1.1 燃料电池汽车

1.1.1 车辆电动化路径

能源的可持续使用和高效利用是推动社会发展的重要动力。当今，化石燃料的使用占据世界能源的70%左右，大规模使用化石能源直接导致不可再生的资源消耗，同时也会造成气候变化、环境污染，这一点在中国尤为突出。在交通领域，目前主导的车用动力系统仍依赖于诞生于一个多世纪以前的内燃机技术。虽然经过百年的发展，内燃机的效率在持续提高，并已经逐步减少了各类污染物的排放，但是在碳中和的背景下，交通能源和动力全链条实现低排放乃至零排放仍是最为艰巨的挑战。

在汽车发展的历史进程中，电动汽车曾经昙花一现。化石能源的短缺和燃油汽车无法最终解决气候变化、环境污染的问题，使得汽车工业重新将目光投回到电动汽车上。中华人民共和国科学技术部（简称科技部）在2000年启动的“863”电动汽车重大专项中提出了“三纵三横”的技术框架，如图1-1所示。“三纵”是三种动力系统的技术路线，包括混合动力、纯电动和燃料电池三种类型；三横是共性关键技术，包括电池及其管理系统、电机及其控制系统、多能源动力总成控制系统，业界简称为电池、电机和电控。

在这张三纵三横的图表中，三种动力系统使用不同的能源，混合动力汽车仍然使用汽油/柴油，纯电动汽车使用的是电能，燃料电池汽车使用的是氢能。（氢）燃料电池作为一种高效、清洁的能量转换装置，可以直接将燃料和氧化剂的化学能转化为电能，且其反应产物仅为水，具有高效率和零排放方面的优良基因，因而受到了人们的广泛关注。燃料电池已经初步体现出了其在下一代交通工具动力系统、便携式电源和固定式发电应用中具有取代诸多传统能源应用的巨大潜力。

1.1.2 燃料电池及燃料电池汽车的发展历程

1 燃料电池发展历程

燃料电池基于电化学原理，其内部由离子的移动而形成电流，从而构成一个化学电源对外供电。1838年，德裔瑞士科学家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班（Christian F. Shönbein）首次观测到燃料电池效应。在此基础上，1839年，威尔士科学家和律师威廉·葛洛夫（William Grove）首次做出了燃料电池原型，证明了燃料电池技术实现的可行性，最早制成的燃料电池原型如图1-2所示，为氢-氧型燃料电池。

在此后的一段时间内，其他科学家在此基础上进行了改进和尝试，并且取得了一定的进展。如L. Mond和C. Langer制作的燃料电池从结构上已经接近现代的燃料电池。20世纪60年代初期，Pratt &Whitney公司研制的碱性燃料电池成功地应用在Apollo登月飞船上；70年代出现了世界性的能源危机，使得人们对燃料电池技术的热情被重新点燃；从80年代起，燃料电池的发展进入了一个新的高潮，美国、欧洲和日本的各大汽车生产厂家，无不加紧燃料电池技术的开发。

燃料电池发展历史的时间节点如图1-3所示。

燃料电池有许多类型，一般按照电解质类型区分，主要类型有碱性燃料电池（AFC）、聚合物电解质或质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）等，如图1-4所示。

尽管燃料电池的种类众多，但受限于反应温度、启动时间、功率密度、应用环境等多重因素，目前适合车用的主要是质子交换膜燃料电池。由于本书专注于车用领域，因此，在不做特别说明的情况下，后面提到的燃料电池均指质子交换膜燃料电池。

2 燃料电池汽车起步

世界上第一轮燃料电池汽车的研发高潮出现在20世纪末。当时，美国、欧洲和日本的各大汽车生产厂家看到燃料电池巨大的市场潜力，纷纷投资以独立或组成联盟的方式进行燃料电池汽车的相关研究、试验与生产。这些汽车公司包括奔驰、通用、丰田等，且都认为到2004年，燃料电池汽车将能够批量生产，实现产业化。戴姆勒-克莱斯勒公司甚至宣称，预计届时燃料电池汽车的售价将降至每辆约18100美元。

