宋楠:全球首款商业运营燃料电池大巴战略意图

2016-12-07 来源:列宁格勒保卫者 编辑:join
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导读 2006年,福田汽车与清华大学联合承接了国家863计划节能与新能源汽车重点项目中氢燃料电池电动客车的研发。其中,清华大学主要负责研发氢燃料电池系统和车载供氢系统,福田汽···

  2006年,福田汽车与清华大学联合承接了国家863计划节能与新能源汽车重点项目中氢燃料电池电动客车的研发。其中,清华大学主要负责研发氢燃料电池系统和车载供氢系统,福田汽车负责提供整车制造技术。2008年北京奥运会召开期间,清华大学和北汽福田自主研发的3辆燃料电池公共汽车在北京市进行了示范运营。奥运会结束后,北京市在原有线路上安排该三辆车继续示范运行,截至2009年7月31日,3辆车安全运行75460公里,载客39995人次。但是受技术、成本以及使用环境所限,当时这款成本近千万元人民币的燃料电池大巴并不具备商业运营条件。

  2016年5月,就在全球都在质疑氢燃料电池客车之时,福田欧辉8.5米氢燃料电池客车一举斩获了100辆订单。为了保障纯电动汽车的示范运营,清华大学为租赁公司引入了两位股东,分别是亿华通和东升科技园。2014年9月有车新能源汽车注册成立。此后的一年多时间,有车新能源汽车一直致力于新能源汽车的长租、短租以及分时租赁业务的发展。此次,采购这100辆福田氢燃料电池电动客车,是有车新能源汽车在保证自身运营的同时,对氢燃料电池电动客车的一次深度示范运营尝试,为日后氢燃料电池电动客车广泛服务社会积累更多经验。

  福田欧辉12米氢燃料电池大巴,长宽高11980×2550×3560mm、整备质量17950kg、可搭载60人、座位28个、最高车速69km/h、在匀速工况下续航里程超过300km。

  福田燃料电池大巴采用全承载低地板车身(一级踏步)。氢燃料电池发动机不是动力蓄电池,而是一种通过氢气与氧气发生电化学反应产生电能的装置,其过程不涉及燃烧,无机械损耗、能源转化率高、产物仅为电、热和水蒸气,运行平稳,无震动、无噪音。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60-80%,为内燃机的2-3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,福田氢燃料电池客车可谓真正意义上实现了零排放、零污染。

  12米氢燃料电池大巴,并没有在福田现有产品线改型而来。虽然参考的是2008年之后,研发的燃料电池车系结构,但随着技术的提升而在整车驱动结构、前后悬架、外观造型以及车内配置进行了适时代变迁的升级。燃料电池系统采用世界领先干膜技术,低温存储、低温启动,气体不需要加湿器,全天候零下15℃冷启动,零下45℃冷储存及停机自动保护。采用低功率、低噪音、低压吹风机,有效保障噪音低、自耗能低、故障率低。

  2008年北京国际车展期间,福田氢燃料电池大巴向观众现场展示氢燃料客车尾气养鱼。

  福田燃料电池大巴前组合灯匹配透镜用于提升安全照明系数,转向灯和前雾灯单独设定。

  BJ6123FCEVCH-1型燃料电池大巴,并没有在福田现有产品线改型而来。虽然引用的是2008年之后,研发的燃料电池车系结构,但随着技术的提升而在整车驱动结构、前后悬架、外观造型以及车内配置进行适时代变迁的升级。

  在前风挡玻璃上端,设定LED显示屏(用于提示车辆行驶状态等信息)并原车状态设定带有夜视功能的前端摄器材。

  一体式深色玻璃,并未采用全封闭处理,可推拉开启的侧围玻璃,有利于提升乘员行驶中的舒适性。对于采用全电推进的封闭公交车,电动机扭矩瞬时释放,再加上密闭空间空气流通性较差,容易导致乘员身体不适。

  当然,在运行中开启空调系统,也可提升舒适性。但在春秋两季对空调需求不高运营期间,开启侧围玻璃利用自然气流通风,可兼顾舒适性和续航效能。

  在车身焊接顶端,前部(红色箭头)为4组氢燃料气瓶储藏区域、后部为空调组件。所搭载的燃料电池系统采用世界领先干膜技术,低温存储、低温启动,气体不需要加湿器,全天候零下15℃冷启动,零下45℃冷储存及停机自动保护。采用低功率、低噪音、低压吹风机,有效保障噪音低、自耗能低、故障率低。

