李建秋:燃料電池系統中的電力電子問題

　　2017年7月19日，中國電動汽車百人會2017年第四期「電動汽車熱點問題研討會」在湖南省株洲市召開，本期研討會聚焦「新能源汽車電力電子技術」。

　　中國客車網從現場了解到，依靠關鍵技術的突破創新提高核心競爭力，已成為新能源汽車領域的共識。電力電子作為新能源汽車的關鍵技術，其技術進步影響著新能源汽車產業向電動化、智能化方向邁進。會上，清華大學教授李建秋發表演講。現場實錄如下：

　　　尊敬的陳清泰理事長，尊敬的丁榮軍院士，尊敬的各位專家、領導，大家上午好!非常榮幸能有這麼一個機會給大家匯報在燃料電池系統中的一些電力電子的問題。我的報告大概分成四個部分：

　　第一，燃料電池系統的組成。

　　第二，國內外燃料電池汽車發展的最新進展。

　　第三，具體燃料電池系統中間的電力電子的具體問題。

　　第四，小結。

　　首先，來看燃料電池系統。

　　燃料電池系統包括電堆本體，包括外圍的空氣系統;然後是冷卻系統，有風扇、水泵等等，也包括節溫器;還有氫氣供應系統，包括氫氣的電磁閥和再循環的迴路。燃料電池是被動工作的，功率輸出必須要有一個DC/DC來配合，整個系統由相應的電控系統來配合工作。所以我們一般來講，一個燃料電池系統，我們簡稱燃料電池發動機，包括有電化學的，就是他本身工作的過程是電化學的，但是也包括傳熱傳質的過程，氣體的流動、水熱交換等等。當然包括功率控制，電力電子包括電機的控制。所以搞燃料電池發動機必須要集成三個學科的團隊，一個是電化學的，一個是傳統發動機的，還有一個是電力電子的。

　　第二，燃料電池汽車國內外的發展。

　　首先，電堆技術或者最核心的部分，基本上分成兩大流派，一個是以轎車作為應用的，採用金屬的雙極板，圖底下是電機和變速器，這個是空壓機，上面就是帶有電纜的接口是電力電子控制總成，是用碳化矽的半導體器件來做的。這個是本田，本田的燃料電池發動機在國際上目前技術狀態是最好的，2015年的MIRA基本上排第二。這邊是美國的，原來UTC做的商用車的燃料電池系統，你可以看到它的功率密度差一個數量級，即100千瓦/公斤，這個大概有三四百公斤重，所以你可以看到電堆的功率密度是很低的，為什麼差別這麼大呢?是因為用的材料不一樣，它的電堆用的是金屬的雙極板，另一個電堆用的是碳板，碳板體積大、重一點。這個電堆的特性就是耐久性非常好，平均超過1萬小時，最好的一輛車在美國已經跑了2.3萬小時，但是我們金屬板的發動機一般都不會超過5千小時。

　　下面就匯報，把這個發動機裝在車上形成了各種燃料電池車輛的發展情況。首先是客車，目前國際上，如美國、德國、日本都推出了燃料電池客車，功率大概是從120—200千瓦，都配有鋰電池(多多少少都會配的)，加上兩個電機，一般的電機功率都比較大，續駛裡程可以跑到300公裡沒有問題，耐久性平均達到1萬小時。但是這個車做的比較貴，大概是100萬美元左右，我們國內的車比它便宜，後面我們會講。

　　卡車的情況，這是最新的進展，卡車現在已經有三家開始在做了，一個是美國的Nikola One，是一家專門做卡車設計的公司，它宣稱它要做一輛燃料電池半掛的拖車，大概能夠行駛1000英裡，是用200公斤的液氫儲氫裝置，300千瓦的燃料電池系統，這個車還沒有出來。去年一提出這個想法，豐田說我有燃料電池發動機，所以豐田就抓緊時間做了第一款燃料電池的卡車。在Nikola One之前推出了這個，之后豐田受到Nikola One的啟發，說我也做重卡，美國港口牽引車用的8級重卡，總重大概49噸，36噸的載貨量，用了4個氣瓶，2個MIRA的動力系統，已經做了搞了一些活動。

