李建秋阐述燃料电池系统中的电力电子问题

清华大学教授 李建秋

非常荣幸能有这么一个机会给大家汇报在燃料电池系统中的一些电力电子的问题。我的报告大概分成四个部分：

第一，燃料电池系统的组成。

第二，国内外燃料电池汽车发展的最新进展。

第三，具体燃料电池系统中间的电力电子的具体问题。

第四，小结。

首先，来看燃料电池系统。

燃料电池系统包括电堆本体，包括外围的空气系统；然后是冷却系统，有风扇、水泵等等，也包括节温器；还有氢气供应系统，包括氢气的电磁阀和再循环的回路。燃料电池是被动工作的，功率输出必须要有一个DC/DC来配合，整个系统由相应的电控系统来配合工作。所以我们一般来讲，一个燃料电池系统，我们简称燃料电池发动机，包括有电化学的，就是他本身工作的过程是电化学的，但是也包括传热传质的过程，气体的流动、水热交换等等。当然包括功率控制，电力电子包括电机的控制。所以搞燃料电池发动机必须要集成三个学科的团队，一个是电化学的，一个是传统发动机的，还有一个是电力电子的。

第二，燃料电池汽车国内外的发展。

首先，电堆技术或者最核心的部分，基本上分成两大流派，一个是以轿车作为应用的，采用金属的双极板，图底下是电机和变速器，这个是空压机，上面就是带有电缆的接口是电力电子控制总成，是用碳化硅的半导体器件来做的。这个是本田，本田的燃料电池发动机在国际上目前技术状态是最好的，2015年的MIRA基本上排第二。这边是美国的，原来UTC做的商用车的燃料电池系统，你可以看到它的功率密度差一个数量级，即100千瓦/公斤，这个大概有三四百公斤重，所以你可以看到电堆的功率密度是很低的，为什么差别这么大呢？是因为用的材料不一样，它的电堆用的是金属的双极板，另一个电堆用的是碳板，碳板体积大、重一点。这个电堆的特性就是耐久性非常好，平均超过1万小时，最好的一辆车在美国已经跑了2.3万小时，但是我们金属板的发动机一般都不会超过5千小时。

下面就汇报，把这个发动机装在车上形成了各种燃料电池车辆的发展情况。首先是客车，目前国际上，如美国、德国、日本都推出了燃料电池客车，功率大概是从120—200千瓦，都配有锂电池（多多少少都会配的），加上两个电机，一般的电机功率都比较大，续驶里程可以跑到300公里没有问题，耐久性平均达到1万小时。但是这个车做的比较贵，大概是100万美元左右，我们国内的车比它便宜，后面我们会讲。

卡车的情况，这是最新的进展，卡车现在已经有三家开始在做了，一个是美国的Nikola One，是一家专门做卡车设计的公司，它宣称它要做一辆燃料电池半挂的拖车，大概能够行驶1000英里，是用200公斤的液氢储氢装置，300千瓦的燃料电池系统，这个车还没有出来。去年一提出这个想法，丰田说我有燃料电池发动机，所以丰田就抓紧时间做了第一款燃料电池的卡车。在Nikola One之前推出了这个，之后丰田受到Nikola One的启发，说我也做重卡，美国港口牵引车用的8级重卡，总重大概49吨，36吨的载货量，用了4个气瓶，2个MIRA的动力系统，已经做了搞了一些活动。

从能量密度来讲，能够满足长距离、重型车辆行驶，能够持续提供能量的，我感觉还是燃料电池比较靠谱。

下面汇报一下轿车的情况，燃料电池轿车国外发展重点的，包括丰田、通用、日产、奔驰，包括后面还有几家都推出来了。通用这个车老一点，处在大概2008、2009年的状态，后面没有再改进了，其他两家都是最近两三年改进的，续驶里程都在500—600公里，跟传统的燃油车差不多了。除了这个之外，最近又有几个新的加入这个阵营，宝马、大众，大众尤其是奥迪的品牌，一个车辆推出三个版本，纯电动、插电、燃料电池，采用四驱，一个车上用了三个气瓶可以装6公斤的氢气，完整的跑600公里没有问题。

戴姆勒奔驰推出了它的插电式的燃料电池轿车，功率大概是75—100千瓦，9千瓦时的电池。现代在IX35 SUV上推出了燃料电池发动机。

我们想给大家看看，本田的发动机集成度是最高的，因为我们今天是电力电子，它是世界上首先全部采用碳化硅功率模块实现小型高功率，大概100千瓦的DC/DC变化器，集成在上面，我们认为这些工作在全球来看都是领先的。

