中汽中心郭婷：國內外燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵測評技術(shù)的研析
中國汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司平臺總監郭婷做主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應用國際峰會(huì )”在中國上海隆重舉行。中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )理事長(cháng)劉寶生、中國工程院院士彭蘇萍、中國科學(xué)院院士孫世剛、上海市嘉定區副區長(cháng)李峰等出席峰會(huì )，來(lái)自行業(yè)主管部門(mén)、高校、科研機構和產(chǎn)業(yè)鏈知名企業(yè)，以及外賓代表共300余人與會(huì )。
中國汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司平臺總監郭婷在會(huì )上作題為《國內外燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵測評技術(shù)的研析》的主題演講。
以下是發(fā)言?xún)热輰?shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
郭婷：各位行業(yè)同仁大家上午好，很榮幸今天站在這里跟大家分享一下我們團隊所做的一些工作，今天我所分享的題目是《國內外燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵測評技術(shù)的研析》。
我將從4個(gè)方面來(lái)說(shuō)，首先我們看一下目前燃料電池整個(gè)的示范運行發(fā)展現狀。
燃料電池其實(shí)是我們汽車(chē)能源戰略以及我們雙碳政策的一個(gè)重要支撐，目前其實(shí)是采取示范運行的支撐政策，已經(jīng)有五大示范城市群，41座城市納入我們國家的燃料電池示范城市運行中心，從2019年開(kāi)始就實(shí)行了一個(gè)最高額的補貼狀態(tài)。
我們把最高的購置補貼轉化為示范支撐的政策，目前實(shí)施的政策來(lái)講我們主要也是集中于四大方面，分別是構建產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化，在這個(gè)方面我們其實(shí)是以龍頭產(chǎn)業(yè)為重要支撐，大力發(fā)展關(guān)鍵的核心技術(shù)和整車(chē)產(chǎn)品，實(shí)現一些重大的突破。
第二點(diǎn)，我們開(kāi)展新技術(shù)、新車(chē)型示范，完善關(guān)鍵技術(shù)和測試評價(jià)標準，在這個(gè)方面我們是在不斷的尋找燃料電池汽車(chē)的示范應用場(chǎng)景。
第三點(diǎn)，探索商業(yè)模式，提高經(jīng)濟性，在這個(gè)方面我們重點(diǎn)其實(shí)是找到能夠持續給燃料電池汽車(chē)提供穩定低成本的氫源。
最后一個(gè)方面，完善政策制度的環(huán)境，不單單從加氫站，也從我們的氫源入手，從整個(gè)燃料電池汽車(chē)的示范運行入手，來(lái)開(kāi)展相關(guān)的政策支撐。
在政策的支撐下，目前已經(jīng)在四大領(lǐng)域取得關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)展，首先在技術(shù)的創(chuàng )新領(lǐng)域，我們目前已經(jīng)逐漸掌握了自主知識的創(chuàng )新能力，掌握了關(guān)鍵燃料電池電堆、雙極板、空壓機等核心的技術(shù)，在碳紙和催化劑的方面也在逐漸的加速突破。
在車(chē)輛的應用推廣領(lǐng)域，銷(xiāo)售額也在直線(xiàn)上升，據不完全統計已經(jīng)超過(guò)了1.5萬(wàn)輛這樣的數量，燃料電池也從單純的公交車(chē)場(chǎng)景，拓展到物流車(chē)和重卡應用場(chǎng)景。
第三，氫能供給，累計的加氫站我們已經(jīng)有將近400余座，很多的城市也正在將氫能作為能源管理，并且不斷的去加快加氫站的審批和管理辦法。