　　從能量密度來講，能夠滿足長距離、重型車輛行駛，能夠持續提供能量的，我感覺還是燃料電池比較靠譜。

　　下面匯報一下轎車的情況，燃料電池轎車國外發展重點的，包括豐田、通用、日產、奔馳，包括後面還有幾家都推出來了。通用這個車老一點，處在大概2008、2009年的狀態，後面沒有再改進了，其他兩家都是最近兩三年改進的，續駛裡程都在500—600公裡，跟傳統的燃油車差不多了。除了這個之外，最近又有幾個新的加入這個陣營，寶馬、大眾，大眾尤其是奧迪的品牌，一個車輛推出三個版本，純電動、插電、燃料電池，採用四驅，一個車上用了三個氣瓶可以裝6公斤的氫氣，完整的跑600公裡沒有問題。

　　戴姆勒奔馳推出了它的插電式的燃料電池轎車，功率大概是75—100千瓦，9千瓦時的電池。現代在IX35 SUV上推出了燃料電池發動機。

　　我們想給大家看看，本田的發動機集成度是最高的，因為我們今天是電力電子，它是世界上首先全部採用碳化矽功率模塊實現小型高功率，大概100千瓦的DC/DC變化器，集成在上面，我們認為這些工作在全球來看都是領先的。

　　而且它做了一項工作，把燃料電池發動機真正的替代傳統的發動機，放在發動機艙整個動力總成。這是將來成本的發展情況，國內外預計到2020年一輛燃料電池轎車，相當於B級車的水平，續駛裡程五六百公裡，一次加氫3—5分鐘，整車成本是2600美元，大概20萬人民幣不到，所以這個基本上已經為燃料電池汽車的產業化鋪平了道路。我們過去講，原來我們特別擔心貴金屬鉑的用量比較高，現在最新的材料技術水平，採用非鉑和低鉑的催化劑已經可以降低鉑的用量，傳統內燃機，就是大家平時開的汽油機，三效催化裝置後面有後處理裝置大概3—5克鉑，所以燃料電池車的鉑用量在迅速接近傳統內燃機的水平，這個是值得我們重視的。

　　剛才歐陽老師講，特斯拉用了10幾公斤的鈷，將來至少每輛車用公斤級的鈷是必須的。公斤級的鈷跟克級的鉑差了上千倍，所以鈷儘管地球的儲量比較多，但是我們的判斷將來純電動，就是電池的產業大了之後，這些金屬的資源也會相對稀缺，我們預測的結果是將來動力電池和燃料電池要相互配合，它是一個燃料電池汽車，但是上面也用動力電池，但是用量不會像純電動那麼多，用氫來做存儲裝置，達到純電動汽車核燃料電池汽車兩個協調發展，我們的電池產業、核燃料電池產業可以相互配合發展，這是有利於我們整個新能源汽車行業協調發展的。

　　其他的不再多說了，包括有軌電車，我們最近也在跟青島搞有軌電車，今年要上線開始在佛山運行了。

　　國內的情況給大家簡單匯報一下，我們已經做了十多年，2015年開始，我們一個動力系統平臺，往物流車、客車、有軌電車，包括現在轎車也開始推了，做了很多的工作，包括它的耐久性。這是我們的客車跟國外的對比，基本上我們12米的客車現在價格在200萬以內，這還是在我們燃料電池發動機沒有批量生產情況下的成本，我們現在燃料電池發動機批量的生產線，年產2000套，下一步到年產1萬臺的發動機生產線，等我們把這個線建起來，它的成本應該還能再下降2—3成。國外的車輛，我們整個性能跟它差不多，但是成本跟耐久性顯著提高，這塊我們是有創新的，我們現在國內做的燃料電池動力系統跟它們還是有區別的。這個是有軌電車正在調試的情況，我們現在一個動力系統平臺推廣到不同的整車應用裡面，並且從今年開始上百臺的客車的訂單已經開始在生產了。