早在1988年，戴姆勒-克莱斯勒的工程师就提出把用于航空航天上的质子交换膜燃料电池技术应用到汽车上，并于1991年进入实践阶段，用3年时间开发出了第一辆PEM燃料电池汽车——NECAR 1。其后，戴姆勒-克莱斯勒汽车公司和福特汽车公司联手，成功研制出以液化氢为能源的NECAR 4，如图1-5所示。NACAR 4型燃料电池汽车最高车速为140km/h，补充一次液体氢可以行驶450km。该车小巧玲珑，可以乘坐5个人，驱动系统采用美国Ecostar电力驱动系统公司的交流异步电机，功率为55kW，最高转速为14000r/min，变速比为10.1∶1。NECAR 4型燃料电池汽车经过了比较充分的试验验证，进入了商业化试生产开发阶段。

1998年1月，在底特律举行的北美国际汽车展上，福特汽车公司推出了“Focus”系列燃料电池汽车，在随后的2002年北京国际汽车展上，福特汽车公司展示了新一代“Focus”燃料电池汽车，该车采用燃料电池和三洋公司的300V蓄电池组作为动力源，增加了电控再生制动系统，此外，该车采用了一个更为先进的高压储氢瓶，压力可达到5000 lbf/in ² （1lbf/in ² =6.89476kPa），而以前的储氢瓶压力只能达到3600 lbf/in ² 。新动力蓄电池组、再生制动和储氢瓶合起来使可载四人的“Focus”的行驶里程达到257~320km之间，较以前的车型有了大幅度的改善，混合型电力系统还使该车型具有普通汽车的敏捷性，可控制的最高车速达128km/h。“Focus”系列燃料电池汽车如图1-6所示。

通用汽车从20世纪60年代后期就开始了燃料电池汽车技术的研发，并得到了美国国家航空航天局（NASA）的资助。2000年，通用汽车公司研制了零排放“氢动一号（HydroGen1）”燃料电池汽车，其燃料电池堆由200个单个电池串联而成，总体积相当于一台普通的汽油发动机，储氢系统采用-253℃低温下的液态储氢方式，可以储氢5kg。“氢动一号”的电源系统也是采用了混合模式，可以产生额定80kW、最高达120kW的电功率，电机采用三相异步电机，功率为55kW/75kW（峰值），转矩为251~305N·m，采用前轮驱动方式，电机及减速机构总质量为68kg，值得一提的是，“氢动一号”采用了催化燃烧方式，催化燃烧掉不参加反应的气体。“氢动一号”的驾驶操纵与普通的自动档汽车很相似，而且加速快，操纵灵活。这辆五座、总质量为1575kg的汽车0—100km/h加速时间仅为16s，最高车速可达140km/h，续驶里程为400km，且该车的动力系统可以克服低温启动的障碍，可以在-40℃的低温下启动。2008年，通用旗下品牌推出了进阶版的雪佛兰Equinox氢燃料电池版，该车还曾参加了2010年上海世博会，与中国的燃料电池汽车一起亮相。

日本丰田汽车公司研发的燃料电池汽车“FCHV-3”采用PEMFC与镍氢电池混合作为电源，输出功率高达90kW，最高车速可达150km/h，供氢方式采用氢吸附合金。此后不久，丰田公司开发出使用高压储氢瓶提供氢气作燃料的新型燃料电池汽车“FCHV-4”（图1-7）。它与“FCHV-3”相比的最大改进是氢气的存储方式，该车采用4个高压储氢瓶，每个储氢瓶的容积为3.4L，氢气压力为250atm（1atm=101.325kPa），储氢瓶均安装于汽车底盘下面，质量仅有100kg左右，储氢系统比“FCHV-3”减轻2/3，氢气燃料的充气时间只需7~8min。该车的驱动电机采用三相同步电机，最大输出功率80kW，最大输出转矩260N·m。“FCHV-4”可以同时乘坐5人，连续行驶距离为260km，于2002年12月2日开始以租赁方式限量销售，首批4辆租售给日本内阁官房、经济产业省、国土交通省和环境省。

