2017年7月19日，由中國電動汽車百人會主辦，湖南中車時代電動汽車股份有限公司、株洲高新區(qū)管委會承辦的“電動汽車熱點問題系列研討會——株洲峰會”在湖南株洲舉行，此次研討會聚焦“新能源汽車電力電子技術”話題，多位行業(yè)專家與會交流分享最新技術，全面分析新能源汽車電力電子技術，共話行業(yè)未來發(fā)展，為行業(yè)帶來新的技術觀點和發(fā)展意見。清華大學教授李建秋在發(fā)言中預測，基于我們國內(nèi)電堆和材料的水平、控制的技術，預計到2020年達到1萬小時的目標，到2025年，由于我們材料和控制技術的發(fā)展，會做到2.5萬小時，基本上跟客車等壽命。

以下為發(fā)言實錄。

　　尊敬的陳清泰理事長，尊敬的丁榮軍院士，尊敬的各位專家、領導，大家上午好!非常榮幸能有這么一個機會給大家匯報在燃料電池系統(tǒng)中的一些電力電子的問題。我的報告大概分成四個部分：

　　第一，燃料電池系統(tǒng)的組成。

　　第二，國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展的最新進展。

　　第三，具體燃料電池系統(tǒng)中間的電力電子的具體問題。

　　第四，小結。

　　首先，來看燃料電池系統(tǒng)。

　　燃料電池系統(tǒng)包括電堆本體，包括外圍的空氣系統(tǒng);然后是冷卻系統(tǒng)，有風扇、水泵等等，也包括節(jié)溫器;還有氫氣供應系統(tǒng)，包括氫氣的電磁閥和再循環(huán)的回路。燃料電池是被動工作的，功率輸出必須要有一個DC/DC來配合，整個系統(tǒng)由相應的電控系統(tǒng)來配合工作。所以我們一般來講，一個燃料電池系統(tǒng)，我們簡稱燃料電池發(fā)動機，包括有電化學的，就是他本身工作的過程是電化學的，但是也包括傳熱傳質(zhì)的過程，氣體的流動、水熱交換等等。當然包括功率控制，電力電子包括電機的控制。所以搞燃料電池發(fā)動機必須要集成三個學科的團隊，一個是電化學的，一個是傳統(tǒng)發(fā)動機的，還有一個是電力電子的。

　　第二，燃料電池汽車國內(nèi)外的發(fā)展。

　　首先，電堆技術或者最核心的部分，基本上分成兩大流派，一個是以轎車作為應用的，采用金屬的雙極板，圖底下是電機和變速器，這個是空壓機，上面就是帶有電纜的接口是電力電子控制總成，是用碳化硅的半導體器件來做的。這個是本田，本田的燃料電池發(fā)動機在國際上目前技術狀態(tài)是最好的，2015年的MIRA基本上排第二。這邊是美國的，原來UTC做的商用車的燃料電池系統(tǒng)，你可以看到它的功率密度差一個數(shù)量級，即100千瓦/公斤，這個大概有三四百公斤重，所以你可以看到電堆的功率密度是很低的，為什么差別這么大呢?是因為用的材料不一樣，它的電堆用的是金屬的雙極板，另一個電堆用的是碳板，碳板體積大、重一點。這個電堆的特性就是耐久性非常好，平均超過1萬小時，最好的一輛車在美國已經(jīng)跑了2.3萬小時，但是我們金屬板的發(fā)動機一般都不會超過5千小時。

　　下面就匯報，把這個發(fā)動機裝在車上形成了各種燃料電池車輛的發(fā)展情況。首先是客車，目前國際上，如美國、德國、日本都推出了燃料電池客車，功率大概是從120—200千瓦，都配有鋰電池(多多少少都會配的)，加上兩個電機，一般的電機功率都比較大，續(xù)駛里程可以跑到300公里沒有問題，耐久性平均達到1萬小時。但是這個車做的比較貴，大概是100萬美元左右，我們國內(nèi)的車比它便宜，后面我們會講。

　　卡車的情況，這是最新的進展，卡車現(xiàn)在已經(jīng)有三家開始在做了，一個是美國的Nikola One，是一家專門做卡車設計的公司，它宣稱它要做一輛燃料電池半掛的拖車，大概能夠行駛1000英里，是用200公斤的液氫儲氫裝置，300千瓦的燃料電池系統(tǒng)，這個車還沒有出來。去年一提出這個想法，豐田說我有燃料電池發(fā)動機，所以豐田就抓緊時間做了第一款燃料電池的卡車。在Nikola One之前推出了這個，之后豐田受到Nikola One的啟發(fā)，說我也做重卡，美國港口牽引車用的8級重卡，總重大概49噸，36噸的載貨量，用了4個氣瓶，2個MIRA的動力系統(tǒng)，已經(jīng)做了搞了一些活動。

