周飛鯤：氫能重卡商業(yè)化對(duì)整車(chē)性能與控制技術(shù)的需求與發(fā)展趨勢(shì)
佛山大學(xué)特聘研究員、廣東省汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能汽車(chē)專(zhuān)委會(huì)主任委員周飛鯤作主題演講
8月25日，由中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)、電池中國(guó)網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)”在中國(guó)上海隆重舉行。
佛山大學(xué)特聘研究員、廣東省汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能汽車(chē)專(zhuān)委會(huì)主任委員周飛鯤作題為《氫能重卡商業(yè)化對(duì)整車(chē)性能與控制技術(shù)的需求與發(fā)展趨勢(shì)》的主題演講。
以下是發(fā)言?xún)?nèi)容實(shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
周飛鯤(佛山大學(xué)特聘研究員、廣東省汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能汽車(chē)專(zhuān)委會(huì)主任委員)：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位來(lái)賓上午好。我是來(lái)自廣東的，正如主持人戴教授介紹所說(shuō)，上海是氫能發(fā)展非常健康又非常迅速的，是我們國(guó)家的一個(gè)典型區(qū)域。
佛山以及廣東也有它的一個(gè)特點(diǎn)，就是再次來(lái)到上海，跟在座的各位來(lái)分享，主辦方希望我們我一直是在整車(chē)廠(chǎng)工作，我站在整車(chē)的角度對(duì)未來(lái)氫能尤其是商用車(chē)、重卡商業(yè)化對(duì)整車(chē)方面的一些技術(shù)，以及它的一些機(jī)遇挑戰(zhàn)，給大家做一個(gè)分享。
氫能實(shí)際上是又新又不算新的這么一個(gè)東西，實(shí)際上在十多年前中國(guó)已經(jīng)通過(guò)在上海包括世博會(huì)同濟(jì)大學(xué)依托我們?cè)谏虾Ｓ绕浼味ㄟ@個(gè)地方大家已經(jīng)成為標(biāo)志性的一個(gè)地域，這樣的話(huà)氫能的發(fā)展跟這幾個(gè)地方確實(shí)是密不可分。
我從幾個(gè)方面，第一，從產(chǎn)業(yè)技術(shù)背景更多從車(chē)的角度。
第二，從車(chē)一些現(xiàn)狀趨勢(shì)，還有對(duì)未來(lái)的一些技術(shù)的研判和分析。
氫能它的好處確實(shí)能量密度高，熱值高，來(lái)源廣泛，在各個(gè)方面有更多廣泛的應(yīng)用，包括交通以及儲(chǔ)能，工業(yè)的降碳等等。
氫能的發(fā)展實(shí)際上離不開(kāi)能源結(jié)構(gòu)變革的需求，能源的話(huà)，我們國(guó)家的特點(diǎn)是一個(gè)多煤少汽缺油的特點(diǎn)，所以從能源結(jié)構(gòu)、能源安全它是一個(gè)根因，有這方面的訴求。
所以各個(gè)不同的機(jī)構(gòu)，其實(shí)對(duì)氫能未來(lái)在能源總需求的占比實(shí)際上有一個(gè)預(yù)測(cè)，2050年我們現(xiàn)在實(shí)際上距離現(xiàn)在看似還有20多年，但實(shí)際上按照機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)從十幾到二十這樣一個(gè)比例的目標(biāo)來(lái)講，其實(shí)接下來(lái)每年的增量可能都是非常可觀(guān)的。
氫能在未來(lái)一段時(shí)間之內(nèi)，會(huì)成為我們?cè)絹?lái)越經(jīng)常遇到的話(huà)題，發(fā)展氫能實(shí)際上還有一個(gè)就是說(shuō)它對(duì)降碳，咱們和電動(dòng)汽車(chē)，中國(guó)已經(jīng)站在全世界領(lǐng)跑的位置上，但是氫能的話(huà)接下來(lái)對(duì)碳的解決可能有更好的適應(yīng)性。
各個(gè)國(guó)家對(duì)氫能實(shí)際上都提出包括像氫經(jīng)濟(jì)、氫能社會(huì)等等這樣的發(fā)展目標(biāo)，尤其像日、美、歐韓國(guó)等等發(fā)達(dá)國(guó)家，他們?cè)跉淠芊矫娴牟季趾统掷m(xù)的發(fā)力，實(shí)際上一直是有二三十年累積的研發(fā)投入。