　　技術路線不詳細講了，有一個耐久性的預測，基於我們國內電堆和材料的水平、控制的技術，我們預測2020年達到1萬小時的目標，到2025年，由於我們材料和控制技術的發展，會做到2.5萬小時，基本上跟客車等壽命，所以我們預計從現在到2020年還是小批量示範1萬左右的量，到2025年我們預計產量就會起飛了，而且起飛的量是按照10萬臺，每年幾萬臺到10萬臺的量起飛，我們整個產業鏈布局，以發動機為核心，一會兒我們要講的我們的電力電子的這些問題關鍵零部件，我們開始要進行關鍵化的布局和準備。

　　下面匯報一下燃料電池裡面幾個關鍵的點，就是電力電子問題。

　　第一，燃料電池專用的DC/DC，它的功率模塊部分是非常關鍵的，DC/DC要完成什麼功能呢?我們是把它作為燃料電池控制的重要執行器，第一個功能完成功率的變換，第二個功能要完成對燃料電池的耐久性進行控制，就是控制燃料電池的功率電壓，我們知道功率等於電壓×電流，實際上這個就是雙閉環控制。同時要直接控制燃料電池功率的變化率，這個也是很關鍵的，除了功率本身要控制還要控制變化速度。第三個非常關鍵的，參與燃料電池的交流阻抗辨識，不僅僅要實現功率的變化，而且是要通過產生高頻的擾動信號，幫助控制系統來辨識電堆裡面的含水量。所以不要認為一個普通的DC/DC的企業就能夠做好這個燃料電池的專用DC/DC，這個概念是錯的，還需要有一些新的功能。直接控制燃料電池在暖機過程的工作電壓，這個也是不一樣的。還有其他的，汽車級的電力電子器件的工作要求，電池兼容、重量、體積、效率、成本，還有26262的規範要求等等。

　　下面展開講講，雙閉環控制體現在什麼地方呢?雙閉環控制體現在燃料電池如果工作電壓過高的話衰減會很快，如果工作電壓比較低的話，衰減倒是不快了，但是你的發動機效率會下降，一般會有一個下限電壓，也會有上線電壓，一般叫做電壓前位控制，電壓前位控制的目的就是為了使得發動機的經濟性、耐久性都比較好，這是我們前位電壓控制的算法。國外也做過，電壓變化率，如果負載，比如從0.65滿負荷、怠速或者空轉，如果你的電壓突變可以看到紅色這條線不到1千小時電堆衰減到只有80%了，如果只穩定在一個點，即使7千小時也衰減不到5%。所以這些都是我們把DC/DC作為燃料電池的重要的執行器，包括瞬態的控制以及變化率。我們現在提出來，DC/DC功率的變化率和電堆的內部工作過程要相互配合，空氣的流量和壓力在動態過程中相互配合。

　　還有一個，需要通過動力系統，就是說燃料電池的功率不能急劇的變化，車輛的功率要隨便變化的，司機一腳油門踩下去就要加速，怎麼辦?這裡面有混合動力控制的問題，燃料電池的功率跟動力電池的功率怎麼樣相互配合，我們過去做了十多年，主要在這方面做了很多的工作，現在基本上我們動力系統的技術已經穩定了。

　　還有一個，怎麼樣參與內部狀態辨識，這是燃料電池的工作電壓特定曲線，橫坐標是電流，縱坐標是電壓，為了辨識燃料電池電堆裡面含水量的狀態，需要專門產生一個主動的擾動信號，這個擾動的量不是很大，十幾個安培的電流變化就可以，通過這個擾動量把DIDT和DVDT求導，獲得交流阻抗，這個質子交換膜是電堆最核心的發生電化學反應的膜，我們利用這個含水量來看膜的含水量，就是通過阻抗的大小，實現含水量的閉環控制，這個叫燃料電池的水管理，這個對燃料電池的耐久性影響是非常大的，如果膜高了，這個壽命就會很快的衰減。