　　從能量密度來講，能夠滿足長距離、重型車輛行駛，能夠持續(xù)提供能量的，我感覺還是燃料電池比較靠譜。

　　下面匯報一下轎車的情況，燃料電池轎車國外發(fā)展重點的，包括豐田、通用、日產(chǎn)、奔馳，包括后面還有幾家都推出來了。通用這個車老一點，處在大概2008、2009年的狀態(tài)，后面沒有再改進了，其他兩家都是最近兩三年改進的，續(xù)駛里程都在500—600公里，跟傳統(tǒng)的燃油車差不多了。除了這個之外，最近又有幾個新的加入這個陣營，寶馬、大眾，大眾尤其是奧迪的品牌，一個車輛推出三個版本，純電動、插電、燃料電池，采用四驅，一個車上用了三個氣瓶可以裝6公斤的氫氣，完整的跑600公里沒有問題。

　　戴姆勒奔馳推出了它的插電式的燃料電池轎車，功率大概是75—100千瓦，9千瓦時的電池。現(xiàn)代在IX35 SUV上推出了燃料電池發(fā)動機。

　　我們想給大家看看，本田的發(fā)動機集成度是最高的，因為我們今天是電力電子，它是世界上首先全部采用碳化硅功率模塊實現(xiàn)小型高功率，大概100千瓦的DC/DC變化器，集成在上面，我們認為這些工作在全球來看都是領先的。

　　而且它做了一項工作，把燃料電池發(fā)動機真正的替代傳統(tǒng)的發(fā)動機，放在發(fā)動機艙整個動力總成。這是將來成本的發(fā)展情況，國內(nèi)外預計到2020年一輛燃料電池轎車，相當于B級車的水平，續(xù)駛里程五六百公里，一次加氫3—5分鐘，整車成本是2600美元，大概20萬人民幣不到，所以這個基本上已經(jīng)為燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。我們過去講，原來我們特別擔心貴金屬鉑的用量比較高，現(xiàn)在最新的材料技術水平，采用非鉑和低鉑的催化劑已經(jīng)可以降低鉑的用量，傳統(tǒng)內(nèi)燃機，就是大家平時開的汽油機，三效催化裝置后面有后處理裝置大概3—5克鉑，所以燃料電池車的鉑用量在迅速接近傳統(tǒng)內(nèi)燃機的水平，這個是值得我們重視的。

　　剛才歐陽老師講，特斯拉用了10幾公斤的鈷，將來至少每輛車用公斤級的鈷是必須的。公斤級的鈷跟克級的鉑差了上千倍，所以鈷盡管地球的儲量比較多，但是我們的判斷將來純電動，就是電池的產(chǎn)業(yè)大了之后，這些金屬的資源也會相對稀缺，我們預測的結果是將來動力電池和燃料電池要相互配合，它是一個燃料電池汽車，但是上面也用動力電池，但是用量不會像純電動那么多，用氫來做存儲裝置，達到純電動汽車核燃料電池汽車兩個協(xié)調(diào)發(fā)展，我們的電池產(chǎn)業(yè)、核燃料電池產(chǎn)業(yè)可以相互配合發(fā)展，這是有利于我們整個新能源汽車行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的。

　　其他的不再多說了，包括有軌電車，我們最近也在跟青島搞有軌電車，今年要上線開始在佛山運行了。

　　國內(nèi)的情況給大家簡單匯報一下，我們已經(jīng)做了十多年，2015年開始，我們一個動力系統(tǒng)平臺，往物流車、客車、有軌電車，包括現(xiàn)在轎車也開始推了，做了很多的工作，包括它的耐久性。這是我們的客車跟國外的對比，基本上我們12米的客車現(xiàn)在價格在200萬以內(nèi)，這還是在我們?nèi)剂想姵匕l(fā)動機沒有批量生產(chǎn)情況下的成本，我們現(xiàn)在燃料電池發(fā)動機批量的生產(chǎn)線，年產(chǎn)2000套，下一步到年產(chǎn)1萬臺的發(fā)動機生產(chǎn)線，等我們把這個線建起來，它的成本應該還能再下降2—3成。國外的車輛，我們整個性能跟它差不多，但是成本跟耐久性顯著提高，這塊我們是有創(chuàng)新的，我們現(xiàn)在國內(nèi)做的燃料電池動力系統(tǒng)跟它們還是有區(qū)別的。這個是有軌電車正在調(diào)試的情況，我們現(xiàn)在一個動力系統(tǒng)平臺推廣到不同的整車應用里面，并且從今年開始上百臺的客車的訂單已經(jīng)開始在生產(chǎn)了。

