【壓縮機(jī)網(wǎng)】氫燃料電池核心技術(shù)難題怎么破？一款特別兩級(jí)空壓機(jī)能帶來哪些改變？

　　導(dǎo) 讀

　　高效清潔的氫能源正得到國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)前所未有的關(guān)注，氫燃料電池汽車也正得到全國(guó)從中央到地方前所未有的示范推廣支持。但這一新生事物要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地，關(guān)鍵核心技術(shù)等方面仍需有更大突破。自上世紀(jì)90年代就進(jìn)入中國(guó)的蓋瑞特是最早一批將渦輪增壓技術(shù)引入國(guó)內(nèi)的外資企業(yè)。近期，蓋瑞特針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車的核心技術(shù)痛點(diǎn)，帶來了兩級(jí)電動(dòng)壓縮機(jī)技術(shù)，它能否成為更好的空氣壓縮解決方案？
 

 

　　如何突破空壓機(jī)技術(shù)瓶頸？

 

　　“要加大對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)力度，攻克基礎(chǔ)材料、核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件難關(guān)，當(dāng)前重點(diǎn)要突破膜電極、空壓機(jī)（空氣壓縮機(jī)）和儲(chǔ)氫罐的產(chǎn)業(yè)化。”以全國(guó)政協(xié)副主席、中國(guó)科協(xié)主席萬(wàn)鋼為代表的業(yè)內(nèi)專家不止一次地向業(yè)內(nèi)呼吁，氫燃料電池汽車要真正走入尋常百姓家，至少在技術(shù)層面上，還有幾項(xiàng)核心技術(shù)亟待突破，其中空壓機(jī)赫然在列。

　　空壓機(jī)被視為氫燃料電池汽車車載動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)之一，其性能好壞可直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。據(jù)業(yè)內(nèi)技術(shù)專家介紹，包括空壓機(jī)在內(nèi)的空氣供應(yīng)子系統(tǒng)總成本約占燃料電池系統(tǒng)成本的20%，能耗約占燃料電池輸出功率的20-30%?？諌簷C(jī)輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中的化學(xué)計(jì)量比和空氣加濕特性，進(jìn)而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，一臺(tái)好的空壓機(jī)應(yīng)當(dāng)至少具備無(wú)油、高效、小型化、低成本、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好等優(yōu)點(diǎn)。各國(guó)的燃料電池項(xiàng)目對(duì)空壓機(jī)的研究都非常重視。但從目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)看，工業(yè)壓縮機(jī)往往無(wú)法滿足燃料電池對(duì)空氣的要求，燃料電池汽車專用的空壓機(jī)成熟產(chǎn)品偏少、成本高、噪聲大、可靠性不足等問題較為突出。

　　蓋瑞特正是看到了中國(guó)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。在本屆上海車展上，蓋瑞特拿出了一款已應(yīng)用在本田Clarity轎車上的兩級(jí)電動(dòng)壓縮機(jī)。蓋瑞特全球卓越商務(wù)運(yùn)營(yíng)與戰(zhàn)略高級(jí)副總裁Pierre Barthelet表示，與其它技術(shù)相比，蓋瑞特的空氣壓縮解決方案，采用了空氣軸承等獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)，使之具備了尺寸更小、超安靜、耐高壓和效率更高等諸多特性。

　　具體而言，蓋瑞特通過采用兩級(jí)電動(dòng)壓縮機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)——轉(zhuǎn)子兩端分別為低壓空壓機(jī)和高壓空壓機(jī)，能夠最大程度地對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，為燃料電池堆帶來400千帕壓力、125g/s的增壓氣流量。在體積上，由于采取兩級(jí)壓縮，更高的壓力有助于將燃料電池電堆做得非常緊湊，可幫助電池堆體積縮小33%，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)搭載燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。這對(duì)氫燃料電池在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用非常有效。更好的是，整個(gè)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)力度卻并未因體積小而受影響。據(jù)了解，其第一代產(chǎn)品電機(jī)功率在20kW水平，轉(zhuǎn)速為10萬(wàn)轉(zhuǎn)。而目前市場(chǎng)上普通電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅有1.5萬(wàn)轉(zhuǎn)左右。未來的產(chǎn)品將朝著轉(zhuǎn)速更高、體積更小的方向發(fā)展。由于采用獨(dú)特的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，蓋瑞特的電動(dòng)壓縮機(jī)不僅性能表現(xiàn)好，幫助燃料電池堆達(dá)到最大輸出功率103kW，而且在體積緊湊的前提下提升電池堆輸出密度，最高水平可達(dá)到3.1kW/L。