最后一個(gè)就是支持政策，政策體系和制度環(huán)境都在逐漸的完善，包括我們從國家級和省部級等等都開(kāi)始去報批各類(lèi)型支撐的政策去推動(dòng)燃料電池示范運行發(fā)展。在未來(lái)增加燃料電池的車(chē)型和應用場(chǎng)景，規范化降低成本，提速氫能供給模式，政策持續支撐，將助力我國成為最大的燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)。
在政策方面，長(cháng)期看來(lái)需要建立氫能及燃料電池汽車(chē)協(xié)同發(fā)展的政策支撐體系，目前規劃的將會(huì )從研發(fā)的驗證和推廣應用、安全監督、加氫站的建設等多個(gè)角度，共同推動(dòng)。從車(chē)輛的應用場(chǎng)景來(lái)講，也逐漸的去尋找中途場(chǎng)景和遠途場(chǎng)景，能夠快速的加大燃料電池啟動(dòng)推廣力度的一些應用場(chǎng)景。
第三，規?；某杀竞秃诵募夹g(shù)的國產(chǎn)化，是我們降低成本最重要的方式，無(wú)論是從政策的支撐和產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)的加大創(chuàng )新技術(shù)力度，都會(huì )促使我們成本的降低。未來(lái)我們將會(huì )實(shí)現能夠與燃油車(chē)相媲美的狀態(tài)。
目前我們中汽中心是作為燃料電池示范運行的第三方支撐機構，全面支撐了財政部等五部門(mén)完成示范運行政策的研究、起草、解讀和示范城市群的評選工作，并建立了國家氫能及燃料電池示范監控平臺，目前接受平臺的燃料電池汽車(chē)車(chē)輛已經(jīng)超過(guò)5000輛，加氫站超過(guò)70做，制氫企業(yè)有30余家。
第二個(gè)方面，我們來(lái)回顧一下國內外標準法規現狀的一個(gè)體系，產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)離不開(kāi)標準的推廣，在國際領(lǐng)域我們其實(shí)目前還是以三大性能為支撐，包括安全、性能、燃料，包括我們在幾大的研究標準機構，GTR還有SAE、ISO等等，他們都在不同層級的去支撐燃料電池汽車(chē)的標準化發(fā)展。
值得一提的其實(shí)是在國際上認證，還是以整車(chē)加汽評為主，而我們過(guò)么其實(shí)還多了關(guān)鍵核心零部件的支撐，這樣才能推動(dòng)我們自主知識產(chǎn)權進(jìn)一步的擴大?？v觀(guān)我們的國家標準，目前其實(shí)是以?xún)蓷l腿走路，第一條是基于燃料電池現有的結構特征，正在制定多項整車(chē)接口使用等方面的標準法規，已經(jīng)發(fā)布的有15項，在研標準16項，預研標準4項。
包括我們預計今年能夠發(fā)布的冷啟動(dòng)，以及它的一些動(dòng)力性等等，我們在研的也包括最重要的一個(gè)布局，包括一些碰撞后的安全要求，以及我們加氫通訊協(xié)議等相關(guān)領(lǐng)域的布局，同時(shí)我們第二條方法，其實(shí)就是在現有的國家標準當中，修訂的過(guò)程中將燃料電池的部分修訂到國家標準當中，能夠全面的鋪開(kāi)燃料在各個(gè)角度方面的一個(gè)國家標準的應用。
包括我們正在預研的一些項目，碳足跡還有一些戶(hù)賬模式的一些推廣等等，都將燃料電池的部分修訂在其中，所以能夠使我們快速的推動(dòng)國家標準的發(fā)展。在國家標準的布局下，團體標準和地方標準緊隨其后，遍地開(kāi)花，迅速補充燃料電池在發(fā)展過(guò)程中的測評體系，覆蓋整車(chē)氫系統、系統、電堆、材料等等，我們從燃料電池的開(kāi)發(fā)到應用，到后面的一個(gè)標準化等等，都會(huì )有各大的學(xué)會(huì )和協(xié)會(huì )進(jìn)行共同的推動(dòng)，迅速補充我們在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程當中的一些標準推動(dòng)。
第三方面，跟大家分享一下目前燃料電池關(guān)鍵測試技術(shù)解析，我們團隊其實(shí)重點(diǎn)在搭建全車(chē)型、全場(chǎng)景、涉氫的燃料電池汽車(chē)的測試評價(jià)領(lǐng)域，關(guān)鍵的測評技術(shù)，以四大平臺為支撐，分別是安全性平臺、經(jīng)濟動(dòng)力性平臺、可靠耐久性平臺，以四大平臺為支撐，分步驟去進(jìn)行技術(shù)完善、技術(shù)優(yōu)化、拓展和創(chuàng )新，滿(mǎn)足我們研發(fā)和全生命周期的一個(gè)測評體系。