而且它做了一项工作，把燃料电池发动机真正的替代传统的发动机，放在发动机舱整个动力总成。这是将来成本的发展情况，国内外预计到2020年一辆燃料电池轿车，相当于B级车的水平，续驶里程五六百公里，一次加氢3—5分钟，整车成本是2600美元，大概20万人民币不到，所以这个基本上已经为燃料电池汽车的产业化铺平了道路。我们过去讲，原来我们特别担心贵金属铂的用量比较高，现在最新的材料技术水平，采用非铂和低铂的催化剂已经可以降低铂的用量，传统内燃机，就是大家平时开的汽油机，三效催化装置后面有后处理装置大概3—5克铂，所以燃料电池车的铂用量在迅速接近传统内燃机的水平，这个是值得我们重视的。

刚才欧阳老师讲，特斯拉用了10几公斤的钴，将来至少每辆车用公斤级的钴是必须的。公斤级的钴跟克级的铂差了上千倍，所以钴尽管地球的储量比较多，但是我们的判断将来纯电动，就是电池的产业大了之后，这些金属的资源也会相对稀缺，我们预测的结果是将来动力电池和燃料电池要相互配合，它是一个燃料电池汽车，但是上面也用动力电池，但是用量不会像纯电动那么多，用氢来做存储装置，达到纯电动汽车核燃料电池汽车两个协调发展，我们的电池产业、核燃料电池产业可以相互配合发展，这是有利于我们整个新能源汽车行业协调发展的。

其他的不再多说了，包括有轨电车，我们最近也在跟青岛搞有轨电车，今年要上线开始在佛山运行了。

国内的情况给大家简单汇报一下，我们已经做了十多年，2015年开始，我们一个动力系统平台，往物流车、客车、有轨电车，包括现在轿车也开始推了，做了很多的工作，包括它的耐久性。这是我们的客车跟国外的对比，基本上我们12米的客车现在价格在200万以内，这还是在我们燃料电池发动机没有批量生产情况下的成本，我们现在燃料电池发动机批量的生产线，年产200套，下一步到年产1万台的发动机生产线，等我们把这个线建起来，它的成本应该还能再下降2—3成。国外的车辆，我们整个性能跟它差不多，但是成本跟耐久性显著提高，这块我们是有创新的，我们现在国内做的燃料电池动力系统跟它们还是有区别的。这个是有轨电车正在调试的情况，我们现在一个动力系统平台推广到不同的整车应用里面，并且从今年开始上百台的客车的订单已经开始在生产了。

技术路线不详细讲了，有一个耐久性的预测，基于我们国内电堆和材料的水平、控制的技术，我们预测2020年达到1万小时的目标，到2025年，由于我们材料和控制技术的发展，会做到2.5万小时，基本上跟客车等寿命，所以我们预计从现在到2020年还是小批量示范1万左右的量，到2025年我们预计产量就会起飞了，而且起飞的量是按照10万台，每年几万台到10万台的量起飞，我们整个产业链布局，以发动机为核心，一会儿我们要讲的我们的电力电子的这些问题关键零部件，我们开始要进行关键化的布局和准备。

下面汇报一下燃料电池里面几个关键的点，就是电力电子问题。

第一，燃料电池专用的DC/DC，它的功率模块部分是非常关键的，DC/DC要完成什么功能呢？我们是把它作为燃料电池控制的重要执行器，第一个功能完成功率的变换，第二个功能要完成对燃料电池的耐久性进行控制，就是控制燃料电池的功率电压，我们知道功率等于电压×电流，实际上这个就是双闭环控制。同时要直接控制燃料电池功率的变化率，这个也是很关键的，除了功率本身要控制还要控制变化速度。第三个非常关键的，参与燃料电池的交流阻抗辨识，不仅仅要实现功率的变化，而且是要通过产生高频的扰动信号，帮助控制系统来辨识电堆里面的含水量。所以不要认为一个普通的DC/DC的企业就能够做好这个燃料电池的专用DC/DC，这个概念是错的，还需要有一些新的功能。直接控制燃料电池在暖机过程的工作电压，这个也是不一样的。还有其他的，汽车级的电力电子器件的工作要求，电池兼容、重量、体积、效率、成本，还有26262的规范要求等等。

