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为汽车打造绿色高效的“心脏”

2020-12-29 13:50:11 来源: 中国科技网 作者: 马晓军

近年来,随着我国能源安全保障、大气污染防治、产业转型升级、绿色交通战略等需求的不断增强,新能源汽车发展受到极大的重视。氢燃料电池汽车作为新能源汽车的一个重要分支,在提升我国交通运输领域可再生能源占比、实现节能减排等方面具有重要意义。

国家新能源汽车技术创新中心(以下简称“国创中心”)设立的燃料电池高光领域,将致力于研发燃料电池产业化基础共性技术,着力推动燃料电池系统控制集成取得新进展,填补在该领域的空白。

燃料电池技术瓶颈待突破

与锂电池纯电汽车相比,氢燃料电池汽车克服了里程焦虑问题,极大拓展了新能源汽车的活动范围和应用领域。目前在交通运输领域,我国的氢燃料电池汽车主要集中在商用车领域开展应用。在客车、物流车等领域,燃料电池汽车被认为是具备优势的车型。

“但在技术成熟度、经济性等方面,燃料电池汽车依旧存在诸多需要突破的技术瓶颈。”国创中心总经理原诚寅表示。

其中,燃料电池控制系统是属于整个燃料电池行业的重大攻关技术,该技术是整车和电堆系统之间连接的桥梁,在燃料电池系统中处于承上启下的位置。

据介绍,在燃料电池系统中,电池控制系统的部件较多,各部件都要求能实现良好的控制,发挥其最大性能,所以其复杂性很高,是一个高度耦合的系统,需要控制器进行统一协调配置才能将系统的整体性能发挥到最大。因此,“燃料电池控制器是整个控制系统性能优化的中枢,对于燃料电池系统的发展和应用具有重要意义。”原诚寅说。

但在目前,国内的燃料电池整个行业尚属于刚刚起步阶段,缺乏相关的技术以及适合的平台,燃料电池研发应用的部分环节还有缺失。“可以说,在燃料电池控制器领域,国内仍存在较大的短板,如果想在世界范围内实现换道超车,我们就必须把这块短板补上。”原诚寅说,攻克燃料电池控制器开发的难关,掌握核心技术,才能实现引领行业发展的目标。

同时,燃料电池控制系统的开发,需要一个合适的测试系统和评价体系来支撑。燃料电池测试系统是燃料电池控制系统开发中必不可少的工具和环境,不具备燃料电池测试开发环境,就无法实现燃料电池控制系统的自主开发。“在开发燃料电池控制系统过程中,必须同时构筑中国自主的燃料电池测试环境。”

此外,结合燃料电池域控制器的开发与仿真测试平台的开发,需要进一步解决燃料电池动力系统及整车综合集成技术,包括基于热管理与能量管理的燃料电池动力系统构型与开发、整车氢系统关键技术研究与整车搭载、燃料电池整车平台集成等关键技术研究,最终实现氢能、燃料电池与整车的耦合与搭载。

从四方面立体布局技术攻坚

在对以上技术瓶颈进行深入的综合分析后,结合国内外技术现状和自身前期研发工作的积累与铺垫,国创中心成立了燃料电池高光领域团队,向燃料电池的关键核心技术发起了攻坚。

据悉,燃料电池高光领域包含车用燃料电池系统控制器开发、燃料电池发动机测试平台、车载储氢技术及异型储氢结构关键技术、“氢能出行”关键技术研发等四个项目部分。

原诚寅介绍,燃料电池高光领域以燃料电池控制系统为中心,致力于攻克燃料电池控制器开发的难关,同时进行燃料电池发动机仿真测试平台的开发,以保障燃料电池控制器开发的正常进行。结合“氢能出行”整车集成技术及新一代车载储氢技术的研发,国创中心最终将完成氢能、燃料电池与整车的耦合与搭载,实现燃料电池汽车产业上游(储氢)、中游(燃料电池系统)和下游(整车)的全面覆盖,打通氢燃料电池汽车全产业链。

据介绍,燃料电池是一个多输入、多输出、不确定的非线性时变系统,由于受多参数的影响,导致其输出特性很难控制,且其中热管理、水管理和冷启动等问题,仍然是目前需要攻克的重大难点。

目前,国外在燃料电池发动机控制器开发方面已经形成了完整的开发体系流程和工具,基础研究策略较为成熟。而国内燃料电池控制器的开发主要依靠燃料电池系统集成商来做,其开发规范和开发工具存在较大的空白,尚未形成体系化硬件资源,已成为燃料电池行业发展的“痛点”。

为此,国创中心将重点进行车用燃料电池系统控制器的开发项目,研究目标是完成燃料电池控制器硬件及底层软件、控制策略等方面的研发,并在匹配调试的基础上达到乘用车和商用车的应用标准。

在燃料电池测试系统方面,国创中心将进行燃料电池发动机测试平台的开发,主要内容包括燃料电池仿真模型和测试台架搭建、仿真和HIL台架测试等。

在车载储氢技术及异型储氢结构关键技术研究方面,目前国外储氢质量和体积分数高,多种技术路线并行发展;而国内储氢效率较低,大多集中在III型瓶高压储氢领域,不能满足车载要求。国创中心开展车载储氢技术及异型储氢结构关键技术研究,目标是开展高压气态储氢、液态储氢、固态储氢等不同储氢技术的研究,探索了车载液态储氢结构系统开发,同时进行异型储氢结构与相关技术研究。

为实现“氢能出行”关键技术研发,国创中心燃料电池技术团队针对科技冬奥的整体技术要求,开展了基于冬季极端寒冷工况要求下动力系统匹配与整车热管理及能量管理研究,并完成车辆综合热管理技术、储氢供氢系统耐久和碰撞安全评价技术、氢电安全评价体系,打造满足燃料电池系统开发的共性开发平台。

链接资源服务行业发展

原诚寅表示,氢能是能源革命的重要领域,将成为支撑我国构建绿色、高效、安全的能源系统的关键支柱。而氢燃料电池汽车是氢能利用的关键领域,将成为我国汽车产业转型发展的重要方向。

正因为如此,国创中心积极承担行业使命,在氢燃料电池汽车领域主动发力,全面考虑国内外氢燃料电池汽车全产业链的现状,做出了燃料电池高光领域项目的全面战略规划,对产业链上、中、下游所面临的问题进行重点突破,助力我国氢燃料电池汽车行业乃至我国能源革命事业的积极健康发展。

但同时,“国创中心也深知,若要在这些行业的重点问题上取得突破,单靠国创中心自身的力量是不够的,必须团结全行业的力量,共同实现技术突破和升级。”原诚寅表示,国创中心欢迎行业内各合作伙伴加入到高光领域项目中来,合作共赢,协同进步,

例如,燃料电池发动机测试平台项目完成后,国创中心将建成由全能力燃料电池发动机测试实验室与在环测试台架两部分硬件,平台具备对内对外提供燃料电池发动机集成技术服务和燃料电池发动机及零部件测试服务的能力。

原诚寅表示,应以团结的力量共同推动我国氢能和氢燃料电池汽车行业高效、健康发展,共同助力我国氢燃料电池汽车行业加速发展。

责任编辑: 桂楷东