　　在實(shí)現(xiàn)高效的同時(shí)，蓋瑞特面臨的另一重挑戰(zhàn)是降噪的壓力。新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，車內(nèi)環(huán)境非常安靜，這對(duì)于許多消費(fèi)者而言都是重要的加分項(xiàng)，他們對(duì)燃料電池汽車的期待也是如此。而且，根據(jù)君迪（J.D. Power）的調(diào)查顯示，中國(guó)的汽車用戶對(duì)車內(nèi)噪音的敏感度遠(yuǎn)高于歐美國(guó)家。這就意味著，在靜音方面要有更為突出的優(yōu)勢(shì)才能更好地適應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)的特殊需求。Pierre Barthelet也看到了這一點(diǎn)：“對(duì)于氫燃料電池汽車而言，電堆發(fā)生反應(yīng)是沒有聲音的，如果空壓機(jī)聲音很大，客戶會(huì)非常不舒服，這也是市面上不少產(chǎn)品的一大痛點(diǎn)。”他指出，目前市場(chǎng)上的主流空壓機(jī)產(chǎn)品包括離心式和螺桿式等，其中螺桿式噪音非常大。蓋瑞特的離心式設(shè)計(jì)應(yīng)用了業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的空氣軸承，并經(jīng)過長(zhǎng)期的可靠性論證，好處是能實(shí)現(xiàn)超低靜音，且杜絕油脂對(duì)燃料電池的污染。高端轎車對(duì)降噪的要求更為苛刻，而蓋瑞特的產(chǎn)品能夠?yàn)楸咎顲larity燃料電池汽車這種高端車型配套，也從另一個(gè)側(cè)面印證它在降噪方面的表現(xiàn)。

 

 

　　如何影響車輛設(shè)計(jì)和性能？

　　一款這樣的空壓機(jī)能給氫燃料電池轎車的設(shè)計(jì)和性能表現(xiàn)帶來什么？

　　“因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)的性能決定了電堆的性能，電堆只是發(fā)生反應(yīng)的地方，取決于進(jìn)來的氫、氧結(jié)合的效率，其實(shí)某種程度上，空氣壓縮機(jī)也是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，有更強(qiáng)勁的空氣壓縮機(jī)就可以開發(fā)出更強(qiáng)的電堆系統(tǒng)。如果壓縮機(jī)的壓力非常高，而電堆無(wú)法承受就會(huì)損壞，如果電堆可以承受很高的壓力，但找不到合適的空氣壓縮機(jī)就沒有辦法發(fā)揮它的最大價(jià)值。本田知道我們可以給他提供高壓壓縮機(jī)，所以他設(shè)計(jì)出了全球第一款真正的五座氫燃料電池轎車。”Pierre Barthelet以本田的Clarity燃料電池汽車為例向我們繼續(xù)解釋，空壓機(jī)、電堆部分被安放在前艙蓋上，基本與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)的位置相同，氫罐在后方座位下面，這樣后面可以坐三個(gè)人。在車輛空間的緊湊性及整體設(shè)計(jì)的一體化集成方面比較有優(yōu)勢(shì)。而其他氫燃料電池轎車因?yàn)橐诤蠓阶恢虚g安放氫罐，只能坐兩人，而且電堆放在座位下面會(huì)把底板抬得很高。

　　據(jù)了解，已經(jīng)走向市場(chǎng)的本田Clarity氫燃料汽車因更符合駕乘習(xí)慣的車內(nèi)空間布局、安靜舒適的駕駛體驗(yàn)和優(yōu)異的性能表現(xiàn)而廣受業(yè)界好評(píng)。
 