目標(biāo)的話(huà)，要建成美國(guó)提出的氫的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)，中國(guó)也是2030年形成一百萬(wàn)規(guī)模的目標(biāo)，這是在基礎(chǔ)路線(xiàn)圖都提出了這樣一個(gè)目標(biāo)。
我們都知道氫能實(shí)際上是一個(gè)鏈條，它的鏈條實(shí)際上比較長(zhǎng)，上游其實(shí)現(xiàn)在我們是從風(fēng)光以及水等可再生能源，來(lái)產(chǎn)生綠氫。當(dāng)然氫的來(lái)源還不局限在此，它還有灰氫、藍(lán)氫，就是我們的一些工業(yè)復(fù)產(chǎn)氫、脫碳的零氫等等，有了電我們就可以電解水來(lái)制氫，氫有了的話(huà)我們通過(guò)核心裝置，叫燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)或者叫發(fā)動(dòng)機(jī)，它可以給到各種工業(yè)發(fā)電交通來(lái)做應(yīng)用。
最終的話(huà)，它是生成水沒(méi)有其他的排放，不經(jīng)過(guò)燃燒，既解除了我們說(shuō)的熱機(jī)卡頓循環(huán)效率的限制，同時(shí)也避免高溫燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物等污染物的排放，所以從這樣的體系來(lái)講它是一個(gè)比較理想的鏈條。
我是一直搞車(chē)的，我們就站在車(chē)的角度跟大家分享，自己的一些看法和認(rèn)識(shí)，之前我們說(shuō)中國(guó)發(fā)展新能源汽車(chē)，什么樣叫新能源汽車(chē)，純電、插電還有燃料電池這三種，這種新能源汽車(chē)當(dāng)時(shí)發(fā)展的訴求，一方面是新能源從積分角度，國(guó)家希望企業(yè)來(lái)去發(fā)展新能源汽車(chē);另一方面實(shí)際上也是從碳的角度，從實(shí)用過(guò)程中的降碳，但實(shí)際上，如果說(shuō)降碳，我們乘用車(chē)應(yīng)該有30以上的滲透率，純電動(dòng)這樣的一個(gè)滲透率，但實(shí)際上說(shuō)降碳重卡尤其是柴油的重卡，它的碳排量的當(dāng)量應(yīng)該是說(shuō)百倍余乘用車(chē)，雖然說(shuō)商用車(chē)的體量是乘用車(chē)的20%左右1/5，但實(shí)際上它的碳排放的壓力其實(shí)是真正的應(yīng)該是說(shuō)我們解決碳問(wèn)題在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的焦點(diǎn)。
中國(guó)和美國(guó)加起來(lái)的商用車(chē)的體量應(yīng)該占了全球50%以上，所以說(shuō)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域里面，中國(guó)實(shí)際上是比較有市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，這個(gè)相比較日本、歐洲，實(shí)際上我們有一個(gè)獨(dú)特在市場(chǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，所以說(shuō)日本其實(shí)氫能發(fā)展得很快，技術(shù)是標(biāo)桿，但實(shí)際上它在市場(chǎng)的推廣應(yīng)用方面確實(shí)受到很多的制約和限制。
包括日本一直是以乘用車(chē)為主要的發(fā)展目標(biāo)，因?yàn)槭裁?乘用車(chē)的體量足以能夠帶動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但是在中國(guó)我們國(guó)家提出的先從商用車(chē)上去市場(chǎng)化，是一個(gè)符合我們國(guó)家現(xiàn)在現(xiàn)狀的戰(zhàn)略方向。
解決的這種商用車(chē)，尤其是重卡的零碳化或者是氫能源化電氣化的途徑，其實(shí)有電動(dòng)也有氫能這樣的路徑，現(xiàn)在有很多企業(yè)也在做換電重卡，包括一些快充的重卡，但是我們從各個(gè)方面來(lái)比較，第一性原理上從趨勢(shì)和它的根本原則上，一方面從動(dòng)力源的角度，氫能和電的區(qū)別。
第二，從續(xù)航歷程，從可持續(xù)的發(fā)展氫的資源和我們說(shuō)的鋰資源的對(duì)比，實(shí)際上包括我們說(shuō)從源頭，我們說(shuō)氫可以是有綠電制綠氫，電目前綜合的比例還是60/70都是煤電自發(fā)，接下來(lái)向歐洲的新電池法案已經(jīng)對(duì)電池提出了很多限制性的措施，未來(lái)實(shí)際上我們都可以遇見(jiàn)，碳的交易進(jìn)一步的提出來(lái)規(guī)范化的情況下，我們說(shuō)你用的能云端電的屬性、碳的屬性將會(huì)被記錄到整個(gè)的碳的足跡的統(tǒng)計(jì)之中。
