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华涧新能源辛军:燃料电池空压机产品路线和关键技术

盖世直播 2021-10-19 14:29:18

10月18日-19日,2021第九届汽车与环境论坛&第13届全球汽车产业峰会隆重召开。本次论坛主要围绕中国汽车产业发展、动力总成电气化、ADAS与自动驾驶、芯片与汽车基础软件、智能座舱等行业热点话题展开,旨在共同探讨新形势下中国汽车产业有序发展的新思路。下面是华涧新能源联合创始人、国际汽车工程学会会士辛军博士在此次论坛上的演讲实录。

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大家下午好!如刚才盖世汽车周总所说,我们在2013年发起这个论坛的时候就在想,只要有汽车,环境的话题就是永恒的。我们要将汽车对自然环境的负面影响最小化,通过技术创新将对汽车生态、汽车使用环境最优化。所以我们把这个论坛起名“汽车与环境创新论坛”。今天来到这个论坛做分享,也是有一种回娘家的感觉,因为有很多专家朋友会来论坛,一年一聚。我也想借这个机会把这一年我们所做的事情和一些思考跟与会来宾分享。

我们觉得,燃料电池汽车就像十年前锂电池汽车一样,目前尚处于技术推广初期,但是未来十年,燃料电池汽车也会像锂电池汽车一样在过去十年一样快速增长。讲到燃料电池汽车话题离不开氢气,讲到氢气就需要讲到可再生能源。

很多人认为,燃料电池汽车普及应用面临一些问题。首先,氢气在大自然是不存在的,氢气经过多种转化而来,它的总体能量利用效率可能比较低。其次,制氢过程本身可能会产生大量二氧化碳。另外,氢气的使用成本太高,跟目前汽油和柴油没有可比性。此外,燃料电池本身也是成本过于高。很多人对于这一技术以后能否普遍采用还存在一定的困惑。利用这次论坛,我想把我的思考跟大家做一个分享。

有关能量利用效率的问题,我们先从大的视角看一下。地球上所有的化石燃料,也是太阳能在过去几亿年时间里面照到地球上面所保存下来的那些能量。如果一切源头来自于太阳,那么可以利用太阳能经过自然沉淀变成化石燃料,再通过化石燃料产生电能,这也是一个方案。今天这个时代在这个阶段,我们也可以用太阳能直接通过光伏发电产生电能,那么这个效率是怎么样呢?哪个效率更高呢?

先分析经化石燃料这个路径,一切都给予最乐观的估计。其实化石燃料的形成也许经过几亿年时间段形成的,我们假设说6500万年时间段形成的,地球上面煤、石油、天然气、可燃冰总储量给它最乐观的估计,另外从化石燃料转化为电能,这个转换效率也给它最高的热效率的估计。大家设想一下,在6500万年时间里面,如果平均每年通过这个路径保存下来的能量是多少呢?应该是268亿千瓦时。

如果把太阳能直接通过光伏技术转化为电能,即使仅用到今天陆地面积的千分之一,一年所产生的电能是46万亿千瓦时。那就可以看到,如果我们用通过太阳能到终端使用角度来评判两者的效率,采用光伏路径,用氢气作为储能手段,总的能量利用效率是3个数量级优于使用化石燃料。若再由光电电解制氢,考虑制氢损失20个百分点,运输及使用再损失30个百分点,对于三个数量级的优势相比是微不足道。

看起来这么美好是否实际可行呢?我们再比较一组数据。我们以2019年全世界所消耗的能量都把它换算成为电能的当量,这包含了全年消耗的化石燃料以及核电、风电、光电、生物燃料、潮汐发电等产生的发电量,所有能量加在一起,全世界一年所消耗的能量是64万亿千瓦时。上面讲到光是用到地球陆地面积千分之一一年就能够产生46万亿千瓦时的光伏电能,如果在这个基础上面再包括风能、水能、生物燃料,可以得出这个结论,就是用可再生能源满足全球能源需求这个设想是可能实现的。