　　Pierre Barthelet  訪談錄

　　在2019中國(guó)汽車論壇期間，蓋瑞特全球卓越商務(wù)運(yùn)營(yíng)與戰(zhàn)略高級(jí)副總裁Pierre Barthelet和高增長(zhǎng)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)王成龍接受了《汽車縱橫》采訪，對(duì)蓋瑞特的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)、降成本路線節(jié)奏、本土化發(fā)展規(guī)劃以及對(duì)中國(guó)氫燃料電池市場(chǎng)判斷等更宏觀的未來發(fā)展方向問題進(jìn)行回應(yīng)。
 

 

　　蓋瑞特卓越商務(wù)運(yùn)營(yíng)與戰(zhàn)略高級(jí)副總裁Pierre Barthelet在2019中國(guó)汽車論壇上發(fā)言

　　《汽車縱橫》：目前氫燃料電池汽車仍然是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，蓋瑞特對(duì)這類產(chǎn)品的未來應(yīng)用特別是在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用有哪些判斷？您認(rèn)為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)未來的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)是哪些？將在哪些領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破？

　　Pierre Barthelet：首先，氫氣使用本身是零排放的過程，制氫的過程如果非常環(huán)保，整個(gè)生命周期就能實(shí)現(xiàn)徹底的零排放。其次，目前加氫站可能數(shù)量還不夠多。在起步階段，氫燃料汽車更加適合應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，因?yàn)樯逃密嚳梢园滋煨旭?，晚上固定回到某一個(gè)指定位置加氫，加滿然后過夜，整個(gè)運(yùn)行非常有規(guī)律，商用車隊(duì)的運(yùn)營(yíng)模式非常適合氫燃料電池這種技術(shù)的應(yīng)用。

　　蓋瑞特高增長(zhǎng)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)王成龍對(duì)國(guó)內(nèi)的加氫站如何健康運(yùn)營(yíng)進(jìn)行了補(bǔ)充：目前世界上其他國(guó)家往往從轎車領(lǐng)域開始推廣，但是中國(guó)政府的特色做法是從商用車領(lǐng)域開始示范運(yùn)行，主要是為了讓這個(gè)行業(yè)能夠真正盈利，而不是一直在燒錢投入。因?yàn)榧託湔疽獙?shí)現(xiàn)盈利，從商用車開始的好處更多，比如公交車或者物流車隊(duì)的線路是固定，在一定區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行，所以只需要一個(gè)加氫站就可以支持很多公交車和物流車，而且公交車和物流車用氫量比較大，可以讓加氫站盈利，使得更多的人愿意來投資。一個(gè)加氫站服務(wù)兩百輛公交車就有望實(shí)現(xiàn)盈利，但是目前如果服務(wù)乘用車，加氫站無(wú)法確定車輛何時(shí)來加氫，也沒有固定的客源，很有可能虧損。通過有固定使用場(chǎng)景的商用車慢慢把系統(tǒng)盤活、運(yùn)用起來，先讓基礎(chǔ)設(shè)施逐漸實(shí)現(xiàn)盈利，并在這個(gè)過程中慢慢擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)施，加上現(xiàn)在的技術(shù)進(jìn)步非?？?，后續(xù)私家轎車也會(huì)跟上來。

　　世界各國(guó)政府已經(jīng)制定了到2030年加氫站提升計(jì)劃，中國(guó)、韓國(guó)、日本都已經(jīng)發(fā)布了這樣的路線圖，所以未來加氫站設(shè)施數(shù)量會(huì)不斷增加，隨著加氫站的完善，站點(diǎn)的增多，我們認(rèn)為乘用車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用會(huì)在一段時(shí)間之后到來。

　　《汽車縱橫》：目前在氫燃料電池汽車的推廣上，除了關(guān)鍵技術(shù)及加氫站，居高不下的車輛成本也是重要的障礙之一?？諌簷C(jī)作為燃料電池堆的核心部件，在成本下降方面是否有空間？蓋瑞特在降成本方面是如何規(guī)劃的？主要通過哪些途徑實(shí)現(xiàn)？