所以氫在這方面就會(huì)越發(fā)的凸顯出它在長(zhǎng)途、重載尤其低溫使用的這樣一個(gè)環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)。
歐盟其實(shí)一直是在減碳的領(lǐng)域里面起到很大的推手作用，歐盟也是在今年年初就提出2035年和2030年分別的二氧化碳減碳目標(biāo)達(dá)到65%，甚至2035年達(dá)到100%二氧化碳的減碳目標(biāo)，這個(gè)的話(huà)其實(shí)也是對(duì)我們?cè)谥剌d車(chē)輛接下來(lái)的低碳化的路徑上提出一個(gè)非常明確的時(shí)間表。
實(shí)際上我們?cè)?022年最近的一次的國(guó)際活動(dòng)上，我們?cè)诒本┒瑠W會(huì)、殘奧會(huì)上，其實(shí)豐田贊助的東京奧運(yùn)會(huì)和咱北京的殘奧會(huì)和冬奧會(huì)用車(chē)方面，用了有超過(guò)一千臺(tái)的燃料電池汽車(chē)，也達(dá)到比較好的運(yùn)行效果和減碳的效果，我們國(guó)內(nèi)也有很多的車(chē)企也參與了這樣一個(gè)示范運(yùn)行的活動(dòng)。
我們國(guó)家現(xiàn)在其實(shí)大家都知道，我們處在一個(gè)氫能示范城市群當(dāng)中，有五個(gè)地區(qū)北上廣，還有河南、河北，一共這五個(gè)地區(qū)在四年之內(nèi)，目前的規(guī)劃推廣數(shù)量是3200臺(tái)車(chē)，同時(shí)除了這五個(gè)地區(qū)之外，我們還有像成、渝、山東，還有很多的地方，湖北等等，也在積極地發(fā)展氫能的這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)之中，這是具體每個(gè)城市群參與的牽頭和參與的城市，這些城市都成了我們講“星星之火，可以燎原”的這么一個(gè)點(diǎn)。
未來(lái)在2025年之后，可以預(yù)見(jiàn)政策的扶持期，可能過(guò)去我們可以判斷氫能的這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化會(huì)迎來(lái)它自己自我可再生、可閉環(huán)的發(fā)展，而不是說(shuō)在依靠政府政策的持續(xù)的注血注入。從政策規(guī)劃里面我們國(guó)家預(yù)計(jì)到五萬(wàn)到十萬(wàn)臺(tái)的保有量，2030年在五年時(shí)間可能發(fā)展到100萬(wàn)輛，到了2060年可能規(guī)模會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。
所以說(shuō)2035是成為商業(yè)化起步的這么一個(gè)節(jié)點(diǎn)。我重點(diǎn)談一下個(gè)人對(duì)整車(chē)方面的一些技術(shù)趨勢(shì)的看法，其實(shí)之前我們說(shuō)燃料電池的技術(shù)原理大家都很清楚它是基于電堆，電堆里面有膜電極，作為核心的發(fā)電來(lái)源，電堆實(shí)際上就是一個(gè)裝置，像一片一片的疊加，在經(jīng)過(guò)供氫、供氧還有水熱管理的系統(tǒng)，最終輸出電。
實(shí)際上這是大家都認(rèn)為的核心的燃料電池的機(jī)理，但實(shí)際上我們其實(shí)不能忽略的就是把它在車(chē)的角度，要放到我們車(chē)用的動(dòng)力系統(tǒng)以及車(chē)的平臺(tái)里頭，甚至要跟它使用的場(chǎng)景相結(jié)合。
燃料電池不是個(gè)孤立的東西，你不同使用的環(huán)境，比如說(shuō)日本豐田在做乘用車(chē)的角度，他現(xiàn)在提出的燃料電池的發(fā)動(dòng)機(jī)它的性能、機(jī)理、壽命、成本所有這些需求都來(lái)自于乘用車(chē)的要求，但實(shí)際上我們把乘用車(chē)這樣的要求如果放在商用車(chē)甚至工程、機(jī)械、船舶去使用的話(huà)，它的要求就完全發(fā)生了變化。
我們比如說(shuō)乘用車(chē)的效率更多要求在峰值效率，而我們真正商用車(chē)的商用峰值效率對(duì)商用車(chē)的使用幾乎沒(méi)有什么意義，它一定追求運(yùn)行過(guò)程中的效率，所以整車(chē)的一些不能忽略的就是動(dòng)力系統(tǒng)能夠?qū)θ剂希瑢?shí)際上一方面是定義，另一方面實(shí)際上也是一種保護(hù)，這樣可以更好地運(yùn)行。
從整車(chē)的幾個(gè)角度分享一下，一個(gè)其實(shí)是高功率、高動(dòng)力性的要求，我們國(guó)家在功率角度上一直在發(fā)展、嚴(yán)格變化之中，從功率角度來(lái)講或者從我們做車(chē)的需求角度來(lái)講，車(chē)的需求其實(shí)一直是不變的，它對(duì)動(dòng)力性的需求實(shí)際上一直是沒(méi)有變化，變的只是我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)的提升，這個(gè)東西就是說(shuō)基于我們對(duì)目標(biāo)、對(duì)過(guò)程的發(fā)展的矛盾或者平衡。