　　技術路線不詳細講了，有一個耐久性的預測，基于我們國內(nèi)電堆和材料的水平、控制的技術，我們預測2020年達到1萬小時的目標，到2025年，由于我們材料和控制技術的發(fā)展，會做到2.5萬小時，基本上跟客車等壽命，所以我們預計從現(xiàn)在到2020年還是小批量示范1萬左右的量，到2025年我們預計產(chǎn)量就會起飛了，而且起飛的量是按照10萬臺，每年幾萬臺到10萬臺的量起飛，我們整個產(chǎn)業(yè)鏈布局，以發(fā)動機為核心，一會兒我們要講的我們的電力電子的這些問題關鍵零部件，我們開始要進行關鍵化的布局和準備。

　　下面匯報一下燃料電池里面幾個關鍵的點，就是電力電子問題。

　　第一，燃料電池專用的DC/DC，它的功率模塊部分是非常關鍵的，DC/DC要完成什么功能呢?我們是把它作為燃料電池控制的重要執(zhí)行器，第一個功能完成功率的變換，第二個功能要完成對燃料電池的耐久性進行控制，就是控制燃料電池的功率電壓，我們知道功率等于電壓×電流，實際上這個就是雙閉環(huán)控制。同時要直接控制燃料電池功率的變化率，這個也是很關鍵的，除了功率本身要控制還要控制變化速度。第三個非常關鍵的，參與燃料電池的交流阻抗辨識，不僅僅要實現(xiàn)功率的變化，而且是要通過產(chǎn)生高頻的擾動信號，幫助控制系統(tǒng)來辨識電堆里面的含水量。所以不要認為一個普通的DC/DC的企業(yè)就能夠做好這個燃料電池的專用DC/DC，這個概念是錯的，還需要有一些新的功能。直接控制燃料電池在暖機過程的工作電壓，這個也是不一樣的。還有其他的，汽車級的電力電子器件的工作要求，電池兼容、重量、體積、效率、成本，還有26262的規(guī)范要求等等。

　　下面展開講講，雙閉環(huán)控制體現(xiàn)在什么地方呢?雙閉環(huán)控制體現(xiàn)在燃料電池如果工作電壓過高的話衰減會很快，如果工作電壓比較低的話，衰減倒是不快了，但是你的發(fā)動機效率會下降，一般會有一個下限電壓，也會有上線電壓，一般叫做電壓前位控制，電壓前位控制的目的就是為了使得發(fā)動機的經(jīng)濟性、耐久性都比較好，這是我們前位電壓控制的算法。國外也做過，電壓變化率，如果負載，比如從0.65滿負荷、怠速或者空轉，如果你的電壓突變可以看到紅色這條線不到1千小時電堆衰減到只有80%了，如果只穩(wěn)定在一個點，即使7千小時也衰減不到5%。所以這些都是我們把DC/DC作為燃料電池的重要的執(zhí)行器，包括瞬態(tài)的控制以及變化率。我們現(xiàn)在提出來，DC/DC功率的變化率和電堆的內(nèi)部工作過程要相互配合，空氣的流量和壓力在動態(tài)過程中相互配合。

　　還有一個，需要通過動力系統(tǒng)，就是說燃料電池的功率不能急劇的變化，車輛的功率要隨便變化的，司機一腳油門踩下去就要加速，怎么辦?這里面有混合動力控制的問題，燃料電池的功率跟動力電池的功率怎么樣相互配合，我們過去做了十多年，主要在這方面做了很多的工作，現(xiàn)在基本上我們動力系統(tǒng)的技術已經(jīng)穩(wěn)定了。