下面展开讲讲，双闭环控制体现在什么地方呢？双闭环控制体现在燃料电池如果工作电压过高的话衰减会很快，如果工作电压比较低的话，衰减倒是不快了，但是你的发动机效率会下降，一般会有一个下限电压，也会有上线电压，一般叫做电压前位控制，电压前位控制的目的就是为了使得发动机的经济性、耐久性都比较好，这是我们前位电压控制的算法。国外也做过，电压变化率，如果负载，比如从0.65满负荷、怠速或者空转，如果你的电压突变可以看到红色这条线不到1千小时电堆衰减到只有80%了，如果只稳定在一个点，即使7千小时也衰减不到5%。所以这些都是我们把DC/DC作为燃料电池的重要的执行器，包括瞬态的控制以及变化率。我们现在提出来，DC/DC功率的变化率和电堆的内部工作过程要相互配合，空气的流量和压力在动态过程中相互配合。

还有一个，需要通过动力系统，就是说燃料电池的功率不能急剧的变化，车辆的功率要随便变化的，司机一脚油门踩下去就要加速，怎么办？这里面有混合动力控制的问题，燃料电池的功率跟动力电池的功率怎么样相互配合，我们过去做了十多年，主要在这方面做了很多的工作，现在基本上我们动力系统的技术已经稳定了。

还有一个，怎么样参与内部状态辨识，这是燃料电池的工作电压特定曲线，横坐标是电流，纵坐标是电压，为了辨识燃料电池电堆里面含水量的状态，需要专门产生一个主动的扰动信号，这个扰动的量不是很大，十几个安培的电流变化就可以，通过这个扰动量把DIDT和DVDT求导，获得交流阻抗，这个质子交换膜是电堆最核心的发生电化学反应的膜，我们利用这个含水量来看膜的含水量，就是通过阻抗的大小，实现含水量的闭环控制，这个叫燃料电池的水管理，这个对燃料电池的耐久性影响是非常大的，如果膜高了，这个寿命就会很快的衰减。

DC/DC的功能就是要直接实现软机启动，正常燃料电池输出电压是0.75V，低温条件下为了燃料电池的产热比较大，这个部分是产热，下面是功率输出，冷启动的时候需要DC/DC拉的电压会很低，比如说0.1V每个单体，正常工作是0.75V，启动的时候为了实现快速，软机要拉到0.1—0.2V。

整个燃料电池DC/DC的控制电压是这样的，首先，蓝色的这条线代表低温启动的时候，就是说正常工作电压大概300V多到400V启动的时候只有几十伏，随着电堆温度上升，DC/DC会逐步的调高暖机电压，最后温度正常的时候再调高到正常的工作电压，所以这个对DC/DC的工作频率，对你的设置、对你的参数的匹配都是有影响的，不是一个通用的DC/DC。

第二点，燃料电池空气系统里面有一个非常非常关键的执行器，就是它的空气压缩机，为了提高燃料电池的功率密度，一般我们需要对它的空气进行增压，一般跟我们内燃机增压到2—3个大气压，怎么样增压呢？我们传统内燃机可以通过废气涡轮增压，但是燃料电池发动机废气的能量是很低的，因为排气的温度只有六七十度，不像内燃机可以到五六百度，差一个数量级，这样我们必须要用一个电机来驱动这个空压机，单位工作转速很高。这个电机和控制器就很关键，我们现在有一个专门的团队是搞空气动力学的，他专门要把这个空压机的转速降下来，从10万转降到5万转，降到4万转，就是说空压机叶形的设计降低转速，这里面有什么呢？空压机的总成设计问题，这么高的转速电机加上叶片在一起，在一根轴上，这个轴的动力学就很关键，轴承也很关键，你不能用我们废气涡轮增压的机油来润滑这个轴承，为什么呢？机油会形成油的蒸汽，这个会形成电池污染，所以我们必须是无油空压机的研发，我们现在组织什么队伍在研发呢？在佛山广顺在行业里比较有名，是专门做医疗里面空气泵、空压机的。还有一个团队航天11所，航天动力研究所，搞长城5火箭发动机液氢液氧泵的团队，那个液氢液氧泵的转速也很高，我们通过他们解决这个问题。

当然电控方面对我们也是挑战，一个10万转的电机不是那么好做的，当然我们今天英飞凌的徐辉女士也在这儿，我们跟她们也在合作，电机控制这块，用TC275的平台在做这些工作。你可以看到，这里面12万转的转速，低压堆也要5万—6万转的转速。

