(yuǎn)不如直接用電高效。

相同的質(zhì)疑聲，也會(huì)指向純電動(dòng)汽車。一些人認(rèn)為當(dāng)下的新能源汽車，只是從“燒油模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁耗Ｊ健薄?/p>

對(duì)此，我們必須明確，能源是從哪里開始計(jì)算的？美國能源部提出了2035年全周期能耗（BTUs/miles）的評(píng)價(jià)。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(chǎn)到被車輪消耗掉的整個(gè)過程。具體如下圖所示。

從上面兩幅圖，可以看出電動(dòng)車和燃料電池汽車，在全周期尺度上的能耗，都在相類似的范圍之內(nèi)，并沒有太大差別。不論是豐田還是現(xiàn)代，他們都考慮從全周期的尺度上考慮新能源汽車的能效問題。豐田曾表示氫氣的生產(chǎn)到灌充至儲(chǔ)氫瓶中的過程，相比電的產(chǎn)生并充滿電池更加高效，但并未給出此結(jié)論的出處，因此僅供大家參考。

總結(jié)：最后一點(diǎn)擔(dān)憂

從2015年新能源汽車飛速發(fā)展，我便對(duì)電池的回收處置問題開始擔(dān)憂。燃料電池中催化劑用鉑可以從電堆中直接回收，現(xiàn)在如莊信萬豐這樣的老牌貴金屬供應(yīng)商，已經(jīng)著手于鉑回收技術(shù)的開發(fā)。而相比之下，鋰離子電池的回收，面臨著很大的挑戰(zhàn)。

首先電池在回收分解處置，存在著多種化學(xué)過程，技術(shù)復(fù)雜且有技術(shù)壁壘。在回收的過程，可能對(duì)環(huán)境造成較大的影響。同時(shí)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的流程也是問題之一。

更重要的是，可能沒有回收價(jià)值。曾有公司對(duì)從動(dòng)力電池中回收鋰做了估算，其成本約是從鹵水中提取鋰的5倍之多。電池成本越低，可回收的價(jià)值就越差。經(jīng)濟(jì)賬算不過來，很難讓人有做好這件事的動(dòng)力。但是如果任由電池內(nèi)的廢棄物任意排放，比如鎳和鈷，都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大影響。

進(jìn)一步講，任何電池，如果不能形成從生產(chǎn)到回收形成閉環(huán)，那很難用“可再生”三個(gè)字來形容它。在追求電動(dòng)化的今天，作為主角的鋰離子電池，可能存在著嚴(yán)重的成本失真。當(dāng)電池回收處置這件事不得不做的時(shí)候，本著“誰生產(chǎn)誰負(fù)責(zé)”的原則，鋰電池的成本可能進(jìn)一步上升。起碼可以判斷，鋰電池的成本不會(huì)持續(xù)降低，當(dāng)我們也可以從“全周期”的角度去認(rèn)識(shí)新能源汽車的時(shí)候，也許會(huì)開始重視那些潛在的成本和收益。

當(dāng)前情況下，燃料電池并未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，技術(shù)路線尚未定型。在此時(shí)時(shí)常被牽出來和鋰電池作比較，實(shí)在不太公平。讓汽車走遍千家萬戶的，并非是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明者，也不是第一輛汽車的制造者，而是福特的生產(chǎn)線。因此在技術(shù)成形之初，對(duì)技術(shù)成與不成的任何篤信，都顯得有幾分狂妄。

豐田Mirai動(dòng)力系統(tǒng)圖示

我有一次問豐田的一位專家：未來技術(shù)方向是什么？

豐田的專家并未給我明確的答案，而在我們交流的過程中，他不止一次的提到了成本。豐田的今天采取的技術(shù)路線，是過去的積累。豐田的未來，要看未來的成本怎樣的。

消費(fèi)者最優(yōu)先關(guān)心的，并不是能效，或者是不是“電電混合”。但是如果給他們一個(gè)合理的價(jià)格，好的體驗(yàn)，他們中的一些人會(huì)愿意選擇更加環(huán)保的產(chǎn)品。