我們不要說(shuō)各個(gè)功率段我們都要去開(kāi)發(fā)，我們是不是提出模塊化、組合式功率的配置，另外加上鋰電池這樣滿(mǎn)足整車(chē)功率需求，這樣從49噸重卡，它的額定功率加上它的峰值功率這樣就能實(shí)現(xiàn)比較好的一個(gè)組合。
除了這個(gè)以外，工程機(jī)械以及船舶，包括其實(shí)像我們說(shuō)的一些氫儲(chǔ)能的發(fā)電，都可以在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加。日本豐田在重卡上還有韓國(guó)現(xiàn)代以及它在儲(chǔ)能發(fā)電上實(shí)際上它都是基于這樣一個(gè)思路原則。
另外我們現(xiàn)在說(shuō)的功率級(jí)別我們國(guó)家現(xiàn)在補(bǔ)貼補(bǔ)到110千瓦，實(shí)際上真正講市場(chǎng)化的情況下，我們舉了兩個(gè)例子，一個(gè)像斯卡尼亞的重卡，它的馬力能達(dá)到500-700匹，實(shí)際上它的功率能達(dá)到400千瓦。戴姆勒剛才說(shuō)的兩套150千瓦系統(tǒng)，組成大概在300千瓦的燃料電池動(dòng)力輸出，會(huì)降低對(duì)鋰電池功率的配比，實(shí)際上它最大的好處我們講叫不能用小馬來(lái)拉大車(chē)，它對(duì)效率、對(duì)壽命都是非常不好的應(yīng)用方案。
未來(lái)的趨勢(shì)肯定是要沿著大功率、高功率的方式去演變。
第二，效率問(wèn)題剛才說(shuō)到這是日本豐田汽車(chē)在一代的燃料電池的測(cè)試效率圖，電堆的峰值效率是66%，系統(tǒng)峰值效率是63.7%，其實(shí)現(xiàn)在我們國(guó)內(nèi)也有很多的企業(yè)基本上峰值效率達(dá)到60%以上，61%、62%，這其實(shí)是說(shuō)，在從乘用車(chē)角度峰值效率點(diǎn)，大家可以看到，它的功率實(shí)際上在十幾千瓦，并不是說(shuō)我們講的運(yùn)行區(qū)間，如果講運(yùn)行區(qū)間按照這樣一個(gè)比例我們達(dá)到110千瓦以上的時(shí)候，它的系統(tǒng)效率基本上已經(jīng)接近40%，從這個(gè)角度，實(shí)際上我們做燃料電池經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)以后很難算得過(guò)來(lái)賬的，所以效率的問(wèn)題，實(shí)際上是不可忽視的一個(gè)非常重要的因素。它是生產(chǎn)工具，不是說(shuō)我們像一個(gè)乘用車(chē)更多追求的其他東西。
怎么提高效率，實(shí)際上從單體電壓的這樣一個(gè)變化，它一定要站在我們說(shuō)工作點(diǎn)的電壓要從0.65要提高到0.8，甚至像IODE提出的工作點(diǎn)要達(dá)到0.85伏，這對(duì)我們整個(gè)從材料到電堆到系統(tǒng)其實(shí)提出了一系列的要求。
效率的話(huà)我們還站在整車(chē)角度，其實(shí)像HEV混合動(dòng)力一樣，我們可以各種不同的動(dòng)力分配，除了燃料電池效率本身我們還要考慮綜合效率的這樣的一個(gè)加氫耗的效果。
另外低溫我們說(shuō)評(píng)價(jià)壽命大家實(shí)際上是基于常規(guī)的使用，但是我們都知道現(xiàn)在真正使用都在西北、東北有很好的場(chǎng)景，但是這個(gè)地方就面臨著低溫的啟動(dòng)，以及多次低溫啟動(dòng)對(duì)整車(chē)對(duì)燃料電池的電堆造成壽命的損傷，不可逆的損傷，講究整車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)。
還有一個(gè)實(shí)際案例，如果在低溫啟動(dòng)鋰電池在低溫充電情況下是受到很大限制的，在這個(gè)情況下，我們說(shuō)燃料電池在低溫啟動(dòng)，其實(shí)我們只是看單一的燃料電池啟動(dòng)，其實(shí)也是不滿(mǎn)足從車(chē)用角度的環(huán)境，你想要把功率放大低溫啟動(dòng)加快，電去哪兒?去不了電池里頭。
還有從壽命角度我們從比較嚴(yán)苛、比較有挑戰(zhàn)的長(zhǎng)途重卡需要的每年的功率至少達(dá)到20萬(wàn)公里，5年下來(lái)可能達(dá)到100萬(wàn)甚至150萬(wàn)公里，這樣一個(gè)挑戰(zhàn)，燃料電池我們不能說(shuō)它只是適合于，但是你得滿(mǎn)足它使用的這樣一個(gè)工況，那這個(gè)怎么解決?
