燃料电池汽车发展带来的创新机遇

燃料电池汽车发展带来的创新机遇同济大学余卓平2008.11`21世纪人类社会面临能源环境严峻挑战3WorldOilReservesareWorldOilReservesareConsolidatinginOPECNationsConsolidatinginOPECNations020406080100RestofWorldOPECUSPercentageofTotalConsumptionProductionReserves26%9%2%8%43%79%66%49%19%美国欧佩克国家其他国家消费生产储量百分比挑战：1全球石油资源分布不均匀2动力系统对单一石油资源的依赖性3传统内燃机尾气排放4二氧化碳减排挑战与机遇：汽车能源与动力系统转型进入二十一世纪，以混合动力和氢能燃料电池汽车为代表的新能源技术迅猛发展，预示着一场新的技术革命和经济转型汽车燃料将从石油经历生物质油料、天然气、合成气等燃料多元化燃料的中间阶段转向氢气汽车发展将从传统的燃油内燃机汽车，经燃气汽车、替代燃料汽车、纯电动汽车、混合动力汽车等多种驱动系统的过渡时期，逐步走向氢动力汽车燃料电池发动机工作原理决定了燃料电池汽车具有两个昀大的优点：一是动力系统工作时，不排放对环境有害的物质，只有水(蒸汽)，汽车可真正实现零排放；二是汽车的燃料来源更多更广，氢能源作为一种可再生的能源载体，可从消除汽车能源短缺(甚至枯竭)之忧。因此，燃料电池汽车可以从根本上应对人类面临的环保和能源两大严峻挑战。燃料电池汽车－燃料电池发动机起点：旧金山终点：华盛顿行程5200公里历时12天（433公里/天）温差60oC（雨雪，高温，严寒）高差2000米NECAR1（1994）NECARII（1996）NECAR3（1997）NECAR4（1999）NECAR5（2000）车型:A-Klasse功率:80千瓦(50KWRd)昀高速度:150km/h电压:180-280V(300X0,6V，2组)装载行程:250km(25L)甲醇重整器:250-280oC，水洗法除碳燃料电池汽车－21世纪汽车的制高点德国奔驰公司NECAR欧洲氢能发展路线图2005燃料电池汽车示范车队2010燃料电池汽车批量产品；装备车队2015燃料电池汽车具备全面竞争能力2030氢燃料成为首选车用燃料2040燃料电池汽车成为主要车型燃料电池汽车2010年5万辆；2020年500万辆；2030年1500万辆日本燃料电池汽车产业化时间表2002技术研发阶段2010市场扩散阶段2005市场导入阶段日本政府对燃料电池方面的科研投入2001年117亿日圆2002年220亿日圆2003年307亿日圆2004年329亿日圆美国自由汽车计划时间表汽车工业在我国国民经济中的重要地位近年来，我国汽车工业迅猛发展，2007年汽车总产量为880万辆，居世界第三位。预计到2020年我国社会汽车保有量达1.3亿辆，汽车年产量将达到1500万辆，成为世界第一大汽车制造国。汽车产业是我国保持国民经济稳定发展，保证新增就业人口安置的支柱产业。1053243005005008001000150002004006008001000120014001600汽车年产量(万辆)2002200520102020(年中国汽车年产量增长趋势预测能源、环保已经成为汽车工业发展的制约瓶颈5500128003007001500050005000050001000015000200002500030000200020102020替代量（万吨）节约量（万吨）石油消耗量（万吨）1380025000我国汽车保有量到2020年达到1亿3千万辆，按照目前的油耗，预计石油消耗量达到2亿5千万吨。届时我国石油总消耗将达到4亿5千万吨。我国节能与新能源汽车科技专项“九五”清洁汽车行动(替代燃料)-第一阶段:1998-2002-LPG出租车-CNG城市客车-第二阶段：2003-醇、醚、柴油、生物质等2003年：190，000出租车和城市客车600CNG、LPG加注站每年替代130万吨石油“十五”电动汽车重大科技专项“十一五”节能与新能源汽车项目EV2001-2005，2006-2010-纯电动汽车-混合动力汽车-燃料电池汽车纯电动、混合动力、燃料电池客车和轿车电机、电池、燃料电池和电子控制系统政策法规、技术标准、检测中心电动汽车商业化试验、示范区联合国GEF/UNDP商业化示范运营项目2003-2010北京和上海各6辆燃料电池客车公开采购燃料电池城市客车建设氢气加注站商业化示范运营节能与新能源汽车发展的技术途径节能内燃汽车燃料电池汽车高功率车用蓄电池车用驱动电机电子控制技术车载气体燃料技术气体燃料和替代燃料及基础设施混合动力汽车纯电动汽车天燃气汽车替代燃料汽车共性技术和系统燃料电池发动机技术新型高效低排内燃机同济大学新能源汽车工程中心建立产学联盟的目的：1.产学研相结合，承担国家863燃料电池轿车项目,开展技术创新2.建立公共平台，服务整车与零部件3.形成开发新能源汽车人才高地4.国际交流、合作窗口我国燃料电池轿车研发的产学联盟863团队整车及零部件企业车辆工程学科其他相关学科国内外人才引进学生资源。。。