氢燃料电池汽车发展提速增压技术如何应对新挑战？

苏倾和

作为新能源汽车技术路线之一，氢燃料电池汽车已经在全球范围内引发了关注。而从中国汽车市场来看，尽管目前新能源汽车销量主要以纯电动汽车和插混车型的销量为主，但在政策的支持以及成本、基础设施等一系列制约因素逐步得到改善的情况之下，燃料电池汽车发展正在提速，并且已经被默认为未来新能源汽车市场的重点发展方向。
根据《" 十三五 " 国家战略性新兴产业发展规划》，中国要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到 2020 年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。《节能与新能源汽车技术路线图》更是明确提出，2020 年、2025 年和 2030 年，中国燃料电池汽车的发展目标分别为 5000 辆、5 万辆以及百万辆。
来自涡轮增压和电动增压的领导者盖瑞特公司的高级创新技术总监 Robert Cadle 近日在接受盖世汽车记者采访时表示：" 中国燃料电池汽车市场正在变得火热，在过去的两年，特别是去年到今年，我们明显感觉到，来和我们谈燃料电池项目的客户多了起来。除了有传统造车和造发动机的这些盖瑞特已有的客户之外，还有一些新出来的专门做燃料电池系统的企业客户也在跟我们接触。"


盖瑞特全球动力系统高级总监 Peter DAVIES（左）、盖瑞特全球创新技术高级总监 Rob  CADLE（中）、盖瑞特高增长地区市场总监王成龙（右）
由此可见，随着燃料电池发展前景更加明朗，相关零部件供应商也将迎来新的需求以及机遇。而作为保证燃料电池高效可靠运行的关键设备，空气压缩机自然也将迎来更多的应用。不过，这一部件所带来的挑战并不小。
首先是技术挑战。以电动压缩机为例，据 Robert Cadle 介绍，燃料电池汽车的电动压缩机和传统增压器相比，因为不接触废气排放，在热端对高温材料耐用性方面降低了。但是除了这一点，其他方面的设计都是更加有挑战的。" 氢燃料空气压缩机里面的轴承和传统增压器轴承系统是完全不一样的。传统增压器用的是浮动轴承，它是用润滑剂支撑的，油膜把它浮起来转，另外用油把它的热量带走。但是燃料电池的发动机不能有任何的油脂侵蚀，否则这个系统就要报废了。另外，集成在增压器中的电机有非常高的功率，所以它的发热量更大，需要很好的冷却技术设计。而且它上面还有很多的敏感的电子部件，在发热的状态下要准确运行…… "
总之，这一部件在轴承系统、电机控制、软件、热管理等方面都带来了前所未有的挑战。据了解，针对氢燃料电池汽车，盖瑞特开发了将电动产品与传统机械应用相结合的两级电动压缩机创新技术，这一部件能够支持为燃料电池汽车达到 103kW 的最大功率。值得注意的是，通过采用空气轴承，不仅实现了超低静音，且杜绝了油脂污染。此外，通过紧凑型布置，帮助电池堆提及缩小了 33%，实现发动机罩内搭载燃料电池动力系统。目前，盖瑞特氢燃料电动压缩机已在本田汽车公司的 Clarity 氢燃料电池车上实现量产，帮助车辆实行 750 公里的续航里程，充满电力只需要 3 分钟。


相关资料显示，中国以商用车为主的燃料电池汽车市场已经突破了千辆，尤其是 2017 年，一共销售了 1098 辆，从东北的辽宁，一直到广东的佛山，包括长三角的上海和江苏如皋等地都已经开始了示范运行。国内氢能基础设施建设加速进行，到目前已经在运行的加氢站有 10 座，在建的有 20 多座，氢能基础设施也在加速推广。可见，中国在氢燃料电池方方面已经取得了一些进展，然而不可否认的是，氢燃料电池汽车还面临着诸多因素的制约，尤其是成本方面的制约。
而这同样意味着，除了技术挑战，氢燃料电池增压技术亦面临着来自成本方面的考验。针对此，Robert Cadle 表示，接下来，氢燃料电池电动压缩机的目标是规模扩大、成本降低。" 预计到 2025 年之后整个市场的量会达到几十万台的数量级，而随着整个市场的扩大，产量上去了，成本也有望随之降低。届时我们产品的成本有望降到现在第一代产品的十分之一左右，这有利于燃料电池汽车在后补贴时代的竞争力。"



至于盖瑞特具体将通过哪些措施来降低成本，Robert Cadle 认为主要有以下几大核心手段：
第一、选择更高转速的电机，选用了更高转速的电机以后，它的功率会下降，材料用量和成本会下降，我们可以用更小的电机来做到，更少的转子、定子的材料的使用，它的成本也会下降。
第二、提高核心部件的生产自动化程度，如空气箔片轴承和机绕定子。电机的定子和空气轴承由于目前的量太少，都是手工做的，将来会做成自动线，开模具，专线生产，进一步降低它的生产成本。
第三、系统集成。现在控制器和电机是分开的，中间还有一根很贵的连接线，两套冷却系统分别冷却。将来如果把系统集成在一起，不仅可以省去连接线，系统之间的冷却也可以做成一套系统，从而省掉很多零件，进一步实现小型化，并且降低整个系统的成本。
最后、规模经济。一方面，降低电子元件的开发成本和采购成本。另一方面，盖瑞特在开发氢燃料电动增压技术的同时，为混动汽车开发高效的电动压缩机和一体化的电动涡轮压缩机，具有电子部件的开发协同效应。随着混动汽车将在未来五年实现高速增长，并大量采用电动增压技术，因此电动增压产品相关的电子元件将会因大规模量产而获得成本优势。同时，盖瑞特在全球拥有 13 座先进制造工厂和全球供应链体系，会进一步内部优化电子部件的性价比优势。
盖瑞特（Garrett Motion Inc，纽交所代码：GTX）前身为霍尼韦尔交通系统，于 2018 年 10 月从霍尼韦尔集团完成免税拆分，成为一家独立公司。盖瑞特的产品组合包括涡轮增压、电动增压和汽车软件方案，盖瑞特将通过前沿技术，帮助车辆更安全、更互联、更节能、更环保。