在安全性方面，結合實(shí)際的運用場(chǎng)景解決氫安全、電安全、高壓按照在使用前、使用中和使用后的周期性評價(jià)，氫安全是燃料電池關(guān)注的重點(diǎn)，目前基本的安全要求已經(jīng)是作為納入強制性的標準法規，但是我們目前不僅僅局限于氫氣的泄露、排放等等，我們還應該對燃料電池汽車(chē)進(jìn)行階段性的氫安全檢查，包括關(guān)鍵的傳感器、高壓管路進(jìn)行安全性的檢查，保證我們燃料電池汽車(chē)持續安全有效進(jìn)行。
第二個(gè)方面，在電安全領(lǐng)域，會(huì )更加關(guān)注在電量消耗，動(dòng)態(tài)電平衡等相關(guān)工況下的電安全的一些實(shí)現，在高壓安全領(lǐng)域我們主要集中在兩個(gè)方面，一個(gè)是加氫安全，一個(gè)是碰撞安全，其中碰撞安全標準也正在研制，預計近兩年就會(huì )實(shí)現發(fā)布，現在正在積極的進(jìn)行研討過(guò)程當中。
在經(jīng)濟性方面，預祝今年也是會(huì )發(fā)布燃料電池汽車(chē)的續航歷程和能量消耗量的測試評價(jià)標準，在這個(gè)過(guò)程當中我們現階段已經(jīng)把燃料電池汽車(chē)分別A類(lèi)車(chē)型和B類(lèi)車(chē)型，根據燃料電池和動(dòng)力電池能量的占比，我們將它分為A類(lèi)和B類(lèi)，在即將發(fā)布的國家標準當中，我們已經(jīng)很明確的將A類(lèi)車(chē)型，也就是俗稱(chēng)全功率車(chē)型，采用外接法進(jìn)行快速的續勢里程評價(jià)，但是根據我們市場(chǎng)上存在的更多的電電混合動(dòng)力的商用車(chē)的燃料電池車(chē)型，還沒(méi)有提出相關(guān)快速的評價(jià)方法，所以我們的團隊正在研究這部分的內容，未來(lái)也一定會(huì )是一個(gè)研究的領(lǐng)域和方向。
我們提出也是采用中國工況的方法，采用6個(gè)循環(huán)分別進(jìn)行純電和混動(dòng)模式的測試，采用氫電折算的方法計算續勢里程和氫耗，這樣的方法不但可以采用自供氫的方式，也可以大大地降低測試的成本。
經(jīng)濟消耗量其實(shí)是評價(jià)燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵的指標之一，常用的方法我們一般會(huì )想到的就是流量法、溫度壓力法和質(zhì)量法，但是這三種方法其實(shí)在使用過(guò)程當中，不但會(huì )增加我們的測試成本，也會(huì )使測試的安全會(huì )有一定的風(fēng)險，所以各有優(yōu)劣，為了更好快速準確的測試氫氣 消耗量，我們提出了以尾排當中的氫氧質(zhì)量守恒的方法進(jìn)行氫耗的測試，這種方法簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是測量廢氣當中的氫氧的濃度、體積濃度、流量等等，通過(guò)這種方法進(jìn)行計算，目前該方法已經(jīng)完成設備的開(kāi)發(fā)和理論的研究驗證的階段，正在廣泛的征集行業(yè)的意見(jiàn)，立項了團體標準，這個(gè)也是希望行業(yè)當中能夠共同參與，這個(gè)就類(lèi)似于碳平衡法測友好，能夠大大降低實(shí)際操作過(guò)程當中的難度，也能夠使我們的成本下降。
第二個(gè)方面溫度場(chǎng)景我們知道，電池電化學(xué)反應受溫度的影響很大，我們率先研究了高壓部件和低壓部件在不同的工況領(lǐng)域下能量流的解析，為了更好的測試他在不同的高溫場(chǎng)景和低溫場(chǎng)景經(jīng)濟性的指標，我們也做了十幾款的燃料電池汽車(chē)，對他高溫和低溫的經(jīng)濟性與常溫進(jìn)行對比，我們發(fā)現其實(shí)在低溫場(chǎng)景和高溫場(chǎng)景下，他的氫耗的指標是遠大于我們在常溫的指標，未來(lái)我們也會(huì )在這個(gè)方面持續的加大力度，提出我們高溫和低溫情況下、場(chǎng)景下對燃料電池、氫氣消耗量和續勢歷程全工況能量流解析，同時(shí)低溫場(chǎng)景和高溫場(chǎng)景，也同樣影響著(zhù)燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力性。