　　還有一個，怎么樣參與內(nèi)部狀態(tài)辨識，這是燃料電池的工作電壓特定曲線，橫坐標是電流，縱坐標是電壓，為了辨識燃料電池電堆里面含水量的狀態(tài)，需要專門產(chǎn)生一個主動的擾動信號，這個擾動的量不是很大，十幾個安培的電流變化就可以，通過這個擾動量把DIDT和DVDT求導，獲得交流阻抗，這個質(zhì)子交換膜是電堆最核心的發(fā)生電化學反應的膜，我們利用這個含水量來看膜的含水量，就是通過阻抗的大小，實現(xiàn)含水量的閉環(huán)控制，這個叫燃料電池的水管理，這個對燃料電池的耐久性影響是非常大的，如果膜高了，這個壽命就會很快的衰減。

　　DC/DC的功能就是要直接實現(xiàn)軟機啟動，正常燃料電池輸出電壓是0.75V，低溫條件下為了燃料電池的產(chǎn)熱比較大，這個部分是產(chǎn)熱，下面是功率輸出，冷啟動的時候需要DC/DC拉的電壓會很低，比如說0.1V每個單體，正常工作是0.75V，啟動的時候為了實現(xiàn)快速，軟機要拉到0.1—0.2V。

　　整個燃料電池DC/DC的控制電壓是這樣的，首先，藍色的這條線代表低溫啟動的時候，就是說正常工作電壓大概300V多到400V啟動的時候只有幾十伏，隨著電堆溫度上升，DC/DC會逐步的調(diào)高暖機電壓，最后溫度正常的時候再調(diào)高到正常的工作電壓，所以這個對DC/DC的工作頻率，對你的設置、對你的參數(shù)的匹配都是有影響的，不是一個通用的DC/DC。

　　第二點，燃料電池空氣系統(tǒng)里面有一個非常非常關鍵的執(zhí)行器，就是它的空氣壓縮機，為了提高燃料電池的功率密度，一般我們需要對它的空氣進行增壓，一般跟我們內(nèi)燃機增壓到2—3個大氣壓，怎么樣增壓呢?我們傳統(tǒng)內(nèi)燃機可以通過廢氣渦輪增壓，但是燃料電池發(fā)動機廢氣的能量是很低的，因為排氣的溫度只有六七十度，不像內(nèi)燃機可以到五六百度，差一個數(shù)量級，這樣我們必須要用一個電機來驅動這個空壓機，單位工作轉速很高。這個電機和控制器就很關鍵，我們現(xiàn)在有一個專門的團隊是搞空氣動力學的，他專門要把這個空壓機的轉速降下來，從10萬轉降到5萬轉，降到4萬轉，就是說空壓機葉形的設計降低轉速，這里面有什么呢?空壓機的總成設計問題，這么高的轉速電機加上葉片在一起，在一根軸上，這個軸的動力學就很關鍵，軸承也很關鍵，你不能用我們廢氣渦輪增壓的機油來潤滑這個軸承，為什么呢?機油會形成油的蒸汽，這個會形成電池污染，所以我們必須是無油空壓機的研發(fā)，我們現(xiàn)在組織什么隊伍在研發(fā)呢?在佛山廣順在行業(yè)里比較有名，是專門做醫(yī)療里面空氣泵、空壓機的。還有一個團隊航天11所，航天動力研究所，搞長城5火箭發(fā)動機液氫液氧泵的團隊，那個液氫液氧泵的轉速也很高，我們通過他們解決這個問題。

　　當然電控方面對我們也是挑戰(zhàn)，一個10萬轉的電機不是那么好做的，當然我們今天英飛凌的徐輝女士也在這兒，我們跟她們也在合作，電機控制這塊，用TC275的平臺在做這些工作。你可以看到，這里面12萬轉的轉速，低壓堆也要5萬—6萬轉的轉速。

　　電機我們在跟精進電動合作，正好我們蔡蔚博士也在，我們在做相應的工作，怎么樣把高速電機的設計跟空壓機集成在一起，這個難度很大，因為電堆本身我們現(xiàn)在有好幾家能解決了，反而是空壓機現(xiàn)在還沒有量產(chǎn)，沒有批量做的比較好的。

　　同時，因為要上高轉速，所以電流的控制能力要更強，所以我們希望能夠上碳化硅的這些控制的，新的電力電子器件希望用在上面，包括剛才本田的發(fā)動機，已經(jīng)是DC/DC和空壓機都已經(jīng)用碳化硅的器件來做電力電子器件了。

