FEV中国区动力总成副总裁姚玉武: 到2040年,全球氢燃料电池汽车销量将超1000万辆

    氢燃料电池汽车网  由氢璞创能总冠名的2022第三届中国氢能与燃料电池汽车产业峰会于8月10-11日在京举办。FEV中国区动力总成副总裁姚玉武博士出席大会并发表《可扩展的模块化燃料电池系统-助力降本？》的演讲。他表示，做可扩展模块化的燃料电池系统的关键点在于燃料电池系统功率可以做缩放设计。

  姚玉武表示，燃料电池面临几个挑战，首先是基于对燃料电池在动力、车辆动力里面的需求，就要求它有响应性的灵活性，满足车辆的不同的响应需求。另外就是耐久性，还有一个是安全性。在这些需求里面燃料电池面临几个挑战：

  第一、燃料电池发动机系统的瞬态响应快慢；其次，燃料电池的耐久性以及燃料电池自身的健康状态；第三，燃料电池系统的起停方式、起停过程，这也会影响燃料电池的寿命。

  姚玉武表示，关于氢燃料电池车辆，对燃料电池预测性的维护也是一个非常重要的手段。除此之外，面对低温环境特别是零下的环境，燃料电池的冷启动性能以及燃料电池系统整体的全生命周期的成本控制、成本优势都值得关注。为了解决这些挑战，FEV在开发阶段就形成了多层次的建模方式。

  另外，燃料电池系统在车辆开发的过程中，需要有大量的测试验证工作，无论是从性能还是从耐久以及它的可靠性，这些测试的工作本身会增加我们开发周期和成本。“为了解决这个问题，我们通常采用快速的测试验证方法。除此之外，燃料电池系统和动力电池进行混动化的搭配组合，也能够提升整个动力系统本身的动力特性以及能耗节约水平，同时能够得到一个很好的成本控制。FEV认为在产业化方向上面，采用模块化的设计是一个非常好的降成本的手段。”姚玉武强调。

   模块化设计燃料电池

  模块化首先考虑的就是燃料电池，燃料电池在不同的车辆、类型里面的应用。姚玉武表示，谈到应用首先我们考虑到的是它的需求，不同车辆它有不同的需求，从数量上来看，整个市场的体量从A级轿车、B级、C级以及SUV到快递车、轻型物流车、城市大巴以及卡车、轨道交通去看，产量从前往后是递减的。从氢气的需求之前也讲过它是反过来的，氢气的需求是递增的。

  “另一个我们去关注的点就是驱动力，首先对于氢气的成本驱动力在于后者，就是卡车、城市大巴，还有轨道交通等这些车辆的氢消耗量最大，所以它是氢气成本控制或者降低驱动力。”姚玉武表示，但是从燃料电池系统的成本去看是反过来的，因为前者轿车它的销量会更高，所以它对燃料电池成本的控制甚至降成本是主要驱动力，甚至能起到更加重要的作用。

 基于不同应用的特点，那再去看动力系统包括燃料电池系统里面模块化的思路：首先从整个动力系统去看，在动力系统里面不同的车辆应用，首先它的应用场景是有差异的，那么在这里面常规的A级轿车是老百姓平常开的车，那这种车辆它是私人使用，那么到B级、C级以及SUV它的应用场景会发生一些变化。

 第二，从性能上来讲，对于车辆的动力性需要关注几点。一个是它的最高的巡航速度，最高的巡航速度从A级轿车一直到更重的车辆，那么它的特点也是不一样的。普通的A级轿车中等的速度适中就可以了，对于B级、C级、SUV续航速度要求更高，车速实现的更高。物流车是在中间，如果仅限于城市的话它会在一个比较低的车速要求。

  第三，从爬坡的能力来讲，一个是连续爬坡能力，那么对于A级车是中等要求，包括其他的乘用车，而对于大巴车以及卡车，那它有一个很高的持续爬坡能力的要求。

  第四，就是峰值的爬坡能力，峰值和持续的本质差异在于峰值的爬坡能力，它是一些特殊工况或者一些特殊路况但不会很持续，那么这里面仍然是大巴车，还有卡车，特别是长续航的卡车它也会有很高峰值爬坡能力的要求。第五，加速性则更多体现在乘用车上面，因为乘用车消费者它很关注超车的能力，加速的能力。