下一方面我們講一下可靠性，提高燃料電池可靠性是燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的必經(jīng)之路，我們從兩個(gè)層級去布局可靠性測試評價(jià)方法的發(fā)展，第一個(gè)是從整車(chē)層級，目前其實(shí)大部分車(chē)企用的可靠驗證都是基于我們燃油車(chē)和電動(dòng)車(chē)制訂的一些方法，但是針對燃料電池基本特征，比如說(shuō)電堆、車(chē)載氫系統等等，并沒(méi)有依托它關(guān)鍵核心部件，開(kāi)展相關(guān)的耐久性可靠性的測試，所以我們基于這樣的場(chǎng)景下，通過(guò)社會(huì )路面和實(shí)驗場(chǎng)的用戶(hù)關(guān)聯(lián)的分析，建立了面向電堆、空壓機、車(chē)載氫系統核心部件的建立，使他能夠在燃料電池在實(shí)驗場(chǎng)進(jìn)行加速可靠性的驗證，在此過(guò)程當中我們選取的是安裝強相關(guān)的連接點(diǎn)作為重要的輸入點(diǎn)，包括燃料電池系統電堆的懸置等等，核心的零部件也包括DCDC、車(chē)載氫系統，也包括氫瓶支架，以及一些關(guān)鍵的高壓閥件。
目前其實(shí)已經(jīng)完成了四類(lèi)車(chē)型在全國示范城市群的載荷譜的采集，并完成了相關(guān)的用戶(hù)關(guān)聯(lián)分析，也立項了我們團體的標準，未來(lái)將會(huì )實(shí)現燃料電池不同的車(chē)型在實(shí)驗場(chǎng)加速耐久可靠測試評價(jià)方法。
第二個(gè)層級，我們在可靠耐久性是實(shí)現對零部件的考核，也是基于等損傷的原理，我們建立了燃料電池汽車(chē)典型部件的方法，我們利用五步法分別進(jìn)行三大系統的燃料電池加速耐久PSD譜的編織，分別通過(guò)已經(jīng)采集的載荷譜的數據，進(jìn)行語(yǔ)流技術(shù)外推、疲勞損傷譜、沖擊響應譜的計算，進(jìn)行抬價(jià)加速工力目錄譜的制定和校驗，初步已經(jīng)通過(guò)采集四類(lèi)的車(chē)型示范城市群的振動(dòng)載荷譜，我們推導出來(lái)核心零部件、電堆、車(chē)載氫系統抬價(jià)方案，我們后續會(huì )持續加大采集力度，會(huì )優(yōu)化我們抬價(jià)的方法。
第四，從環(huán)境適應性講起，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾年的時(shí)間，我們目前燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)、低溫冷啟動(dòng)技術(shù)，已經(jīng)大部分能解決，并且能夠實(shí)現-30攝氏度冷啟動(dòng)的能力，為了更好的實(shí)現高溫和高原的場(chǎng)景，我們一直在布局實(shí)驗場(chǎng)和實(shí)驗室雙重的能力，特別是加氫和充電的實(shí)驗能力，滿(mǎn)足我們全溫度場(chǎng)景下的測評分析，實(shí)現環(huán)境工況的有效輸入。
隨著(zhù)電堆功率的上升，目前其實(shí)都能夠達到100千瓦級以上，大部分還有一些能夠達到200千瓦級以上，在功率上升的同時(shí)，熱平衡能力已經(jīng)當前重要解決核心技術(shù)問(wèn)題。
為了解決這樣的測試評價(jià)的問(wèn)題，我們聚焦兩個(gè)方面，一個(gè)是提出燃料電池有效的測試工況，包括我們提出了燃料電池最大的輸出功率的工況作為重要考核工況，第二個(gè)是我們提示的城市工況作為綜合的考評工況，同時(shí)我們也關(guān)注一些測評的指標，特別是熱平衡的時(shí)間電堆、進(jìn)出水溫度等核心的指標用來(lái)評判，所以采用最高車(chē)速的運行時(shí)間，最高的運行功率以及最長(cháng)的穩定時(shí)間三大指標，來(lái)評價(jià)熱平衡，目前通過(guò)我們的測試結果，也發(fā)現大部分的車(chē)輛都是通過(guò)限制功率滿(mǎn)足溫控的需求，但是如果是在一定的溫度40攝氏度或者38攝氏度以上的場(chǎng)景，那么它的動(dòng)力性也會(huì )受到影響，所以這個(gè)是我們未來(lái)需要解決的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。