　　Pierre Barthelet：當(dāng)前要推廣氫燃料電池汽車的應(yīng)用，除了基礎(chǔ)設(shè)施，成本也是很大的瓶頸。氫燃料汽車要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用，在技術(shù)成熟安全的同時(shí)，成本也必須親民。但如何把相應(yīng)產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室里的少量生產(chǎn)變成大規(guī)模批量化生產(chǎn)，這里有很多需要攻破的課題。雖然目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車是2020年之后唯一一種還享受補(bǔ)貼的車型，我們還是希望車輛的總體成本可以降下來，讓更多的用戶能夠用上。關(guān)于降成本，我們的想法是首先量上來之后成本就會(huì)降下來。目前國(guó)內(nèi)的燃料電池汽車僅有2000輛左右，而整個(gè)市場(chǎng)每年的新車產(chǎn)銷超過2000多萬(wàn)輛。其次，我們將會(huì)通過技術(shù)的不斷演化和設(shè)計(jì)優(yōu)化來降低成本。例如現(xiàn)在的產(chǎn)品是25千瓦、10萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，下一代產(chǎn)品我們將考慮通過更高的轉(zhuǎn)速降低電機(jī)的功率，將尺寸變得更小，當(dāng)下一代產(chǎn)品提高到15萬(wàn)轉(zhuǎn)，電機(jī)會(huì)小很多，功耗也會(huì)降低10多千瓦。電機(jī)體積的減小會(huì)降低材料的用量，特別是銅以及貴金屬等都會(huì)大大減少。再次是通過制造可行性，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)考慮生產(chǎn)制造工藝、制造成本還有生產(chǎn)線設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度。

　　蓋瑞特已經(jīng)制定出空壓機(jī)到2025年的設(shè)計(jì)路線和成本目標(biāo)。目前應(yīng)用在本田Clarity氫燃料汽車上的是我們的一代產(chǎn)品，通過更新設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)化，到2021年我們的二代產(chǎn)品的價(jià)格要做到一代產(chǎn)品價(jià)格的三分之一，在生產(chǎn)量上將達(dá)到數(shù)萬(wàn)臺(tái)。同時(shí)我們規(guī)劃到2025年達(dá)到十萬(wàn)臺(tái)量級(jí)以上，空壓機(jī)成本會(huì)降到目前的十分之一左右。如果氫燃料電池汽車的電堆、電機(jī)、儲(chǔ)氫氣泵還有氫罐等一系列主要零部件及配套產(chǎn)品的成本都能降至目前成本的十分之一，氫燃料電池汽車在價(jià)格上就可以和目前的電動(dòng)汽車相相媲美。在重載和長(zhǎng)里程的運(yùn)營(yíng)中，氫燃料電池汽車最終的成本比純電動(dòng)汽車更有優(yōu)勢(shì)，而且燃料電池將會(huì)越做越小，越來越輕，但純電動(dòng)汽車隨著行駛里程的增長(zhǎng)，所配的電池會(huì)越來越多，越來越重。

　　總之，我們通過更高效的壓縮機(jī)讓功耗更小，支持更高功率的電堆，發(fā)更多的電，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程。同時(shí)也讓整個(gè)系統(tǒng)的可靠性更好、維修成本更低甚至整個(gè)系統(tǒng)重量更輕、車價(jià)更低。因?yàn)樾履茉雌嚿系拿恳欢入姸挤浅氋F，讓用戶的開車成本更低，解決他們的痛點(diǎn)，我們就起到了促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的作用。

　　《汽車縱橫》：在達(dá)到一定量級(jí)的前提下，要實(shí)現(xiàn)2025年成本降至目前一代產(chǎn)品十分之一的目標(biāo)，在技術(shù)上有哪些難點(diǎn)需要突破？蓋瑞特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)集中在哪里？

