在氫燃料電池發(fā)動機領(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，中國卡車網(wǎng)記者走進中國氫燃料電池發(fā)動機領(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200KW的世界挑戰(zhàn)，直奔240KW的行業(yè)極限，并且已研發(fā)成功，還與國內(nèi)主流汽車企業(yè)一起裝機路跑測試，預(yù)計很快會大批量投放市場。
更難能可貴的是，億華通研發(fā)的240KW氫燃料電池發(fā)動機，核心技術(shù)全部自研，并且零部件供應(yīng)商也全部來自國產(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(zhí)著于為長途重卡提供最強動力
發(fā)動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(shè)計思路和系統(tǒng)的全新設(shè)計，跨界迭代。
因為把小功率發(fā)動機的零部件簡單放大，在提供輸出大功率的時候，零部件的材料、體積、運轉(zhuǎn)效率不支撐，會出現(xiàn)材料溶解，個別零部件體積急劇增大，以往布局也需要重新調(diào)整，為大功率服務(wù)。這也是在世界氫燃料電池發(fā)動機領(lǐng)域，這么多年來一直沒有突破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(tǒng)等方面，都是一步步卓有成效的技術(shù)攻關(guān)，才取得一個個突破，并引領(lǐng)供應(yīng)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(zhí)著突破240KW行業(yè)極限，因為和鋰電相比，燃料電池的優(yōu)勢領(lǐng)域就在長途重載，而長途重載的功率需求在 200kW 以上”。三年前億華通開始規(guī)劃款能夠真正滿足長途重載需求的發(fā)動機，當(dāng)時世界市場上大部分燃料電池發(fā)動機還在 60kW，大家對燃料電池輸出功率什么時候能超過 100kW都不確定，主要難點在于產(chǎn)業(yè)鏈零部件配套，尤其是電堆、空壓機和氫循環(huán)系統(tǒng)等。因此，這款產(chǎn)品我們從策劃到開發(fā)成功，花了三年時間，過程非常艱難，最終我們成功開發(fā)出來。
并且產(chǎn)品性能優(yōu)勢明顯，億華通G20+能夠真正實現(xiàn)長途重載領(lǐng)域不同道路應(yīng)用場景全覆蓋，產(chǎn)品優(yōu)勢體現(xiàn)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(qū)間占比超過85%，質(zhì)量比功率密度達到820W/kg，體積滿足49t 重卡搭載空間要求，實現(xiàn)快響應(yīng)、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，而是無數(shù)個日日夜夜的創(chuàng)新攻關(guān)，更關(guān)鍵的是有卓有成效的成績。
億華通G20+在多個屬性方面實現(xiàn)了突破，首先是低溫環(huán)境適應(yīng)性，采用優(yōu)化的關(guān)機吹掃方法，使燃料電池堆內(nèi)保持合適的水含量，低溫啟動時采用優(yōu)化的陰極低計量比策略，通過缺氧增加陰極濃差過電勢，增加產(chǎn)熱，產(chǎn)品最終達到石墨板燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)全球首次-40℃@126s 的低溫冷啟動能力，既滿足長途重載需求，還可以節(jié)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(shù)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(tǒng)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%、常用工況點效率 51%、峰值效率 60%，200kW以上單系統(tǒng)發(fā)動機中處于領(lǐng)先水平。
第三是動態(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 的加載時間為 3s，優(yōu)于重卡燃油發(fā)動機的水平(4s);常溫開機時間為 10s，在國內(nèi)商用車用燃料電池發(fā)動機領(lǐng)域處于先進水平。
最后是智能化，當(dāng)前億華通有云端的大數(shù)據(jù)處理的平臺氫見未來、智能化的手機 APP 終端，可以隨時隨地獲取燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的運行狀態(tài)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)運行異常態(tài)快速預(yù)警，采用 OTA 遠程程序升級技術(shù)，實現(xiàn)軟件控制算法的持續(xù)改進。億華通參加冬奧保障期間，80%以上日常維護問題都是通過手機 APP 實現(xiàn)的，如車輛點檢，問題定位、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)突破既需要扎實的本手勤奮，也需要靈感突現(xiàn)的妙手作用。億華通研發(fā)總監(jiān)方川向記者分享空壓機和引射器開發(fā)過程中的故事。
燃料電池所用的空壓機，和一般內(nèi)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(dǎo)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?zhèn)鹘y(tǒng)滾珠軸承，這種軸承通過高速流動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(zhuǎn)子。長期以來，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(nèi)幾家企業(yè)攻克，億華通也成為國內(nèi)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(dāng)時的空壓機還只能支持 60kW 的系統(tǒng)，對于匹配 200kW 以上的系統(tǒng)，是想都不敢想。對 200kW 系統(tǒng)匹配的空壓機，億華通調(diào)研了很久，受到大功率高速電機永磁體強度的限制，一直沒有可行的解決方案，項目一度陷入停滯。
在一次偶然的機會，億華通了解到 F1 方程式賽車采用了電渦輪技術(shù)，通過排氣渦輪與電機結(jié)合，可以提升系統(tǒng)效率。它山之石可以攻玉，億華通當(dāng)時就想能否在燃料電池發(fā)動機上也采用類似的技術(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，這樣方案就可行了。當(dāng)時方川和億華通的合作伙伴詳細論證了這個技術(shù)路線，覺得有可行，一拍即合，立馬開始設(shè)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)動機空壓機設(shè)計的難題。
另外引射器的開發(fā)，億華通也是從三年前開始著手布局的。當(dāng)時行業(yè)里氫氣循環(huán)系 統(tǒng)的主流解決方案是氫氣循環(huán)泵，當(dāng)時循環(huán)泵卡滯、結(jié)冰等故障頻發(fā)，給億華通帶來了很大的困擾。
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(yīng)用到燃料電池發(fā)動機中，實現(xiàn)氫循環(huán)的功能。我們從流體仿真開始，經(jīng)過了多輪迭代，不斷嘗試不同的設(shè)計參數(shù)，進行了上百次的仿真運算，由于當(dāng)時測試資源有限，一直沒有機會和電堆進行聯(lián)合實驗，只是在零部件測試臺上進行驗證。好不容易等到了和電堆進行聯(lián)合實驗的機會，結(jié)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，把實驗臺架讓給其他的項目。
當(dāng)時公司內(nèi)有很多質(zhì)疑的聲音，覺得引射器不靠譜，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?這個東西到底行不行?引射器開發(fā)團隊承受了很大的壓力，在這個過程中也有人離職。但隨著公司的發(fā)展，測試資源越來越豐富，億華通引射器的測試和設(shè)計迭代開始加速，最后在第三代石墨板電堆產(chǎn)品平臺上成功應(yīng)用，采用創(chuàng)新性的脈沖引射方案，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)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)動機，已與國內(nèi)多家商用車廠家聯(lián)手進行測試包括常溫快速變載測試、低溫反復(fù)冷儲存/冷啟動測試、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、振動測試等等，并開始路跑測試，已獲得長達1億公里的運營數(shù)據(jù)，運營狀態(tài)良好。
距離長途重載用戶翹首期盼的氫燃料大功率發(fā)動機批量上市，在億華通的極限突破下，時間是越來越近了。