这个图更加直观一点,千分之一是什么概念?正方形的框是2万平方公里,相当于中国陆地面积的1/500,用这个面积铺设光伏发电的话,可以满足中国2019年全年发电量,如果再加上上面小小的一块(5000平方公里),就是假设那一年中国所有石油被用于汽车燃油的部分,再加上电动车所使用的能量换算成电能,小的方块光伏发电就能够满足。

讲到使用成本和价格,光伏成本在过去13年差不多下降了92%多,将近93%,随着光伏装机量进一步提升,光伏上网电价还会进一步降低,很多人预测不久的将来会降低到每度电1毛钱,这个时候用电来产生氢气本身也没有什么碳排放,另外那时氢气价格也会非常便宜,这就解决了用氢成本的问题。

讲到燃料电池本身的性价比,燃料电池里面关键的物料成本制约因素应该是铂金的用量,单位面积铂金用量在过去40年里面已经降低了99.7%,也就是说,今天一个100千瓦燃料电池系统用的铂金是10-20克,当然这个技术还在进一步发展,用量会越来越低。考虑这个因素,不久将来燃料电池一旦规模效应释放出来,燃料电池系统价格应该会跟今天混合动力或者传统燃油车动力系统价格相当。

从以上幻灯可以得出几个结论:

1、从能量使用效率来说,用太阳能转化为光伏的能量利用效率是3个数量级高于用化石燃料。即使考虑用这个电去制氢可能损失20%,或者运输氢气或者燃料电池使用氢气过程中再损失30%,这根本不会改变3个数量级的优势。

2、当光电变得很便宜,氢气碳排放或者氢气使用价格其实都不是问题了。展望氢能时代,以可再生能源为主导,氢气为主要能量载体,包括用绿氢来制造绿色燃油。传统内燃机碳排放高与不高,与燃油本身碳排放高不高很有关系。如果燃油源头碳排放很低,其实内燃机的碳排放也可以很低。展望未来,在氢能时代,动力系统技术是多元化的,像锂电池、燃料电池,采用E-Fuels内燃机或者氢气内燃机,都会在特定市场特定产品上面发挥它的重要作用。

全球主要汽车市场都制定了明确的氢能产业规划,根据各主要汽车市场规划,预测到2030年全球氢燃料电池汽车保有量将达到700万台。

燃料电池与空压机,就像内燃机与增压器的关系。空压机对燃料电池的功率密度、效率、可靠性、响应性都有很大的影响。空气压缩机负责把空气以需要的压力和流量输入到燃料电池系统。

空压机技术路线也有很多,有罗茨式、螺杆式、涡旋式、滑片式、离心式等。这个图反映的是空压机的重量增长和空气流量增长的关系。可以看到,就离心式空压机而言,随着流量的增加,空压机重量增加曲线是非常平坦。而其他种类的空压机重量增加的斜率非常陡,离心式空压机除了体积小、重量轻的优势以外,还有效率高、噪音低、绝对无油、可靠性高的特点。

华涧新能源是华培投资的、聚焦于新能源汽车核心零部件开发应用的高科技企业,依托集团公司在材料研发和材料成型方面的核心竞争力,华涧新能源开发氢燃料电池汽车相关的核心部件,打造在空气动力学、空气轴承、超高速电机、电机控制电机控制器硬件、软件及系统集成与测试等方面的核心竞争力。

针对燃料电池各种应用场景和额定功率的需求,我们规划了一系列燃料电池空压机平台产品,功率可以覆盖10千瓦叉车用途一直到200千瓦重型卡车的用途。在第一代基础上,我们正在研发第二代,它带有能量回收技术,因为对于燃料电池系统来说,最大耗能的附件就是空压机,如果把燃料电池系统排气能量回收一部分,把这个效率提高20%,这对整个系统的效率提高非常有帮助。

前面讲的是我们采用的技术路线,下面介绍一下燃料电池空压机有什么关键技术,我们把它归纳成为四个关键技术:首先是对于离心式空压机来说,高效的空气动力学是非常重要的;第二是超高速电机和控制器的设计开发,几十千瓦的电机达到每分钟12万转以上转速,这已经接近当今材料的极限;第3个关键技术是空气轴承;第4个关键技术是保证汽车行业高品质、高耐久要求的试验开发技术及生产工艺技术。