　　Pierre Barthelet：傳統(tǒng)電動(dòng)汽車上常見的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速僅1.5萬(wàn)轉(zhuǎn)左右，而蓋瑞特的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到10萬(wàn)轉(zhuǎn)，后續(xù)還要提高到15萬(wàn)轉(zhuǎn)。因?yàn)橐獙㈦姍C(jī)做小是通過提高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)速越高電機(jī)的功率就可以做得小一點(diǎn)，在這種情況下控制、算法、精度都需要有核心技術(shù)解決，這對(duì)控制而言非常具有挑戰(zhàn)性。

　　蓋瑞特在電動(dòng)空壓機(jī)方面的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要集中在三個(gè)方面：空氣軸承、高速電機(jī)以及電控，其中電控包括控制器的硬件和里面的算法，還有空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)等。我們可以把這些不同核心技術(shù)集成在一起，用在一個(gè)場(chǎng)景上，給主機(jī)廠提供真正的集成性的、一攬式的解決方案。作為在汽車行業(yè)深耕65年的蓋瑞特，在全球13座現(xiàn)代化工廠，每天生產(chǎn)五萬(wàn)臺(tái)增壓器，每一臺(tái)都要與設(shè)計(jì)的目標(biāo)一致。我們把這些不同的精密部架組合在一起，就像一個(gè)精密的瑞士手表一樣，但在大規(guī)模量產(chǎn)中，產(chǎn)品的生產(chǎn)一致性非常重要。因此基于我們的核心技術(shù)、提供集成性解決方案的能力以及大規(guī)模生產(chǎn)制造的經(jīng)驗(yàn)，可以讓成本真正達(dá)到合理的水平，為主機(jī)廠提供持久、可靠的服務(wù)，這是我們真正的核心價(jià)值，不單單只是技術(shù)而已。

　　《汽車縱橫》：蓋瑞特目前在中國(guó)的本土化進(jìn)展如何？未來特別是在與氫燃料電池汽車相關(guān)的業(yè)務(wù)方面有哪些本土化的規(guī)劃？

　　Pierre Barthelet：我們?cè)谥袊?guó)已經(jīng)有25年的歷史了，是第一家進(jìn)入中國(guó)的渦輪增壓系統(tǒng)制造商。在十年前，我們就決定在中國(guó)設(shè)立端到端的研發(fā)能力，并建設(shè)團(tuán)隊(duì)、布置設(shè)施。不僅是應(yīng)用，我們的整個(gè)材料、空氣動(dòng)力學(xué)、軸承、匹配、模擬計(jì)算、實(shí)驗(yàn)等所有的都在中國(guó)做，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為從歐洲、美國(guó)開發(fā)的產(chǎn)品不太適合中國(guó)的需求，要為中國(guó)市場(chǎng)開發(fā)和生產(chǎn)有特別需求的產(chǎn)品，并且要跟上中國(guó)的發(fā)展速度。蓋瑞特目前在全球擁有13座貼近客戶的先進(jìn)制造工廠和5座研發(fā)中心，其中在中國(guó)設(shè)有上海和武漢兩家世界級(jí)先進(jìn)制造工廠，以及上海研發(fā)中心，工程研發(fā)團(tuán)隊(duì)有200多人，具備端到端的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造生產(chǎn)、工程能力和銷售服務(wù)能力。

　　在氫燃料電池汽車業(yè)務(wù)方面，現(xiàn)在我們的第一款產(chǎn)品已經(jīng)在中國(guó)經(jīng)過快速改型滿足了國(guó)內(nèi)商用車的使用需求。未來針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)，將在第一代的基礎(chǔ)繼續(xù)做本土化需求的研發(fā)，并建立當(dāng)?shù)氐拈_發(fā)能力。面向商用車和乘用車的不同需求，我們已經(jīng)制定出了第二代、第三代氫燃料汽車電動(dòng)空氣壓縮機(jī)的開發(fā)路線，并將在中國(guó)加強(qiáng)本土研發(fā)以及本土化的生產(chǎn)制造。希望能夠通過技術(shù)變革解決行業(yè)、客戶以及終端消費(fèi)者的痛點(diǎn)，從而對(duì)氫燃料汽車行業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

 

來源：汽車縱橫雜志社