實(shí)際上我們說(shuō)一定站在部件動(dòng)力總成以及車(chē)輛一定是幾級(jí)聯(lián)動(dòng)而不是單一說(shuō)我們只對(duì)燃料電池、電堆提要求，或者對(duì)膜電極提要求，它是根本就不可能實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)模式。
豐田乘用車(chē)的電堆是5千小時(shí)壽命，同樣一個(gè)電堆放在商用車(chē)上要達(dá)到3萬(wàn)小時(shí)，這里面實(shí)際上不是一個(gè)簡(jiǎn)單拿來(lái)復(fù)制沿用，要從整個(gè)體系化要有一個(gè)降低它的使用溫度，調(diào)整它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率等等。
所以我們提出來(lái)說(shuō)一定要站在聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)，而不是一個(gè)孤立的，這樣的話(huà)會(huì)有很多技術(shù)墻存在。
成本大家都知道，美國(guó)最早提出來(lái)30美元億千瓦的這樣一個(gè)成本，其實(shí)日本豐田實(shí)際上在十萬(wàn)臺(tái)的規(guī)模上，基本上已經(jīng)接近這個(gè)數(shù)字，另外我們現(xiàn)在在這個(gè)時(shí)間還有補(bǔ)貼，當(dāng)然沒(méi)有補(bǔ)貼的情況下，2025年以后我們相信它通過(guò)自身的成本的下跌，還有新能源積分碳稅等等的加持，會(huì)比傳統(tǒng)車(chē)帶來(lái)更多的競(jìng)爭(zhēng)力。
未來(lái)肯定是低碳化的發(fā)展趨勢(shì)，從歐洲大家都提出從柴油卡到天然氣，下一步就是純電動(dòng)和氫能，純電比較適合于中短途，氫能比較適合于中長(zhǎng)途以及重載，同時(shí)的話(huà)我們要提出來(lái)在傳統(tǒng)汽車(chē)V字型開(kāi)發(fā)流程要減少這樣一個(gè)驗(yàn)證的環(huán)節(jié)，所以說(shuō)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要加大投入，要加大相關(guān)的技術(shù)研究。
另外就是從動(dòng)力系統(tǒng)的整體測(cè)試標(biāo)定抬架，類(lèi)似于混合動(dòng)力，也能起到比較好的支撐，這也是我們?cè)谧龅囊恍┦虑椤Ａ硗饩褪悄Ｐ偷钠脚_(tái)搭建。
最后我舉一個(gè)例子，大家都知道特斯拉是電動(dòng)現(xiàn)在的標(biāo)桿，它在純電的重卡，上面也推出這樣的一個(gè)卡車(chē)，這個(gè)我們引用國(guó)際證券的分析報(bào)告，其實(shí)就是說(shuō)從它的長(zhǎng)續(xù)航達(dá)到800公里續(xù)航的情況下，電池重量能達(dá)到7.5噸，有效載重就會(huì)變成16噸，大幅度降低它的有效載重，還有就是燃料加重需要兆瓦級(jí)充電，也需要一小時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施有了非常強(qiáng)的要求。
所以，其實(shí)未來(lái)的重卡給了我們氫能的從業(yè)者一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)，也是一個(gè)必由之路，也是整個(gè)發(fā)展的必要趨勢(shì)。以上，謝謝大家。
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