电机我们在跟精进电动合作，正好我们蔡蔚博士也在，我们在做相应的工作，怎么样把高速电机的设计跟空压机集成在一起，这个难度很大，因为电堆本身我们现在有好几家能解决了，反而是空压机现在还没有量产，没有批量做的比较好的。

同时，因为要上高转速，所以电流的控制能力要更强，所以我们希望能够上碳化硅的这些控制的，新的电力电子器件希望用在上面，包括刚才本田的发动机，已经是DC/DC和空压机都已经用碳化硅的器件来做电力电子器件了。

第三个部分，我们的氢气再循环泵和控制器。氢气再循环泵有一个特点，第一，要防爆，跟我们阴极还不一样，阳极这个因为大部分气体是氢气，所以它的速度也很高，也是几万转到十几万转，同时还要防爆，这个防爆的电机和控制器应该怎么做？同时介质是变化的，阴极水蒸汽透过膜，因为现在质子交换膜很薄，大概20微米厚，会透过阴极到达阳极，如果一直循环不排，氮气和水蒸气的比例会上升，氢气的浓度就会下降，反应效率就下降了，所以你还得经常要有阳极的尾排，尾排之后气体成份就变了，成份变了之后空压机的工作，因为它的黏度和阻力都不一样，氢气的阻力是很小的，氮气和水蒸气的阻力和黏度是比较大的，所以氢气再循环泵的阻力就会变化。所以这块我们已经到了，基本上国内现在没有人提这一块，我们就是把这个需求提出来，所以我们在座的有搞电力电子、有搞电机的，希望能够跨行业的合作，把这个空压机和氢气再循环泵这两个高速的旋转部件做好下一步的研发和部署，这样我们国家燃料电池发动机的技术水平才会有一个比较显著的提高。这是我们整个氢系统的，里面有三个执行器，一个是前端的氢气喷射，就像我们天然气的喷嘴一样，也是要用电控喷射的，这个我们已经解决了，现在氢气再循环泵还没有解决，尾排电磁阀也解决了，所以整个的重点在这里。   

最后讲一讲我们现在在交流阻抗辨识反应的进展。我们已经做了一个，这是我们的主DC/DC。我们不改这个主DC/DC的功能，我们加了一个小DC/DC专门来做交流阻抗辨识，现在进展非常好，基本上我们跟国外的对比我们已经把每个电堆包括每一片的交流阻抗都测出来了，这里面还是有一些难点的，就是每一片的电压波动两非常小，怎么样才能让你这个电压的采集非常精确，我们在测量方面也做了很多的工作。

这个DC/DC，就是我们跟英飞凌合作的结果，英飞凌专门给我们提供了一个通用的DC/DC，我们就拿它来作为交流阻抗辨识，现在我们做的基本上已经能够实现反馈了。

下一步要做的就是交流阻抗的算法直接AURIX TC275的，已经有一个规划了。

将来我们希望实现的，燃料电池发动机不管工作温度和负载有什么变化，这个膜的含水量，交流阻抗基本上是恒定的，这样燃料电池的耐久性就会得到保证。

最后做一个小结。第一个结论就是，要搞好燃料电池发动机一定要组好团队，不仅要有搞传统电化学的，就是搞燃料电池材料的人，也要有传热传质的人，这里面大量就是传热传质的工作，要想把发动机控制好主要是控制和传热传质方面组织好。第三个就是今天的主题，我们电力电子，不论是DC/DC，还是空压机的电机，还是氢气再循环泵的电机，以及控制器，在燃料电池的控制里面是占有非常重要角色的，所以我们强调，只有实现多学科的集成，才能克服耐久性木桶的短板效应，最后把每个木桶的板子做的都一样齐，燃料电池的耐久性就会高了，否则如果你有一个短板，那个短板就会严重的影响这个电堆的耐久性。

第二，燃料电池专用DC/DC是它的核心的执行器，承担了多个功能的实现，它的综合性能是完全依赖于DC/DC的，所以我们培育的亿华通就是在搞燃料电池发动机的产线，是自己把DC/DC也做产业化了，就是因为太核心了，相当于是它的重要的核心部分。第三，空压机、电机是它重要的执行器，需要攻克压气机和电子转子一体化集成、高速和超高速电机控制加上空气轴承技术才能真正满足FCEV的需求。

我的汇报就到这里，谢谢各位专家和领导。

（根据速记整理，未经本人审阅）