意大利菲亚特汽车公司在意大利环境部的资助下，由菲亚特公司研究中心等单位合作研制了600型氢燃料电池微型汽车。该车型专为城市中的个人出行而设计，它有两个座位，速度可达100km/h，加一次燃料可行驶100km。

在关键部件燃料电池堆及其支持系统方面，加拿大的巴拉德动力系统公司（Ballard Power System）是当时国际上著名的质子交换膜燃料电池企业，也向多家汽车公司提供了燃料电池堆及其支持系统。

在“863”计划支持下，中国也从2000年左右开始了燃料电池汽车技术的正向开发，如同济大学从2001—2005年完成了“超越一号”（图1-8）到“超越三号”三代动力系统平台研发，确定了燃料电池汽车的基础技术方案，验证了燃料电池技术车用的可行性。2006年，“米其林必比登清洁能源汽车挑战赛”在巴黎举行，同济大学等单位合作推出的两辆“超越三号”氢能燃料电池汽车参加了比赛，并获得了氢能燃料组比赛优胜奖，代表中国当时的燃料电池汽车技术得到了国际的认可，超越系列的后续车型也亮相在2008年北京奥运会和2010年的上海世博会，取得了良好的社会效益。

这一轮燃料电池汽车的热潮虽然带来了大量的技术进步，但事实上，2004年左右实现产业化的预测仍以失败告终，2003年7月，最早将燃料电池汽车投入商业运营的企业之一的日本丰田汽车公司召回了其出租的6辆燃料电池汽车，并宣布推迟另外6辆燃料电池汽车的租赁。与此同时，几乎各个国家都在燃料电池汽车的试运行中，遇到了可靠性、寿命、环境适应性等方面的一系列难题，尤其是氢基础设施的匮乏更让行业发展举步维艰，氢燃料电池汽车的产业化过程转入低谷，但从技术角度来看，燃料电池技术仍取得了较快进步，燃料电池的技术可行性已经得到普遍的认可，人们对于燃料电池汽车技术深入研究的热情有增无减。

3 燃料电池汽车产业化

继第一轮燃料电池的热潮之后，国际上燃料电池汽车技术的研究并没有停步，只是对燃料电池汽车的研究及其产业化持更加冷静的态度。经过十年的蛰伏之后，2014年，丰田推出第一代Mirai燃料电池汽车。这不仅是丰田首款量产的燃料电池车型，也是世界上第一款真正实现商业化的燃料电池车型。至2020年9月底，丰田第一代Mirai在全球范围内累计销量已达到11154辆，已初步具备了商业化意义，2020年12月，丰田推出了第二代Mirai，在综合性能上实现了显著提升，参数对比见表1-1。

韩国现代汽车早在1998年就立项研发氢燃料电池技术。2013年2月，首款量产氢燃料电池车型——现代ix35 FCV正式下线，并于2014年4月在韩国本土销售，随后于同年6月在美国南加州地区投放，但首批车只能通过租赁方式使用。直到2018年，现代推出新一代燃料电池车型Nexo，才算在燃料电池乘用车领域走上了真正的商业化之路。现代Nexo系统最大功率达120kW，最大续驶里程超过600km（美国环境保护署测试工况，即EPA工况）。

2020年12月，现代汽车集团更新“2025战略”，将氢能解决方案（H ₂ Solution）列为新的业务支柱，并发布了氢燃料电池系统专属品牌“HTWO”，旨在研发性能更强、更耐用的全新一代氢燃料电池系统，并计划将其应用于城市空中出行、汽车、船舶和火车等多种交通工具。2020年5月，现代汽车发布氢燃料电池重型货车XCIENT Fuel Cell的全新升级车型，如图1-9所示。截至2021年6月，现代汽车氢燃料电池重型货车XCIENT Fuel Cell已在瑞士累计行驶100万km。