上海燃料电池汽车动力系统有限公司上汽集团600上海科投540上海工投540二十一所300同济大学540自然人245股东方：同济大学新能源汽车工程中心上海燃料电池汽车动力系统有限公司核心技术项目委托技术开发产品开发市场服务示范运营学科建设人才培养基础研究国际交流面向市场面向学科产业联盟成员的各自定位新能源汽车工程中心（科技转化）机械工程车辆工程动力工程电子工程学科链学科链和产业链相结合信息工程材料工程。。。混合动力汽车燃料电池汽车整车技术电力驱动系统动力电源技术燃料电池系统技术技术链和产业链动力系统控制技术纯电动汽车我国第一台燃料电池轿车“超越一号”获03年上海国际工业博览会创新奖创新成果:“超越系列”燃料电池轿车燃料电池轿车项目获中国高等学校十大科技进展电电混合燃料电池轿车动力系统拓扑结构优化分析设计软件~=DC/AC电机控制器DC/DC直流直流变换器驱动电机DC/AC燃料电池发动机高压储氢~=锂离子动力蓄电池组==燃料电池轿车动力平台集成技术-燃料电池轿车动力系统集成测试技术动力总成及关键零部件性能测试方法和规范ECE-EUDC循环工况01020304050607080901000200400600800100012001400时间（s）行驶车速（km/h)燃料电池轿车动力平台集成技术-燃料电池轿车动力系统集成测试技术符合测试规范的测试设备和装置零部件测试技术规范燃料电池轿车动力系统控制技术-电电混合燃料电池轿车动力系统控制技术~=DC/ACDC/DCMCTractionMotorDC/ACFuelCellEngineH-TankFCEMUEnergyManagementVehicleControl~=PowerBatteryBatteryManagementUnit==燃料电池轿车动力平台适配技术-动力平台与整车底盘适配设计强度与碰撞安全仿真计算动力平台与整车底盘适配动力系统技术平台燃料电池轿车动力平台适配技术-燃料电池轿车动力系统关键技术向城市客车的扩展实车双动力驱动系统方案春晖–嘉乐微型电动轿车登程一号混合动力轿车超越三号动力平台上海大众S3000上汽MPV东方之子动力平台战略创新成果:“春晖系列”四轮驱动微型电动汽车轮毂电机和电控驱、制动总成电动线控转向系统电子仪表盘和车载信息系统小功率燃料电池发动机锂离子动力蓄电池针孔后视摄象镜头镁合金承载式底盘系统镁合金轮毂不锈钢内胆碳纤维氢罐分布式整车驱动控制系统我国第一台四轮轮边驱动燃料电池微型轿车“春晖一号”获02年上海国际工业博览会创新奖创新成果：工业副产氢气净化上海市工业副产氢气资源调查副产氢气来源：华宜、宝钢煤焦炉气氯碱化工离子膜烧碱石洞口、炼油厂石脑油现有氢气：3.8亿立方米/年（34,000吨/年）富余氢气：4千万立方米/年（3,600吨/年）潜在氢气总量：60亿立方米/年（540,000吨/年）能力：120Nm3/h纯度：99.99％效率：85％成本：15元/kg焦炉气纯化设备（中试规模）基地建设开发环境（1）动力系统开发环境（2）整车性能分析环境（3）整车试制环境（4）整车测试环境（5）四轮驱动电动汽车开发环境控制策略开发平台蓄电池模型车辆动力学模型电机模型环境模型车速循环工况驾驶员模型控制器模型FCE模型DC/DC模型Time信号流：控制信号或状态信息能量流：电能或机械能箭头批示信号或能量流向惯量模拟地面调试平台基于Motorola控制器开发平台测试平台（1）燃料电池发动机测试平台（2）电机及驱动器测试平台（3）动力蓄电池测试平台（4）车身力学特性测试平台（5）水冷系统测试平台2006年巴黎必比登清洁能源汽车挑战赛2006年巴黎必比登挑战赛燃料电池轿车比赛结果次序参赛单位参赛车型加速制动蛇行噪声排放燃料经济性CO21同济/上燃超越三号5018.2436.399.5268.05A3.59A2同济/上燃超越三号5118.4345.189.9068.40A3.70A3米其PSIHy-Light12.9237.538.9172.95A3.93A4戴克/奔驰F-CellA-Class14.1732.7410.0668.35A4.12A5日产X-TRAILFCVn.s.n.s.n.s.68.50A4.57A6福特FOCUSFCV18.6933.5910.1671.13A4.80A7通用/欧宝Zafira-氢动3号27.9632.429.4369.35A5.36A8戴克/奔驰F-CellA-Class14.3331.229.8468.40A5.94A参赛单位参赛车型加速制动蛇行噪声排放燃料经济性CO2同济/上燃超越三号50DDBAAAA同济/上燃超越三号51DDCAAAA日产X-TRAILFCVBCCAABA日产X-TRAILFCVn.s.n.s.n.s.AAAA米其PSIHy-LightBDADAAA福特FOCUSFCVDCCCABA戴克/奔驰F-CellA-ClassCCCAAAA戴克/奔驰F-CellA-ClassCCCAAAA通用/欧宝Zafira-氢动3号DCABACA抗振防尘电安全氢安全防水2008年北京奥运新能源汽车示范展望发展节能环保和新能源汽车，形成自主知识产权和自主品牌产品，是保障我国石油安全，维护环境可持续发展，提升产业核心竞争能力，实现我国汽车产业持续发展的重大机遇和战略选择。抓住机遇，形成以企业为主体的燃料电池汽车研发产学研战略联盟，通过先进技术的扩散和转移，就一定能促进我国汽车企业和产品的跨越和可持续发展。