燃料動力鋰電池系統(tǒng)

我國燃料動力鋰電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料動力鋰電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料動力鋰電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料動力鋰電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取、儲運(yùn)問題。在本文中，將會為大家介紹燃料動力鋰電池系統(tǒng)的問題，包括其組成、發(fā)展?fàn)顩r以及目前主流的燃料動力鋰電池系統(tǒng)的簡介。

思考的問題：

燃料動力鋰電池系統(tǒng)是由什么部分組成的?關(guān)鍵部件與技術(shù)是什么?

目前國內(nèi)主流的燃料動力鋰電池系統(tǒng)供應(yīng)商情況如何?

重要結(jié)論

燃料動力鋰電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括電堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器以及空氣壓縮機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)包括水熱管理技術(shù)、低溫冷起動、系統(tǒng)的控制技術(shù)等。目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料動力鋰電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個階段，燃料動力鋰電池的技術(shù)重要是集中在降低成本產(chǎn)業(yè)化的階段。國內(nèi)公司重要依賴國外公司的現(xiàn)有技術(shù)并進(jìn)行深入研究，重要公司有大連新源動力和大洋電機(jī)兩家公司。

1、燃料動力鋰電池系統(tǒng)簡介

燃料動力鋰電池系統(tǒng)是燃料動力鋰電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料動力鋰電池汽車與動力鋰離子電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應(yīng)生電。燃料動力鋰電池系統(tǒng)是重要由電堆、燃料處理器、功率調(diào)節(jié)器、空氣壓縮機(jī)組成。每一個系統(tǒng)組成部件都有其特有的關(guān)鍵技術(shù)，其中電堆技術(shù)最為關(guān)鍵。

燃料動力鋰電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料動力鋰電池(FC)單體按照一定的方式組合在一起構(gòu)成燃料動力鋰電池堆，并配置相應(yīng)的輔助設(shè)備(BOP，BalanceOfPlant)，同時在燃料動力鋰電池控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)燃料動力鋰電池的正常運(yùn)行，共同構(gòu)成了燃料動力鋰電池系統(tǒng)。用作車輛動力源的燃料動力鋰電池系統(tǒng)，稱為燃料動力鋰電池發(fā)動機(jī)。燃料動力鋰電池堆是燃料動力鋰電池發(fā)動機(jī)的核心，BOP維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。燃料動力鋰電池發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)重要包括空氣壓縮機(jī)、燃料動力鋰電池用加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)控制單元。以氫為燃料的燃料動力鋰電池發(fā)動機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

燃料動力鋰電池堆是燃料動力鋰電池系統(tǒng)的重要元件，包括電極、質(zhì)子交換膜(PEM)、雙極板、氣體擴(kuò)散層(GDL)、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極(MEA)，它是堆的重要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導(dǎo)性的一層加壓薄層，也是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。PEM是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導(dǎo)的介質(zhì)，PEM的性能直接影響整個電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，供應(yīng)滿足車用動力需求的電功率。

燃料動力鋰電池系統(tǒng)控制技術(shù)。燃料動力鋰電池的耐久性是燃料動力鋰電池汽車問題的關(guān)鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統(tǒng)的問題。經(jīng)過大量的研究表明，影響燃料動力鋰電池壽命的關(guān)鍵因素有：動態(tài)工況、起動、持續(xù)怠速等，這些因素都是通過由系統(tǒng)控制所最終決定的。因此，燃料動力鋰電池系統(tǒng)控制技術(shù)成為燃料動力鋰電池最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

圖中燃料動力鋰電池控制單元包括空壓機(jī)控制模塊、燃料動力鋰電池系統(tǒng)控制模塊以及電池電壓監(jiān)控模塊。其中空壓機(jī)控制箱接收燃料動力鋰電池控制模塊發(fā)送的控制信號，同時把反饋信號(如空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速等)發(fā)給燃料動力鋰電池系統(tǒng)控制模塊。燃料動力鋰電池系統(tǒng)控制模塊重要根據(jù)接受的各種信號，來確定合適的控制參數(shù)，并通過CAN總線與車輛管理系統(tǒng)通訊。電池電壓監(jiān)控模塊用于監(jiān)控單池電壓，當(dāng)電壓過低時向燃料動力鋰電池控制模塊發(fā)送警告信號。通過輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的綜合用途實(shí)現(xiàn)燃料動力鋰電池系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的最有利用。