戴姆勒公司在NECAR 4之后进行了战略调整，现阶段戴姆勒将集中精力发展纯电动汽车，未来所有与燃料电池相关的工作将转由戴姆勒-沃尔沃合资公司进行，并计划于2025年在欧洲生产氢燃料电池，也即戴姆勒停止了燃料电池乘用车的量产项目。但集团对燃料电池汽车业务的投入将集中在技术研发以及商用车领域，按计划其氢燃料货车Gen H ₂ （图1-10）将于2023年开展试验，首批量产车预计将于2027年开始交付。

通用汽车公司也于2013年改变了策略，携手本田共同开发氢燃料电池技术。2016年，通用向美国陆军交付了第一辆以燃料电池为动力的货车Colorado ZH2。此外，通用还与美国海军联合研发采用氢燃料电池系统的下一代无人水下航行器样机。2017年，通用又针对军用车领域，推出全新氢燃料电池汽车概念平台SURUS（Silent Utility Rover Universal Superstructure），如图1-11所示，结构类似于重载货车的后拖挂，并搭载先进的无人驾驶技术。

在中国，从“超越一号”到上汽荣威750E，中国的燃料电池汽车技术开始在全国范围内普及，从应用上来看，则是乘商并举，但以商用车为主，近年来，技术水平也基本进入了国际第一梯队。

在燃料电池乘用车方面，上汽集团于2015年推出了续驶里程400km、“无污染，零排放”的荣威750E燃料电池汽车。2017年，上汽在中国国际工业博览会上展示了两款氢燃料电池车型，分别为荣威950燃料电池汽车和大通FCV80燃料电池轻型客车。2020年，上汽集团正式发布全球首款燃料电池多用途汽车（MPV）——上汽大通MAXUS EUNIQ7（图1-12），并同时宣布中国汽车行业首个“氢战略”。

2018年10月，中国一汽红旗推出国内首款用于乘用车的50kW级别燃料电池发动机，是国内第一款采用金属双极板单堆，系统功率达到50kW，体积比功率达到400W/L的燃料电池发动机。2021年，红旗H5-FCEV车型正式亮相，该车搭载了一台最大功率为140kW的驱动电机，最高车速可达160km/h，0—100km/h加速时间也在10s之内。该车还配备2个储氢瓶，每个储氢瓶可存储2kg氢气，百公里耗氢量小于0.82kg，续驶里程可达520km。

2021年，广汽首款燃料电池乘用车Aion LX Fuel Cell（图1-13）开始示范运营，该车是一款基于广汽集团GEP2.0平台开发的氢燃料电池乘用车，采用了自主开发的燃料电池系统和车载储氢系统，最大输出功率超过135kW，百公里氢耗0.77kg，NEDC工况续驶里程超过650km，加满氢气仅需3~5min。

目前，在燃料电池商用车领域，中国车企可谓百花齐放，不同的汽车企业积极布局燃料电池轻型货车、重型货车以及客车，尤其是在重型货车领域，燃料电池可以很好地对传统柴油机进行替代，满足大功率、长续驶里程工况的需求。

2008年，福田推出国内首款公告型氢燃料电池客车，并在北京奥运会上展开示范运营。2014年，福田发布第2代12m氢燃料电池客车。2016年，福田推出第3代8.5m氢燃料电池客车。2018年，福田氢燃料电池客车已经发展到第4代，整车氢气加注时间为10~15min，续驶里程可达450km，可实现-30℃低温启动、-46℃低温存放和停机自动保护。

2019年11月16日，上汽红岩首款燃料电池自卸车亮相，同时亮相的还有上汽跃进燃料电池货车FC500 D12。2019年12月12日，上汽跃进FKC500-D18正式下线，该车搭载的是捷氢科技P390系统，加氢时间不到10min，续驶里程超过400km。

2020年，一汽解放发布燃料电池半挂牵引车，这款解放燃料电池半挂牵引车总质量25t，整备质量10.65t，准拖挂车总质量38.22t，配套的是重塑科技的燃料电池系统。

