在氫燃料電池發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域，中國處于什么樣的地位?有哪些突破性技術(shù)領(lǐng)先世界?2022年8月27日，中國卡車(chē)網(wǎng)記者走進(jìn)中國氫燃料電池發(fā)動(dòng)機領(lǐng)軍企業(yè)——北京億華通科技股份有限公司，一探究竟。
目前全世界研發(fā)的產(chǎn)品最大功率在100KW以下，而作為中國氫燃料技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)的億華通公司，已邁過(guò)200KW的世界挑戰，直奔240KW的行業(yè)極限，并且已研發(fā)成功，還與國內主流汽車(chē)企業(yè)一起裝機路跑測試，預計很快會(huì )大批量投放市場(chǎng)。
更難能可貴的是，億華通研發(fā)的240KW氫燃料電池發(fā)動(dòng)機，核心技術(shù)全部自研，并且零部件供應商也全部來(lái)自國產(chǎn)，擺脫了可能在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域被“卡脖子”的不確定性，技術(shù)性能不但引領(lǐng)中國，也領(lǐng)先世界。
執著(zhù)于為長(cháng)途重卡提供最強動(dòng)力
發(fā)動(dòng)機功率從小升級到大，特別是突破行業(yè)極限之所以困難重重，主要在于不是把小功率發(fā)動(dòng)機零部件都變大，就變成大功率了，而是很多關(guān)鍵零部件、設計思路和系統的全新設計，跨界迭代。
因為把小功率發(fā)動(dòng)機的零部件簡(jiǎn)單放大，在提供輸出大功率的時(shí)候，零部件的材料、體積、運轉效率不支撐，會(huì )出現材料溶解，個(gè)別零部件體積急劇增大，以往布局也需要重新調整，為大功率服務(wù)。這也是在世界氫燃料電池發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域，這么多年來(lái)一直沒(méi)有突破100KW的原因。
而億華通之所以能一再突破行業(yè)極限，目前已迭代升級到240KW的世界最大功率氫燃料發(fā)動(dòng)機，主要在于核心技術(shù)的不斷突破超越。
比如在電堆、空壓機和氫循環(huán)系統等方面，都是一步步卓有成效的技術(shù)攻關(guān)，才取得一個(gè)個(gè)突破，并引領(lǐng)供應商一起占領(lǐng)行業(yè)巔峰。
對此，億華通副總經(jīng)理李飛強指出：“之所以執著(zhù)突破240KW行業(yè)極限，因為和鋰電相比，燃料電池的優(yōu)勢領(lǐng)域就在長(cháng)途重載，而長(cháng)途重載的功率需求在 200kW 以上”。三年前億華通開(kāi)始規劃款能夠真正滿(mǎn)足長(cháng)途重載需求的發(fā)動(dòng)機，當時(shí)世界市場(chǎng)上大部分燃料電池發(fā)動(dòng)機還在 60kW，大家對燃料電池輸出功率什么時(shí)候能超過(guò) 100kW都不確定，主要難點(diǎn)在于產(chǎn)業(yè)鏈零部件配套，尤其是電堆、空壓機和氫循環(huán)系統等。因此，這款產(chǎn)品我們從策劃到開(kāi)發(fā)成功，花了三年時(shí)間，過(guò)程非常艱難，最終我們成功開(kāi)發(fā)出來(lái)。
并且產(chǎn)品性能優(yōu)勢明顯，億華通G20+能夠真正實(shí)現長(cháng)途重載領(lǐng)域不同道路應用場(chǎng)景全覆蓋，產(chǎn)品優(yōu)勢體現在高功率，額定功率 240kW，峰值功率 260kW，加載速率 32kW/s，降載速率 64kW/s，高效率，每1kg氫氣平均能發(fā) 18.2 度電，效率>50%的工作區間占比超過(guò)85%，質(zhì)量比功率密度達到820W/kg，體積滿(mǎn)足49t 重卡搭載空間要求，實(shí)現快響應、高效率、高集成的綜合技術(shù)優(yōu)勢。
日夜技術(shù)攻關(guān) 突破四項行業(yè)極限
突破行業(yè)極限，不是一句口號，而是無(wú)數個(gè)日日夜夜的創(chuàng )新攻關(guān)，更關(guān)鍵的是有卓有成效的成績(jì)。
億華通G20+在多個(gè)屬性方面實(shí)現了突破，首先是低溫環(huán)境適應性，采用優(yōu)化的關(guān)機吹掃方法，使燃料電池堆內保持合適的水含量，低溫啟動(dòng)時(shí)采用優(yōu)化的陰極低計量比策略，通過(guò)缺氧增加陰極濃差過(guò)電勢，增加產(chǎn)熱，產(chǎn)品最終達到石墨板燃料電池發(fā)動(dòng)機系統全球首次-40℃@126s 的低溫冷啟動(dòng)能力，既滿(mǎn)足長(cháng)途重載需求，還可以節約燃料。
其次是經(jīng)濟性，電堆方面采用高功率密度石墨板電堆，在相同Pack 空間下，單電池片數由 330片增至 340片，提升電堆輸出功率，BOP 輔件方面，采用氫引射再循環(huán)系統及帶空氣尾排能量回收的膨脹機技術(shù)，策略方面，采用電堆操作條件與膨脹機功耗解耦匹配最優(yōu)技術(shù)。G20+的額定效率 47.5%、常用工況點(diǎn)效率 51%、峰值效率 60%，200kW以上單系統發(fā)動(dòng)機中處于領(lǐng)先水平。