2、國內(nèi)燃料動力鋰電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機(jī)電控相同的地方是，目前國際上主流的燃料動力鋰電池系統(tǒng)也是分為整車廠自主研發(fā)及配套采購兩種模式。乘用車方面，已經(jīng)量產(chǎn)的燃料動力鋰電池汽車豐田Mirai和本田Clarity都搭載自主研制的燃料動力鋰電池系統(tǒng)，其他主流車企也在加快研發(fā)進(jìn)程;商用車方面，重要采用配套采購方式，巴拉德是國際燃料動力鋰電池系統(tǒng)龍頭，同時也為國內(nèi)的燃料動力鋰電池公共汽車供應(yīng)動力系統(tǒng)。

大連新源動力(南都電源參股)：

新源動力作為國內(nèi)燃料動力鋰電池技術(shù)研究程度最深的公司之一，在燃料動力鋰電池系統(tǒng)的小型化、集成化等方面深入耕耘，與多家國內(nèi)主流車企形成了穩(wěn)定的供應(yīng)關(guān)系。待加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對完善、規(guī)模化效應(yīng)提升使成本逐漸降低后，國內(nèi)燃料動力鋰電池汽車極可能出現(xiàn)類似日本今年一季度的爆發(fā)行情。

公司認(rèn)為燃料動力鋰電池系統(tǒng)的核心競爭力來源于設(shè)計，不論是極板材料的選擇、流道的設(shè)計，還是層級結(jié)構(gòu)的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料動力鋰電池系統(tǒng)產(chǎn)品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個領(lǐng)域，功率從5KW-120KW，產(chǎn)品類型齊全。

大洋電機(jī)：

大洋電機(jī)的燃料動力鋰電池技術(shù)來源于加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司，巴拉德動力系統(tǒng)公司成立于1979年，從1983年開始研發(fā)燃料動力鋰電池，其核心技術(shù)在于質(zhì)子交換膜。1997年公司與戴姆斯-克萊斯勒組建合資公司，共同開發(fā)燃料動力鋰電池汽車市場。2007年至2009年，開始轉(zhuǎn)型發(fā)展清潔能源燃料動力鋰電池產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于智慧能源解決方法。目前公司的重要產(chǎn)品有：1)質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池堆的原始設(shè)備和系統(tǒng)集成;2)動力模塊，為叉車、公共汽車和輕軌供應(yīng)靈活的解決方法;3)固定系統(tǒng)，供應(yīng)一個全面的氫燃料組合電力系統(tǒng)，來支持一系列應(yīng)用程序。

巴拉德在燃料動力鋰電池領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢，過去的30年中巴拉德的技術(shù)工程投資超過10億美元，生產(chǎn)了超過200兆瓦的燃料動力鋰電池堆、240萬個膜電極組件和3000個固定式燃料動力鋰電池系統(tǒng)。現(xiàn)在，搭載巴拉德燃料動力鋰電池系統(tǒng)的公交車行駛里程超過百萬千米，并且為包括豐田、大眾、奧迪等在內(nèi)的全球前八大車企供應(yīng)了超過500個燃料動力鋰電池產(chǎn)品和超過1000小時的咨詢服務(wù)。簽訂燃料動力鋰電池模塊組裝框架協(xié)議，加快公司燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。大洋電機(jī)利用巴拉德成熟的燃料動力鋰電池系統(tǒng)技術(shù)及自身在電機(jī)及混合動力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，與車企進(jìn)行了燃料動力鋰電池汽車的緊密合作，尤其在燃料動力鋰電池客車領(lǐng)域已經(jīng)獲得了較大進(jìn)展。目前，大洋電機(jī)正在建設(shè)燃料動力鋰電池模組組裝生產(chǎn)線，巴拉德供應(yīng)技術(shù)支持，該業(yè)務(wù)短時間內(nèi)面向商用車和物流車，合作的車廠包括佛山飛馳、東風(fēng)特汽等。

3、總結(jié)

本篇科普，我們詳細(xì)介紹了燃料動力鋰電池堆的結(jié)構(gòu)，及國內(nèi)外燃料動力鋰電池堆的發(fā)展現(xiàn)狀。但是，由于燃料動力鋰電池堆響應(yīng)速度較慢，因此通常都要搭配一套電驅(qū)動系統(tǒng)形成混合動力系統(tǒng)。下一篇科普報告中，我們將詳細(xì)介紹混合動力系統(tǒng)的工作原理。