2021年，飞驰汽车发布49t氢燃料电池重型货车，燃料电池发动机为国鸿氢能的鸿途G110系统产品，系统额定功率110kW。该车型采用35MPa储氢瓶，充装一次氢气只需5~10min，最高续驶里程可达400km。

2021年8月，我国政府推出首批示范城市群，并制定了明确的燃料电池汽车行业发展目标及战略计划，同时也匹配了一系列详细的奖励机制以刺激行业发展，燃料电池汽车的需求逐渐从政府驱动向市场驱动转换。

1.1.3 燃料电池汽车动力系统

燃料电池汽车动力系统是电动汽车最主要的系统总成，一方面决定整车性能的优劣，另一方面也是决定整车造价的主要因素。因此，正确地确定整个动力系统的结构，合理选择系统中各装置与部件的类型及性能参数对燃料电池汽车整车的动力学性能是十分重要的。

对于一辆燃料电池汽车，其驱动装置是电机，电能由燃料电池堆提供。燃料电池堆通过氢气与氧气的反应产生电能，只要不断地为其提供氢气就可以输出电流做功，这类似于传统意义上的汽油或柴油内燃机，所不同的是添加的燃料。因此，行业中经常可以看到将车载燃料电池堆及其支持系统（Balance of Plant，BOP，包括空气供应、氢气供应、水热平衡及控制系统）的集成称为“燃料电池发动机（Fuel Cell Engine，FCE）”，但不同于直接提供机械能输出的传统的内燃发动机，其实质是“燃料电池发电系统”。

在目前的技术条件下，燃料电池发电系统有几个技术短板：需要外部电源提供电能启动空气压缩机、整机启动时间较长、输出响应较慢和输出伏安特性较软，因此需要额外做些补充配置，以优化系统整体性能。为了解决这些问题，同时解决回收电机回馈制动能量的问题，必须在动力总成方案中增加可储能的电源，如采用高功率的动力蓄电池组和超级电容。为了解决燃料电池输出伏安特性较软的问题，在燃料电池发动机与电机之间增加一个DC/DC变换器，以起到改善燃料电池的伏安特性和匹配电源阻抗的作用。

因此，目前国内外通行的燃料电池汽车动力系统技术方案中，除采用燃料电池发动机作为主要动力源外，都采用高功率动力蓄电池（有时还有超级电容）作为储能系统，同时，在燃料电池发动机和电机之间通过DC/DC变换器连接。

综上，燃料电池汽车动力系统的主要总成部件有四个：燃料电池发电系统、动力蓄电池组、DC/DC变换器和电机。燃料电池汽车动力系统的结构形式如图1-14所示，图中虚线方框表示可选部件，点画线圆框表示按功能划分的子系统。

可以把动力系统简单分为两部分，其一为电源系统，其二为驱动系统，电源系统和驱动系统之间是松耦合关系，而电源系统和驱动系统内部是强耦合关系。

电源系统主要包括燃料电池、DC/DC变换器和动力蓄电池，本书后面将其称为复合电源。复合的目的是形成一个比较优化的车用电源，这是本书重点介绍的内容。图1-14中的电源系统由燃料电池完成从氢能到电能的转换，发出的电能经过DC/DC变换器这个电力电子变流器后，并联在动力蓄电池两端，这两类电化学电源和一个电力电子电源相互配合，弥补各自的不足，成为一个优化的复合电源，供电给驱动系统，并接受驱动系统在制动时回馈的电能。

驱动系统完成从电能到动能的转换，并根据整车需要匹配合理的速度和转矩。驱动系统包括电机、电机驱动器和变速（减速）器，目前在乘用车中已经三合一集成，甚至和差速器等多合一集成，成为一个高集成的驱动桥，这部分内容不是本书重点介绍的内容，详细介绍可以参阅车用电机及驱动方面的专业书籍。图1-14所示结构采用的是一个中央驱动电机的方案，电机输出的转矩经传动机构传递到驱动轮上驱动汽车行驶，虽然配置变速器后有助于提高电动汽车的经济性和多工况适应性，但会增加成本及结构复杂性，具体方案随车型及其应用场景确定。