  从这些特点来看，第二和第三项它是对持续功率有很高的要求。第四和第五是对峰值功率有很高的要求。“怎样去解决这些问题，我们站在动力总成的角度来讲，可以认为燃料电池和动力电池之间的组合可以去平衡，那么第一个选择就是可以看那个电池，动力电池一个动力电池代表相对来讲它电池的度数比较低，那么它是去满足一个常规的一个混动应用，去助力，短时间的助力或者短时间的能量回收。”姚玉武表示。

  但是像这样的电池本身它对它电池的重放电功率要求比较高，要求很高的重放电功率能力，但这不是我们燃油电池的话题。重点在于像这样的混动类型，燃料电池它的功率跟随、功率响应要求是非常高的，以燃料电池为主。对于动力电池的能力，相对应燃料电池它的响应性和峰值功率可以做一些平衡和取舍。

  最后是增程式的燃料电池车，它的动力很大，燃料电池在里面可以减少功率需求，起到充电、续航的功能。为什么会谈到这一点？首先在整体动力总成的成本上大家可以看到，动力电池它的成本和它的续航能力是成正比的，也就是续航能力要求越高，它的成本就越高，对于一个车辆来讲。而燃料电池不一样，燃料电池是功率需求越高，它的成本会越高，这两者是不一样的。

   燃料电池应用分析

  “燃料电池车辆要求的续航里程越高的时候，燃油电池的优势就会越明显，续航里程要求低的时候当然会有这样的车辆，它的动力电池成本就会占优势，所以针对不同的应用，永远都可以找到它最佳的平衡点，这是FEV从动力总成角度去考虑它的成本。”姚玉武表示。

  从燃料电池系统角度怎样考虑它的成本，姚玉武认为，首先，典型燃料电池系统功率对于不同的车辆它有相应比较常规标准的需求，比如说像A级车40-60千瓦的燃料电池，净功率就足够了；BC级汽车以及SUV70-150千瓦，这里面主要取决于SUV、轿车也好它的动力特征我是以动力为主，还是以舒适为主，这会有差异；另外轻型物流车50-100千瓦，其他的轻型大巴50-150千瓦，卡车200-400千瓦，200千瓦可以说也够用。比如说像丰田的八级氢燃料电池卡车228千瓦功率也够用，那么也看到了发展趋势，就是追求300千瓦以上，达到产业级的功率水平。

  除此之外，轨道交通可以是动车还可以是城际快车，它的功率水平也是不一样的。站在系统角度我们去看燃料电池大家知道有不同组合，可以是单堆的，可以是双堆的，甚至可以是双系统的。其实双系统、多系统并不一定受制于辅件的限制，其实它也有它的市场化降成本这样的一个平台化的应用考量。

  对于非公路的氢燃料电池车，可以采用这种双系统，甚至于多系统的方式，主要就是它的布置，空间受限制比较少，极端到乘用车，乘用车是典型的布置空间非常有限，要求非常紧凑，这种模块化或者可缩放功率燃料电池要求有针对性，定制化的电堆以及定制化的辅件。

   两种典型的应用，一个是BC级的轿车以及SUV，FEV认为它的功率95千瓦就够用了。那么系统怎么样去做平台化，可以考虑像燃料电池系统，通过单堆和双堆这个变化，对于电堆来讲变化是非常小的，对于BOP可以采用缩放，大的辅件以及小的辅件这样的更换，做到A级车或者小一点车的同平台，这样整个电堆的规模效应就起来了，而且对于产品系列的维护、升级的复杂度和难度也降低了很多，这种策略典型的就是现代的N Vision策略。

  姚玉武表示，还有一种场景是应用在重卡上面，像丰田的八级氢燃料电池重卡，它的燃料电池系统228千瓦，对应采用的是双系统的方式，拿掉一个系统单系统满足B、C级它的应用需求，同时它也提高了整个系统的重复利用。换句话说，这个产量节约成本的效应，在维护升级上面确实容易很多，它为了满足不同客户的需求，不同车辆的需求会衍生出来很多版本，对于燃料电池如果应用到车辆工程里面，采用同样的思路对前期布局燃料电堆或者燃料电池系统的产能、开发是有很高的借鉴作用的。