最后燃料品質(zhì)和空氣品質(zhì)的測評技術(shù)，在這個(gè)方面我們知道其實(shí)不同的制氫方式和不同區域空氣品質(zhì)是不一樣的，相應的每種帶來(lái)雜質(zhì)的問(wèn)題也會(huì )有不同，雜質(zhì)的問(wèn)題對長(cháng)時(shí)間穩定運行的燃料電池汽車(chē)有一定的影響，但是對于目前來(lái)講燃料品質(zhì)首先分析就沒(méi)有特別全面，正在逐漸地建立全面的分析體系，同時(shí)對單一雜質(zhì)對耐久性的影響也不清晰，所以為了解決這個(gè)問(wèn)題我們需要加強國際合作，搭建高精尖的測試能力，明確不同的雜質(zhì)對耐久性的考核問(wèn)題。
通過(guò)現階段測評技術(shù)的問(wèn)題，我們也對未來(lái)燃料電池系統關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研判，燃料電池汽車(chē)的新技術(shù)、新功能，也會(huì )提出新的使用要求和測評要求，我們歸納為四大方向。
第一個(gè)全氣候高效的使用技術(shù)，在這個(gè)方面我們重點(diǎn)去解決熱泵空調技術(shù)，還有保溫技術(shù)、動(dòng)力電池自加熱技術(shù)。燃料電池低溫冷啟動(dòng)很大一部分原因不單單是燃料電池本身的原因已經(jīng)解決，但是很多動(dòng)力電池在低溫下沒(méi)有辦法提供有效的能源，其實(shí)是暴露出來(lái)新一輪的問(wèn)題。
第二個(gè)全工況下高壓的安全性問(wèn)題，在這個(gè)問(wèn)題當中，我們技術(shù)會(huì )更加關(guān)注安全設計、監控系統以及絕緣防護。
第三個(gè)方面全生命周期的可靠性技術(shù)，我們更加關(guān)注系統集成、控制器、可靠性、全場(chǎng)景的可靠性的驗證體系。
第四個(gè)低碳的節能技術(shù)，我們會(huì )逐漸地完善能量的控制策略還有輕量化技術(shù)、高效熱管理技術(shù)。
我們通過(guò)提高集成設計、優(yōu)化控制策略，搭建全面的驗證體系，基于用戶(hù)在真實(shí)的用車(chē)場(chǎng)景，聚焦整車(chē)關(guān)鍵性能，開(kāi)展主客觀(guān)的測試評價(jià)，全面解決燃料電池汽車(chē)的技術(shù)創(chuàng )新。
最后一部分，也就是我們中汽中心其實(shí)在為了推動(dòng)氫能和燃料電池的發(fā)展，我們也做了很多人力和物力的投入，新能源汽車(chē)科技創(chuàng )新基地是我們中汽中心近年來(lái)投資最大、建設規模最高、技術(shù)能力最強的項目，已經(jīng)于2022年投入使用，其中包括我們國內最大的氫能及燃料電池汽車(chē)零部件的實(shí)驗基地，以及我們整車(chē)的實(shí)驗基地全面大作國家級的燃料電池的測試評價(jià)、技術(shù)服務(wù)、質(zhì)量監督和認證認可的平臺，我們的目標其實(shí)是建設成為國內領(lǐng)先、世界一流、服務(wù)于燃料電池汽車(chē)全研發(fā)流程、產(chǎn)品鏈、全生命周期和全應用領(lǐng)域綜合技術(shù)服務(wù)基地。
我們整個(gè)服務(wù)基地是有四大平臺優(yōu)勢，第一國家氫能及燃料電池示范監控平臺，實(shí)時(shí)掌握整個(gè)示范平臺的數據。第二就是中國工況的數據庫也為我們燃料電池測評和關(guān)鍵技術(shù)的解析提供了一定的支撐，第三個(gè)方面全國的標準化技術(shù)委員會(huì )以及我們硬件一流的涉氫創(chuàng )新實(shí)驗基地。
我們?yōu)榱四軌虼蛟烊?chē)型、全場(chǎng)景涉氫的研發(fā)驗證平臺，我們從軟硬件分別滿(mǎn)足驗證的實(shí)力，軟件上我們在不同的平臺上根據關(guān)注的指標，去布局我們測試評價(jià)方法和測試評價(jià)技術(shù)的布局，我們目前也搭建了涉氫的輕型、重型轉股環(huán)境倉，就是為燃料電池汽車(chē)全新的整車(chē)的驗證作為重點(diǎn)的攻關(guān)，以及我們氫耗的設備和尾排的設備也具有多項自主知識產(chǎn)權。
上述就是我們實(shí)驗室一些關(guān)鍵整車(chē)級設備的一些展示，也歡迎各類(lèi)同仁能夠有機會(huì )到我們中汽中心進(jìn)行交流，以上就是我的全部匯報，謝謝主辦方，謝謝行業(yè)同仁。
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