  福田燃料电池大巴驾驶舱为全封闭设定,司机通过一具可从内部闭锁的玻璃门进出驾驶区域。这一安全设定可有效防止行驶途中,乘客对驾驶员实施武装攻击行为,间接提升车辆主动行驶安全。

  备注:近年来,屡次发生乘客攻击公交车司机,导致整车失控,引发设计乘客以及第三方交通参与者的严重事故。提升公交车驾驶员安全的防护措施,已经被提升至整车安全标准配置高度。

  福田燃料电池大巴驾驶员座椅特写。自适应高度的气囊支撑座椅提升驾驶员工作舒适性,左侧设定的换挡机构,顶置摄像器材中规中矩。

  “半包围”的仪表台,强调的是驾驶员可单手操控所有功能开关,而不影响驾驶安全。

  上图为福田燃料电池大巴组合仪表特写。

  红色箭头:低压电压表

  白色尖头:高压电压表

  黄色箭头:氢储气瓶压力表

  绿色箭头:驱动电机转速表

  黑色电机:全转向桥气压(制动管路)

  粉色箭头:后驱动桥气压(制动管路)

  最右侧指针仪表为车速表;中央多功能显示屏为驾驶员提供更直观的续航里程、氢燃料提及、制动管路压力、电池SOC以及挡位状态等信息。

  上图为组合仪表左侧功能开关特写。在众多常设功能内,特别加装了GPS导航模块电源开关(开启后可由控制中心记录行驶轨迹)、以及座椅气囊高度调节开关(作为自适应气囊高度备份功能)。

  位于驾驶员座椅左侧设定了一组D、N、R、S按键式挡位控制开关和手制动(气压)开关。

  相对,其他品牌新能源电动大巴不同的是,福田燃料电池大巴特别增加了一组S挡(运动模式)。

  上图为福田燃料电池大巴内部结构特写。根据不同地区运营需求,可灵活布置23-42套软材质座椅。

  一级踏步地板便于残障人士及携行轮椅乘车。

  并在后车门就近位置留存系留轮椅空间。

  在右后车门与后驱动桥之间,布置了加氢口。上图为加氢口盖板开启后的特写。

  福田燃料电池大巴搭载的氢燃料储气瓶压力为35MPa,氢燃料储气瓶内部压力越大,相同的空间内存储的氢气量越大,存储的能量越多,整车一次加氢的续驶里程就越长。

  当然,氢燃料储气瓶承受更高压力,就需要附属管道和阀门加工精度更高、使用寿命更精准。

  上图为福田欧辉燃料电池大巴后部燃料电池(电堆)以及控制单元特写。福田欧辉燃料电池系统由电堆、氢气储气瓶组件、附属管路以及控制系统组成。整车搭载了一组钛酸锂电池组补充燃料电池输出功率的不足,电池控制系统以及整车控制系统由福田汽车自行研发。

  福田欧辉8.5米燃料电池大巴加注氢气10分钟,续航里程可达300公里。

  备注:燃料电池为俗称,相对传统锂电池而言,燃料电池需要氢气作为电化学反应的必要原料,在燃料电池(电堆)内与氧气进行化学作用,最终获得电能和水。目前国内主要的燃料电池电动客车以及加氢设施都是由亿华通配套。在电堆内,氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜,最终完成燃料电池化学反应,最终获得稳定的电能输出。

  上图为福田燃料电池大巴后驱动桥及驱动电机特写。

  红色箭头:位于车身焊接后部的轴间驱动电机(大洋电机提供、最大功率150Kw)

  黄色箭头:后副车架右后气囊减震

  白色箭头:后稳定杆

  黄色箭头:气囊减震

  红色箭头:油压减震套筒

  白色箭头:牵引臂(前后各2条)

  福田燃料电池大巴并未采用轮边驱动电机,而是采用传统的轴间电机+传动轴(红色箭头)+驱动桥形式。后驱动桥被副车架、4条牵引臂、稳定杆以及4套气囊减震和油压减震套筒构成。

  值得注意的是,后传动轴与后差速器叉型法兰之间间隔一组橡胶衬垫,用于隔绝驱动电机瞬间传递出较大扭矩引发后驱动桥的震动。

  当100台福田燃料电池大巴进入北京公交集团服役后,将统一在艺华通建设的占地4000平方米标准加氢站补充氢燃料。

  位于北京市海淀区上庄水库附近的艺华通加氢站,是联合国开发计划署和中国政府共同支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范”项目的一部分。在2008年北京奥运会期间,与三台戴姆勒克莱斯勒燃料电池大巴配套示范运营。同时,艺华通加氢站也承担国家863“燃料电池客车”项目,北汽福田燃料电池大巴的加注任务,并积累相关使用经验和相关数据。