  思路很清晰，但实际上去做起来并不是那么简单。FEV在帮助OEM开发燃料电池系统的时候，我们是按照遵循这样的一个原则，就是从V型图里面可以看到，最前期的时候要站在车辆平台去分析动力系统，在动力系统的层次上去做相对比较简化的动力总成的仿真，去定义燃料电池系统需求。

  然后再开发燃料电池系统的时候，就要从燃料电池系统功率可缩放，可以模块化的角度也是通过更加详细的方法，这时候的仿真可以是零维、二维的详细仿真去定义燃料电池系统里面的零部件。同时，燃料电池辅助BOP，也需要做一定的缩放，那么这时候下探到第三级的细化程度的仿真和验证工作，那么去详细的定义我的像空压机等等它零部件的平台化或者是它模块化的设计。

   这种模块化设计，比如说100千瓦和150千瓦、200千瓦的燃料电池系统，是不是永远都需要上车才能验证？“做电堆开发大家都有经验，首先做一个短电堆，可能甚至更高做一个单个单元的测试，其实在燃料电池系统里面也是一样的道理，怎么样通过没有实际车辆的情况下，通过虚拟的手段帮助我们去精准的验证燃料电池系统的性能、耐久以及控制这些东西。FEV通过这种虚拟化的测试平台可以很好地解决这些问题。

       2040年，全球燃料电池汽车将超1000万辆

  FEV对于2040年全球汽车和燃料电池汽车进行了预测：到2040年，全球道路车辆、非道路车辆以及其他的工程应用车辆总销量将达8400万辆，其中，氢燃料电池车辆能够占12%（即1008万辆）。燃料电池车整体的分布情况：95%属于轻型的燃料电池车辆，包括乘用车和一些轻型的物流车，3%是重卡，2%属于非公路的车辆，包含像叉车、起重车、轨道交通等等。“那么整个在这个燃料电池车的销量里面，未来是轻型车特别是乘用车它的销量、数量应该是最高的。”姚玉武强调。

  姚玉武表示，氢燃料电池汽车现在关注点在于商用车，特别是重卡、大巴、专用车等，这个目的是非常明显的。在早期的时候为了能够使氢能，特别是氢能在燃料电池里面的应用能够推广开。首当其冲的就是商用车的应用，它可以加速制氢、储氢的产业链，同时能够加速加氢站的建设。

  “首先我们在轻型乘用车里面燃料电池的功率2030和2040年的数据大家可以看到。重型卡车的燃料电池单车功率一般应该是轻型车的3倍，从氢耗来讲，重卡一年之内运营的氢耗，一辆重卡可以达到普通乘用车的50倍，从它市场的数量以及它运营的氢耗，重卡的氢耗能够达到60%的占比，这也是为什么作为燃料电池推广氢能重卡的意义和作用，在前期是非常重大的。”姚玉武强调。

   FEV总部位于德国亚琛，是世界知名的独立发动机工程技术公司。作为世界知名的内燃机研发领域的领头人，FEV为全球汽车OEMs提供先进的测试设备和配件产品，以及全面的技术咨询服务。在燃料电池领域，FEV从1998年开始做第一个基于大众宝莱做了小功率的燃料电池车，后来又为卡车做了辅助电源，那么到2015年FEV的燃料电池系统当时是30千瓦也做到了车上当时车是一个菲亚特500，两座的小车30千瓦。到2017年FEV参与了欧盟的项目，那么去开发城际特快，属于火车的驱动燃料电池系统，2021年到现在，FEV正在组织承担欧盟的燃料电池系统以及零部件的标准化的制定工作，在欧洲参与去制定燃料电池的生产、验证相关的欧洲标准。

  基于不同应用场景，FEV覆盖了各种类型的燃料电池系统的应用，可以为国内外的客户提供相关的技术和战略的咨询，提供仿真的手段、仿真的工程服务。还有我们自身的燃料电池系统的测试、设备测试台架也可以对外销售和应用。

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