《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。