  建设于2006年的艺华通加氢站,随着制氢技术提升、燃料电池大巴需求的提升、配套设备不断更新。

  红色箭头:早期匹配的制氢设备(未加装防护装置,所有设备裸露在外)。

  换色箭头:2010年重新修建的集成在标准集装箱体内密闭运行的制氢设备。

  由718所制造的这套水电解制氢设备,替代了之前天然气制氢设备,无论纯度还是品质都大幅提升。具备为2016年之后制造的北汽福田燃料电池大巴提供合格且无杂质的氢燃料。

  当然,成立于1966年的718所,最擅长的就是高能化学工程、电解水制(氢)氧、气体净化技术和装备制造。尤其是具备满足未来包括太平岛在内南海诸多岛屿淡水净化设备的供应。

  纯度更高的氢燃料制造出来,经过管道输送到增压泵房(提升输送压力)、存储设备,最终在需要加注时,通过加氢设备至燃料电池大巴。

  红色箭头:增压泵房

  黄色箭头(左):20MPa压力的存储钢瓶

  黄色箭头(右):35MPa压力的存储钢瓶

  白色箭头:加氢站

  在2013年之前,因普及力度弱,众多媒体以及吃瓜群众认为以电动和混动技术为代表的新能源汽车不安全、会爆炸。经过近3年的发展,符合标准的电动、混动汽车的安全系数甚至超过传统动力汽车。同样,采用燃料电池作为动力驱动的车型,在使用合格的氢燃料气瓶、管路、电堆和控制系统,其安全系数已经不再成为制约发展的节点。

  在10分钟内完成氢燃料加注,与传统动力车辆加油一样快捷。相对电动汽车1小时内快充至满电,优势明显。

  备注:因采用18650型锂电池的特斯拉电动汽车自燃事故,将随着销量提升而增加。

  上图中正在加注氢燃料的8.5米级别福田燃料电池大巴,与前文提及的12米级车型,都将进入北京公交集团服役。所搭载的电堆、氢燃料储气瓶、钛酸锂电池组件以及整车控制系统完全相同,只是车身长度、承载效能根据市场定位不同而差异化。

  在加氢之前,根据操作规范通过外力固定整车驱动轮并断电。

  加氢设施,具备自动和手动工作模式。通过数字控制面板,可以设定加注氢燃料体积、加注压力和加注时间。在手动控制模式下,可以选用350Bar和200Bar加注压力。

  备注:Bar为压强单位,1Bar等1个标准大气压

  上图为8.5米长度福田燃料电池大巴加注氢燃料特写。

  红色箭头:加氢枪插入车身右侧的燃料加注口

  白色箭头:释放静电的线缆连接到车身右侧专用接口

  看似很神秘的加注氢燃料,其实与加油站工作流程相差无几。

  加注流程:固定车身、整车断电、释放静电、链接加注口、加注氢燃料、结束走人~~~~

  黄色箭头:加氢枪

  白色箭头:车身加氢口

  红色箭头;加注压力检测表

  白色箭头:在加注口下端固定有功能、压力(35MPa)和氢燃料储气瓶检修周期(3年/次)等信息。

  黄色箭头:加注压力检测表(超过0.5MPa就可以开始加注,但加注周期延长。根据加注设施、车身接口以及储气钢瓶的压力,可以为这台8.5米福田燃料电池大巴设定最高35MPa的家加注压力)。

  12米和8.5米福田燃料电池大巴采用相同的驱动组件、悬架以及车身架构。

  上图为8.5米福田燃料电池大巴组合仪表特写。

  红色箭头:两组气压管路压力表(制动用)

  黄色箭头:驱动电机温度

  绿色箭头;电机控制模块温度

  白色箭头:燃料电池(电堆)温度

  燃料电池大巴在驱动结构,与电动大巴和乘用车几乎完全相同。只不过多了一组对氢燃料进行催化反应的电堆,并安装可承受更大压力的管路。

  在控制上,燃料电池大巴与传统动力大巴和电动大巴相差无几。标准的按键式换挡开关,操作起来更直观、轻便。

  如果不是顶置储气瓶(被护板包裹)凸显车身高度,在视觉上与日常所见的大巴相差无几。

  福田燃料电池大巴具备低速高扭矩的特性,只要轻点“油门踏板”扭矩就会持续输出,气囊减震的设定过滤了来自路面颠簸路感。

  电动转向系统,让驾驶员可以单手完成大幅度转向动作。起码在乘坐上,笔者感觉不出燃料电池大巴与电动大巴之间的差异。

  2、福田欧辉系燃料电池大巴商业化战略意图:

  上图为之前测试用不同技术标定状态的燃料电池大巴。

  在863体系中,燃料电池、纯电动、油电混动等技术,始终是重点研发的项目。上汽荣威750燃料电池汽车在2015年获得成功,但因为成本过高,与日本丰田mirai燃料电池汽车一样,不适合近期商业化应用。

  2016年,笔者从日本科技厅获悉:至2025年,日本国的FCV将会进行完全市场化推广,FCV(丰田、本田甚至三菱制造的车型)价格的降低与车辆阵容的扩大,再通过后面描述的氢能供给基础设施的战略整顿等手段,今后日本市场普及目标将在2020年达到4万台,2025年达到20万台,2030年达到80万台。至2020年加氢站数量或高达100所。

  为了更好推广燃料电池整车的商业化应用,日本政府、整车制造厂以及相关科研单位在努力降低氢燃料加注周期和增加加氢站的建设数量。首先在2016年达成已经被确认的基础能源规划目标:100处加氢站以及运转中心以四大都市圈为中心的场所的确立。然后,为了能更有效的实现上述FCV普及这一目标,在氢能站的配置上是需要很有策略性的。数量上,以2015年底为一时期点,将在2020年前氢能站的数量倍增(约160处),2025年更加的倍增(约320处)。并且,在2020年代后半期,FCV普及台数(需求)和氢能站站数(供应)取得平衡,使以后氢能需求增长的同时,适当的修建氢能站(在2030年这一时期,必要的氢能站站数,是一台300 Nm3/h(每小时标方300)的氢能供给能力换算的话,约900台。)

  很明显,日本丰田、三菱、日产等汽车产业巨头,在重视电动、混动技术的普及同时,将燃料电池技术的推广、商业化应用作为重要发展方向。

  从2008年3台戴姆勒提供的售价近千万元的燃料电池大巴示范运营,至2016年100台国产燃料电池大巴商业化运营,这无疑是巨大的进步。尽管现在燃料电池技术进入乘用车市场还存在成本与配套服务层面的问题,但在与日本、美国、欧洲等车厂就燃料电池技术和整车应用竞争中,我们并未落后甚至在应用层面走的更稳妥。

  2016年晚些时候,美国雪佛兰推出搭载燃料电池驱动的战术皮卡,作为美军下一代遂行非对称打击的重要轮式装备。

  笔者有话说:

  政治就是军事的延伸,未来涉及中国、美国、日本的战争将会围绕能源控制权展开。

  在中国,燃料电池技术的发展与储备,虽然不如电动和混动技术发展的顺利,但却需要持续推进。在研发过程中,需要整车制造厂、研发机构以及相关配套单位协同完成。而中国新能源军用化技术的研发,将围绕纯电驱动和燃料电池技术展开。

  从地缘政治角度出发,中国内陆拥有相当丰富的资源,利用矿产、光伏、水电站,为不同材质的锂电池驱动技术、整车及全产业链提供支持。而中国与日本一样,具备相当漫长的海岸线,便于利用海水转化出氢燃料,发展燃料电池技术、整车及全产业链。锂电池、燃料电池技术的研发,对中国都有着相当积极的战略意义。

  日本之所以发力燃料电池,是要摆脱其资源匮乏发展锂电池后劲不足的弊端。美国之所以发力燃料电池,是要在新能源领域继续保持绝对领先的态势,通过相关技术的输出,继续享有意识形态上的优越感。欧洲等国之所以发力燃料电池,则要摆脱美国、日本在能源、微电子领域的控制,拥有独立且强硬的能源话语权。中国要发力锂电池驱动技术,燃料电池驱动技术,以及多元化的新能源技术和应用,无疑构成了涵盖在中国国家利益框架下能源大战略。

  此次,100台福田欧辉系燃料电池大巴商业化运营,在全球范围也是首创。尽管此次商业运营显露出相关不足,但是为了降低公交运营环节出现的尾气排放、电动汽车充电周期过长,带来了一种全新解决方案。

  然而,笔者更关注的是两款全新福田欧辉系电动大巴服役、艺华通提供的加氢服务、北京公交集团推出的全新运营和管理系统,将获得极为珍贵的关于燃料电池技术、整车及全产业链的技术储备和经验积累。当然,如此大规模且密集的燃料电池大巴集中运营,所获得的的技术改进、成本均摊以及随后的驱动模组小型化,或成为我国强力部门新能源技术发展又一重大储备内容。

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  文/电动汽车时代网评测编辑宋楠

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