　　第三個部分，我們的氫氣再循環(huán)泵和控制器。氫氣再循環(huán)泵有一個特點，第一，要防爆，跟我們陰極還不一樣，陽極這個因為大部分氣體是氫氣，所以它的速度也很高，也是幾萬轉到十幾萬轉，同時還要防爆，這個防爆的電機和控制器應該怎么做?同時介質(zhì)是變化的，陰極水蒸汽透過膜，因為現(xiàn)在質(zhì)子交換膜很薄，大概20微米厚，會透過陰極到達陽極，如果一直循環(huán)不排，氮氣和水蒸氣的比例會上升，氫氣的濃度就會下降，反應效率就下降了，所以你還得經(jīng)常要有陽極的尾排，尾排之后氣體成份就變了，成份變了之后空壓機的工作，因為它的黏度和阻力都不一樣，氫氣的阻力是很小的，氮氣和水蒸氣的阻力和黏度是比較大的，所以氫氣再循環(huán)泵的阻力就會變化。所以這塊我們已經(jīng)到了，基本上國內(nèi)現(xiàn)在沒有人提這一塊，我們就是把這個需求提出來，所以我們在座的有搞電力電子、有搞電機的，希望能夠跨行業(yè)的合作，把這個空壓機和氫氣再循環(huán)泵這兩個高速的旋轉部件做好下一步的研發(fā)和部署，這樣我們國家燃料電池發(fā)動機的技術水平才會有一個比較顯著的提高。這是我們整個氫系統(tǒng)的，里面有三個執(zhí)行器，一個是前端的氫氣噴射，就像我們天然氣的噴嘴一樣，也是要用電控噴射的，這個我們已經(jīng)解決了，現(xiàn)在氫氣再循環(huán)泵還沒有解決，尾排電磁閥也解決了，所以整個的重點在這里。

　　最后講一講我們現(xiàn)在在交流阻抗辨識反應的進展。我們已經(jīng)做了一個，這是我們的主DC/DC。我們不改這個主DC/DC的功能，我們加了一個小DC/DC專門來做交流阻抗辨識，現(xiàn)在進展非常好，基本上我們跟國外的對比我們已經(jīng)把每個電堆包括每一片的交流阻抗都測出來了，這里面還是有一些難點的，就是每一片的電壓波動兩非常小，怎么樣才能讓你這個電壓的采集非常精確，我們在測量方面也做了很多的工作。

　　這個DC/DC，就是我們跟英飛凌合作的結果，英飛凌專門給我們提供了一個通用的DC/DC，我們就拿它來作為交流阻抗辨識，現(xiàn)在我們做的基本上已經(jīng)能夠實現(xiàn)反饋了。

　　下一步要做的就是交流阻抗的算法直接AURIX TC275的，已經(jīng)有一個規(guī)劃了。

　　將來我們希望實現(xiàn)的，燃料電池發(fā)動機不管工作溫度和負載有什么變化，這個膜的含水量，交流阻抗基本上是恒定的，這樣燃料電池的耐久性就會得到保證。

　　最后做一個小結。第一個結論就是，要搞好燃料電池發(fā)動機一定要組好團隊，不僅要有搞傳統(tǒng)電化學的，就是搞燃料電池材料的人，也要有傳熱傳質(zhì)的人，這里面大量就是傳熱傳質(zhì)的工作，要想把發(fā)動機控制好主要是控制和傳熱傳質(zhì)方面組織好。第三個就是今天的主題，我們電力電子，不論是DC/DC，還是空壓機的電機，還是氫氣再循環(huán)泵的電機，以及控制器，在燃料電池的控制里面是占有非常重要角色的，所以我們強調(diào)，只有實現(xiàn)多學科的集成，才能克服耐久性木桶的短板效應，最后把每個木桶的板子做的都一樣齊，燃料電池的耐久性就會高了，否則如果你有一個短板，那個短板就會嚴重的影響這個電堆的耐久性。

　　第二，燃料電池專用DC/DC是它的核心的執(zhí)行器，承擔了多個功能的實現(xiàn)，它的綜合性能是完全依賴于DC/DC的，所以我們培育的億華通就是在搞燃料電池發(fā)動機的產(chǎn)線，是自己把DC/DC也做產(chǎn)業(yè)化了，就是因為太核心了，相當于是它的重要的核心部分。第三，空壓機、電機是它重要的執(zhí)行器，需要攻克壓氣機和電子轉子一體化集成、高速和超高速電機控制加上空氣軸承技術才能真正滿足FCEV的需求。

　　我的匯報就到這里，謝謝各位專家和領導。