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北京亿华通团队研究成果:面向冬奥示范的新一代燃料电池系统技术突破

日期:2022-06-10    来源:中国汽车工程学会

国际氢能网

2022
06/10
09:30
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关键词: 亿华通 燃料电池 电池系统


《汽车工程》2022年第4期为”电动汽车关键技术专刊“,北京亿华通团队发表了题为“面向冬奥示范的新一代燃料电池系统技术突破”一文,论文 针对2022冬奥应用环境,开展了燃料电池发动机系统高密度集成、耐久性管理和低温冷启动技术研究,提升了燃料电池发动机系统性能及低温环境适应性。以下为文章的主要内容。

研究背景

燃料电池汽车是新能源汽车的重要技术路线。在2022冬奥会上,1200余辆燃料电池汽车为赛事提供通勤服务,冬奥应用环境对燃料电池发动机系统提出了高要求。为满足性能、轻量化、低温适应性、低湿适应性、高海拔适应性等要求,燃料电池发动机系统在高密度集成、耐久性优化及低温冷启动设计与控制等方面实现了改进。

研究内容

1. 高功率密度燃料电池系统集成。电堆方面,通过两面流道错位设计和膨胀石墨浸渍工艺(包括碾压、真空浸渍和粘接等)等,减薄双极板,使燃料电池单体厚度从4mm减小到1.6mm水平,提升燃料电池电堆体积功率密度。 燃料电池发动机系统方面,采用正向开发模式,系统与零部件同步开发,通过高度集成设计,降低管路、线束、机械传动等各个环节的能量损失,从而降低辅助系统能耗,减少结构冗余,降低重量。

图1 120kW燃料电池发动机系统

2. 燃料电池系统耐久性优化。空气子系统协调控制方面,采用 空压机和背压阀分区解耦方法,实现空气子系统流量和压力的解耦闭环控制。 氢气子系统协调控制方面,通过引入 氢气电控喷射装置及氢气喷射自学习闭环控制方法,精确匹配氢气尾排阀开启和氢气喷射器喷气时刻,抑制膜电极两侧压力波动,实现阳极排水、减少氢气损耗,有效解决尾排阀开启导致膜电极机械循环应力衰退的问题。 电堆水含量状态观测与闭环控制方面,根据阳极尾排水浓度 控制阳极吹扫时间,根据阴极排放水浓度控制入堆水温并使 阴极排放水浓度在合理区间内,实现对电堆内部水含量的闭环控制,确保电堆水含量始终处于合适的范围。

图2 空压机工作区域耦合分区示意

图3 自学习闭环控制算法

图4 电堆水含量状态观测与闭环控制技术路线

3. 整车综合热管理。开发基于多热域耦合协调控制的燃料电池系统余热利用控制策略,电堆出口水温最高超过85℃,较高的水温使得余热利用系统更容易回收冷却液中的热量,用于冬季车厢内的暖风、除霜等;同时,较高的水温也降低了对燃料电池发动机散热器散热面积的要求,有利于整车布置。

图5 整车热管理构型

研究结果

自2018年7月至2021年4月,张家口开展了国际首个高寒地区长周期示范运营,充分验证了燃料电池车辆性能。

1. 经济性:10个取样车辆累计运行里程和加氢统计情况,累计运行144.26万km,加氢90700.00kg,平均百公里氢耗约 6.29kg。

图6 车辆样本数据统计

2. 可靠性:累计故障次数 192次,平均无故障里程为 7513 km。可靠性的提升主要是在设计、制造、运营等方面实现管控和改进。经过多轮迭代,燃料电池系统平均无故障里程逐步提升至 25000 km。

3. 耐久性:根据电压-时间线性拟合斜率预测寿命,预测的 样本平均寿命约为8700h。以2019年开发的燃料电池发动机系统(60kW)为例,张家口实车运行后的样本数据表明,该系列 燃料电池发动机系统的平均寿命在16000h左右。

图7 燃料电池平均单片电压衰减情况

创新点和意义

论文介绍的燃料电池系统经过多轮技术迭代,产品性能得到较大幅度提升,并通过实车示范运行,验证了其环境适应性、耐久性和可靠性,为2022冬奥“氢能出行”服务和燃料电池示范城市群建设打下了坚实基础。为实现商用车从传统燃油动力向氢燃料动力的转型提供技术支撑,将有利于缓解环境污染问题、优化能源消费结构,助力实现双碳目标。


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