　　DC/DC的功能就是要直接實現軟機啟動，正常燃料電池輸出電壓是0.75V，低溫條件下為了燃料電池的產熱比較大，這個部分是產熱，下面是功率輸出，冷啟動的時候需要DC/DC拉的電壓會很低，比如說0.1V每個單體，正常工作是0.75V，啟動的時候為了實現快速，軟機要拉到0.1—0.2V。

　　整個燃料電池DC/DC的控制電壓是這樣的，首先，藍色的這條線代表低溫啟動的時候，就是說正常工作電壓大概300V多到400V啟動的時候只有幾十伏，隨著電堆溫度上升，DC/DC會逐步的調高暖機電壓，最後溫度正常的時候再調高到正常的工作電壓，所以這個對DC/DC的工作頻率，對你的設置、對你的參數的匹配都是有影響的，不是一個通用的DC/DC。

　　第二點，燃料電池空氣系統裡面有一個非常非常關鍵的執行器，就是它的空氣壓縮機，為了提高燃料電池的功率密度，一般我們需要對它的空氣進行增壓，一般跟我們內燃機增壓到2—3個大氣壓，怎麼樣增壓呢?我們傳統內燃機可以通過廢氣渦輪增壓，但是燃料電池發動機廢氣的能量是很低的，因為排氣的溫度只有六七十度，不像內燃機可以到五六百度，差一個數量級，這樣我們必須要用一個電機來驅動這個空壓機，單位工作轉速很高。這個電機和控制器就很關鍵，我們現在有一個專門的團隊是搞空氣動力學的，他專門要把這個空壓機的轉速降下來，從10萬轉降到5萬轉，降到4萬轉，就是說空壓機葉形的設計降低轉速，這裡面有什麼呢?空壓機的總成設計問題，這麼高的轉速電機加上葉片在一起，在一根軸上，這個軸的動力學就很關鍵，軸承也很關鍵，你不能用我們廢氣渦輪增壓的機油來潤滑這個軸承，為什麼呢?機油會形成油的蒸汽，這個會形成電池汙染，所以我們必須是無油空壓機的研發，我們現在組織什麼隊伍在研發呢?在佛山廣順在行業裡比較有名，是專門做醫療裡面空氣泵、空壓機的。還有一個團隊航天11所，航天動力研究所，搞長城5火箭發動機液氫液氧泵的團隊，那個液氫液氧泵的轉速也很高，我們通過他們解決這個問題。

　　當然電控方面對我們也是挑戰，一個10萬轉的電機不是那麼好做的，當然我們今天英飛凌的徐輝女士也在這兒，我們跟她們也在合作，電機控制這塊，用TC275的平臺在做這些工作。你可以看到，這裡面12萬轉的轉速，低壓堆也要5萬—6萬轉的轉速。

　　電機我們在跟精進電動合作，正好我們蔡蔚博士也在，我們在做相應的工作，怎麼樣把高速電機的設計跟空壓機集成在一起，這個難度很大，因為電堆本身我們現在有好幾家能解決了，反而是空壓機現在還沒有量產，沒有批量做的比較好的。

　　同時，因為要上高轉速，所以電流的控制能力要更強，所以我們希望能夠上碳化矽的這些控制的，新的電力電子器件希望用在上面，包括剛才本田的發動機，已經是DC/DC和空壓機都已經用碳化矽的器件來做電力電子器件了。