合适的空气动力学方案,对于压缩机的效率以及合适压比和流量、足够的喘振余量至关重要。我们建立了从一维到三维仿真分析手段,这样能够帮助我们快速精确的进行性能匹配、流场分析和应力、耐久分析计算,使设计的涡轮方案最好满足客户性能和可靠性的要求。此外,我们还建立了国内空压机领域唯一的激光测频试验台架,确保叶轮产品的固有频率与设计理论值一致。激光测频试验台架既可以作为研发手段,也可以作为大批量生产供应商或者生产质量控制的手段。另外,针对每个平台,我们规划设计了一系列气动型谱方案可供选用,以满足快速响应市场的要求。

作为优越的气动方案,这个案例是用一款空压机同时满足一个客户65千瓦电堆和97千瓦电堆,因为客户有这个要求,希望我们给他一个空压机满足两款燃料电池系统的产品,这样就能够减少匹配时间和系统验证工作量。我们在客户那边做了背靠背试验,可以看到,我们的空压机直流功耗与竞品低5.4%,另外空气泄露量约为竞品的一半。

在超高速电机和控制器关键技术领域,我们从系统的角度统筹分析电机、控制器硬件和控制策略技术方案,优化电机电磁设计、机械设计和热管理,满足效率、功率、动态响应、NVH、可靠性和工艺鲁棒性的要求。在超高速电机设计开发核心技术,我们一是建立了从需求分析、系统设计、零部件设计,再从零部件验证到系统验证的完整设计、分析、试验方法和标准。二是采用平台化策略,规划覆盖10千瓦到200千瓦燃料电池额定输出功率所要求的空压机系列产品,统一各平台产品的概念设计,以提高开发效率。在空压机控制器硬件和软件设计开发上,用同一架构满足不同空压机平台的需求,按车规级控制器开发的要求进行测试验证。开发完成的控制器,超高速电机转速控制精度可以达到1‰以内。

离心式空压机另一关键技术是空气轴承,对于燃料电池空压机来说,不管是径向轴承,还是止推轴承,都是采用空气轴承。空气轴承有三大优越特性:一是绝对无油,二是极低的摩擦损失,第三是非常安静。空气轴承作为一个相对新的应用技术,在民用和军用方面,都有众多的应用场景,也因为这个原因,空气轴承技术受相关国家的技术出口管制。如果我们不掌握这方面的核心技术,不管是对市场响应,还是长远成本控制来说是非常不利的。华涧新能源掌握从空气轴承设计、分析、模具开发、生产装配到测试的完整开发流程和技术。今天如果客户提出空压机技术要求,我们可以在很短的时间里面提供技术方案,并且在一、两个月时间里面就能够提供样机,因为我们掌握了这里面所有的Know-how。我们开发出来的空气轴承能达到5倍于行业期望的启停寿命,使空气轴承能达到汽车使用的同寿命。

最后,要达到汽车行业的高质量、高耐久性要求,我们建立从零件试验到总成试验的性能和耐久试验台架和试验规范。以空气轴承为例,我们建立了空气轴承涂层磨损试验台架,轴承单件试验台架,到系统总成试验台架。试验条件考虑环境温度、振动对起飞转速和轴心轨迹的影响。我们的试验条件充分反应了空压机产品在乘用车及商用车上应用可能遇到的情况,使产品开发在内部就得到充分验证,减少在客户应用验证时设计迭代的风险,缩短开发周期。最后也是非常重要的核心技术,高标准的生产线保证下线的空压机产品完全满足汽车行业客户对产品的要求,我们已建成每个工位都防错、每个工位都可追溯、关键工位全自动化的生产线,保证设计开发完成的空压机100%质量可控地被生产出来。

最后小结一下,燃料电池发动机尚处于推广应用阶段,在这个阶段全面掌握空压机核心关键技术对于快速响应市场需求,持续降低燃料电池系统成本至关重要。空气轴承属出口管制技术,华涧新能源已垂直整合从设计、材料、工艺模具到批量生产全过程关键技术,由此开发完成的空压机产品也具有非常优异的性能和可靠性。

谢谢大家!