第三是動(dòng)態(tài)特性，硬件方面提升電堆及重要零部件的變載能力，軟件方面，優(yōu)化變載策略，放寬對硬件的變載要求。由 0 升至額定 240kW 的加載時(shí)間為 3s，優(yōu)于重卡燃油發(fā)動(dòng)機的水平(4s);常溫開(kāi)機時(shí)間為 10s，在國內商用車(chē)用燃料電池發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域處于先進(jìn)水平。
最后是智能化，當前億華通有云端的大數據處理的平臺氫見(jiàn)未來(lái)、智能化的手機 APP 終端，可以隨時(shí)隨地獲取燃料電池發(fā)動(dòng)機系統的運行狀態(tài)、統計數據，實(shí)現運行異常態(tài)快速預警，采用 OTA 遠程程序升級技術(shù)，實(shí)現軟件控制算法的持續改進(jìn)。億華通參加冬奧保障期間，80%以上日常維護問(wèn)題都是通過(guò)手機 APP 實(shí)現的，如車(chē)輛點(diǎn)檢，問(wèn)題定位、故障排除、工單報送等。
本手勤奮攻關(guān) 妙手靈感創(chuàng )新
技術(shù)公關(guān)突破既需要扎實(shí)的本手勤奮，也需要靈感突現的妙手作用。億華通研發(fā)總監方川向記者分享空壓機和引射器開(kāi)發(fā)過(guò)程中的故事。
燃料電池所用的空壓機，和一般內燃機上用的空壓機不一樣。燃料電池容易受到油霧的污染導致性能衰減，因此空壓機不能采用油潤滑，燃料電池領(lǐng)域一般采用空氣軸承代替傳統滾珠軸承，這種軸承通過(guò)高速流動(dòng)的空氣形成一層薄薄的氣膜產(chǎn)生承載力，承托住高速電機的轉子。長(cháng)期以來(lái)，燃料電池用空氣軸承空壓機，一直被國外壟斷，直到 2018 年才被國內幾家企業(yè)攻克，億華通也成為國內首家批量采用國產(chǎn)空氣軸承空壓機的燃料電池企業(yè)。
當時(shí)的空壓機還只能支持 60kW 的系統，對于匹配 200kW 以上的系統，是想都不敢想。對 200kW 系統匹配的空壓機，億華通調研了很久，受到大功率高速電機永磁體強度的限制，一直沒(méi)有可行的解決方案，項目一度陷入停滯。
在一次偶然的機會(huì )，億華通了解到 F1 方程式賽車(chē)采用了電渦輪技術(shù)，通過(guò)排氣渦輪與電機結合，可以提升系統效率。它山之石可以攻玉，億華通當時(shí)就想能否在燃料電池發(fā)動(dòng)機上也采用類(lèi)似的技術(shù)，用渦輪回收電堆排氣中的能量，將空壓機高速電機的功率需求降下來(lái)，這樣方案就可行了。當時(shí)方川和億華通的合作伙伴詳細論證了這個(gè)技術(shù)路線(xiàn)，覺(jué)得有可行，一拍即合，立馬開(kāi)始設計。最終將理論的 40kW 電機功率降低到了30kW，攻克了大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機空壓機設計的難題。
另外引射器的開(kāi)發(fā)，億華通也是從三年前開(kāi)始著(zhù)手布局的。當時(shí)行業(yè)里氫氣循環(huán)系 統的主流解決方案是氫氣循環(huán)泵，當時(shí)循環(huán)泵卡滯、結冰等故障頻發(fā)，給億華通帶來(lái)了很大的困擾。
億華通從化工領(lǐng)域的引射器得到啟發(fā)，決定將此技術(shù)應用到燃料電池發(fā)動(dòng)機中，實(shí)現氫循環(huán)的功能。我們從流體仿真開(kāi)始，經(jīng)過(guò)了多輪迭代，不斷嘗試不同的設計參數，進(jìn)行了上百次的仿真運算，由于當時(shí)測試資源有限，一直沒(méi)有機會(huì )和電堆進(jìn)行聯(lián)合實(shí)驗，只是在零部件測試臺上進(jìn)行驗證。好不容易等到了和電堆進(jìn)行聯(lián)合實(shí)驗的機會(huì )，結果剛工作到不到 12kW 就因為軟件控制算 法還不夠成熟的原因不得不暫停，把實(shí)驗臺架讓給其他的項目。
當時(shí)公司內有很多質(zhì)疑的聲音，覺(jué)得引射器不靠譜，豐田都用氫氣循環(huán)泵，億華通為什么劍走偏鋒，非要用引射器?這個(gè)東西到底行不行?引射器開(kāi)發(fā)團隊承受了很大的壓力，在這個(gè)過(guò)程中也有人離職。但隨著(zhù)公司的發(fā)展，測試資源越來(lái)越豐富，億華通引射器的測試和設計迭代開(kāi)始加速，最后在第三代石墨板電堆產(chǎn)品平臺上成功應用，采用創(chuàng )新性的脈沖引射方案，能夠實(shí)現寬范圍調節氫氣回流量，替代氫氣循環(huán)泵的功能，提高可靠性，降低了成本。
目前，億華通240KW大功率氫燃料電池發(fā)動(dòng)機，已與國內多家商用車(chē)廠(chǎng)家聯(lián)手進(jìn)行測試包括常溫快速變載測試、低溫反復冷儲存/冷啟動(dòng)測試、高溫運行/高溫儲存測試、672h 鹽霧測試、防水測試、防塵測試、濕熱測試、振動(dòng)測試等等，并開(kāi)始路跑測試，已獲得長(cháng)達1億公里的運營(yíng)數據，運營(yíng)狀態(tài)良好。
距離長(cháng)途重載用戶(hù)翹首期盼的氫燃料大功率發(fā)動(dòng)機批量上市，在億華通的極限突破下，時(shí)間是越來(lái)越近了。