　　第三個部分，我們的氫氣再循環泵和控制器。氫氣再循環泵有一個特點，第一，要防爆，跟我們陰極還不一樣，陽極這個因為大部分氣體是氫氣，所以它的速度也很高，也是幾萬轉到十幾萬轉，同時還要防爆，這個防爆的電機和控制器應該怎麼做?同時介質是變化的，陰極水蒸汽透過膜，因為現在質子交換膜很薄，大概20微米厚，會透過陰極到達陽極，如果一直循環不排，氮氣和水蒸氣的比例會上升，氫氣的濃度就會下降，反應效率就下降了，所以你還得經常要有陽極的尾排，尾排之後氣體成份就變了，成份變了之後空壓機的工作，因為它的黏度和阻力都不一樣，氫氣的阻力是很小的，氮氣和水蒸氣的阻力和黏度是比較大的，所以氫氣再循環泵的阻力就會變化。所以這塊我們已經到了，基本上國內現在沒有人提這一塊，我們就是把這個需求提出來，所以我們在座的有搞電力電子、有搞電機的，希望能夠跨行業的合作，把這個空壓機和氫氣再循環泵這兩個高速的旋轉部件做好下一步的研發和部署，這樣我們國家燃料電池發動機的技術水平才會有一個比較顯著的提高。這是我們整個氫系統的，裡面有三個執行器，一個是前端的氫氣噴射，就像我們天然氣的噴嘴一樣，也是要用電控噴射的，這個我們已經解決了，現在氫氣再循環泵還沒有解決，尾排電磁閥也解決了，所以整個的重點在這裡。

　　最後講一講我們現在在交流阻抗辨識反應的進展。我們已經做了一個，這是我們的主DC/DC。我們不改這個主DC/DC的功能，我們加了一個小DC/DC專門來做交流阻抗辨識，現在進展非常好，基本上我們跟國外的對比我們已經把每個電堆包括每一片的交流阻抗都測出來了，這裡面還是有一些難點的，就是每一片的電壓波動兩非常小，怎麼樣才能讓你這個電壓的採集非常精確，我們在測量方面也做了很多的工作。

　　這個DC/DC，就是我們跟英飛凌合作的結果，英飛凌專門給我們提供了一個通用的DC/DC，我們就拿它來作為交流阻抗辨識，現在我們做的基本上已經能夠實現反饋了。

　　下一步要做的就是交流阻抗的算法直接AURIX TC275的，已經有一個規劃了。

　　將來我們希望實現的，燃料電池發動機不管工作溫度和負載有什麼變化，這個膜的含水量，交流阻抗基本上是恆定的，這樣燃料電池的耐久性就會得到保證。

　　最後做一個小結。第一個結論就是，要搞好燃料電池發動機一定要組好團隊，不僅要有搞傳統電化學的，就是搞燃料電池材料的人，也要有傳熱傳質的人，這裡面大量就是傳熱傳質的工作，要想把發動機控制好主要是控制和傳熱傳質方面組織好。第三個就是今天的主題，我們電力電子，不論是DC/DC，還是空壓機的電機，還是氫氣再循環泵的電機，以及控制器，在燃料電池的控制裡面是佔有非常重要角色的，所以我們強調，只有實現多學科的集成，才能克服耐久性木桶的短板效應，最後把每個木桶的板子做的都一樣齊，燃料電池的耐久性就會高了，否則如果你有一個短板，那個短板就會嚴重的影響這個電堆的耐久性。

　　第二，燃料電池專用DC/DC是它的核心的執行器，承擔了多個功能的實現，它的綜合性能是完全依賴於DC/DC的，所以我們培育的億華通就是在搞燃料電池發動機的產線，是自己把DC/DC也做產業化了，就是因為太核心了，相當於是它的重要的核心部分。第三，空壓機、電機是它重要的執行器，需要攻克壓氣機和電子轉子一體化集成、高速和超高速電機控制加上空氣軸承技術才能真正滿足FCEV的需求。

　　我的匯報就到這裡，謝謝各位專家和領導。