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宋楠:量产的中国燃料电池大巴安全吗?

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摘要:文/电动GO网主编宋楠
宋楠:量产的中国燃料电池大巴安全吗?

《宋楠:量产的中国燃料电池大巴安全吗?》一文为电动GO网原创稿件。

宋楠:量产的中国燃料电池大巴安全吗?

2016年,日本丰田发布了首款量产的燃料电池汽车mirai。在5分钟之内可完成氢燃料加注,并具备行驶500公里的续航里程。2017年,英国宣布将在重点城市推广燃料电池汽车及建设氢燃料加注站,作为推广电动汽车及充电站的重要补充。

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2008年,福田汽车在第十届北京国际车展上推出了中国第三代燃料电池技术首款低地板城市客车,在北京奥运会期间和戴姆勒燃料电池大巴,进行了示范运营。

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从2000年代,美国、德国以及日本等国,就燃料电池技术的商用化进行多次尝试。2013年-2016年,德国和美国进行了燃料点电池大巴小批量的运用。

2016年5月,300余台福田欧辉的两款(8.5米长、12米长)燃料电池大巴,分别获得服务于公共交通的北京某集团和租赁公司的购买订单。

2017年1月,4台12米福田欧辉氢燃料电池客车成为中国电动汽车百人会指定通勤用车,在钓鱼台国宾馆为与会嘉宾提供“零污染”的新能源全程通勤服务。4月,5台12米福田欧辉燃料电池大巴,在北京海淀上庄区域进行商业化运营。余下300余台两个型号的燃料电池大巴也将在2017年陆续交付运营。

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相对,过去几年美国、日本、德国制造的燃料电池大巴“接二连三”的以十几台、几十台规模的所谓“商业运营”,以及国内几家车厂制造的燃料电池大巴宣传行为,此次北汽福田300余台两个型号的燃料电池大巴的交付合同,才称得上全球首家商业化运营的燃料电池大巴项目。

宋楠:量产的中国燃料电池大巴安全吗?

相对,过去几年美国、日本、德国制造的燃料电池大巴“接二连三”的以十几台、几十台规模的所谓“商业运营”,以及国内几家车厂制造的燃料电池大巴宣传行为,此次北汽福田300余台两个型号的燃料电池大巴的交付合同,才称得上全球首家商业化运营的燃料电池大巴项目。

从2014年开始,中国政府以政策形式推广新能源技术、整车及全产业链。电动汽车、电动大巴率先获得推广和大规模应用。作为公交车队的重要组成部分,电动大巴和燃料电池大巴的安全性排在续航里程、可靠性之前被优先设定。

那么,福田制造的燃料电池大巴安全吗?

宋楠:量产的中国燃料电池大巴安全吗?

4月13日,笔者对福田欧辉8.5米长燃料电池大巴进行独家的涉水安全测试。本文通过不同测试环节,对燃料电池大巴技术特征进行解读。

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在位于北京昌平沙河的福田厂区内的环形测试场地,建有总长1.6公里,可以模拟直线加速、坡道、鹅卵石路、搓板路、水池、淋雨等多种路况和环境的测试道路。

当天共有2个型号、40余台电动和燃油大巴进行测试。

1、福田欧辉8.5米燃料电池大巴技术标定:

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福田欧辉8.5米燃料电池大巴动力总成,由1台顶置“电堆”(类似于传统动力汽车发动机)、6组顶置氢燃料储存气瓶、4组锰酸锂电池(40度电)构成。

黑色箭头:4组氢燃料存储钢瓶

黄色箭头:“电堆”的设定位置

红色箭头:散热管路和排水系统

绿色箭头:两侧各2组锰酸锂动力电池

蓝色箭头:驱动电机控制单元及附属分系统

锰酸锂电池在大电流吞吐量(充放电)时,可具备8年全寿命周期运营要求。锰酸锂动力电池,能量密度高于钛酸锂电池、大电流充放电需求仅次于锰酸锂电池,而整体成本更低。

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与12米长福田欧辉燃料电池大巴不同,8.5米燃料电池大巴动力总成全部顶置。每只氢燃料存储钢瓶压力为35兆帕、140升容量、可存储7公斤氢燃料(共4组)。在测试场环境下,以40公里车速匀速行,驶续航里程可以达到350公里。在城市综合路况下,春秋季不开空调,续航里程可达到200-250公里;夏季开启制冷空调时,续航里程在180公里。

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黄色箭头:锰酸锂动力电池控制系统

红色箭头:铅酸启动蓄电池

白色箭头:锰酸锂动力电池快充接口

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红色箭头:位于车身两侧下部,各设定2组、40度电的锰酸锂动力电池。

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车身后部则是“电堆”控制模块和空调等分系统控制单元。

福田欧辉8.5米燃料电池大巴,顶置“电堆”和氢燃料存储钢瓶,有利于在被动碰撞时乘客及驾驶员的安全系数的提升。

钢瓶中存储的氢燃料,经过空气滤清器过滤后,进入“电堆”催化反应,产生的热量通过散热管路进行平衡。在行驶过程中,设定的锰酸锂动力电池,用于存储电堆驱动车辆前进时“富裕”的能量(制动时回馈的电量),并在全负载工况下,输出电量辅助车辆前进。40度电锰酸锂动力电池,可以在行驶中自充电、也可以使用符合国标的充电口进行快充。氢燃料则通过专用的加氢站进行加注,与加油站工作原理几乎相同。

总的来说,福田欧辉8.5米(12米)燃料电池大巴,与电动大巴工作原理相近。只不过动力电池释放的动力,被氢燃料所取代。

2、福田欧辉8.5米燃料电池大巴第1轮涉水安全测试:

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为了模拟商业化运营时满员(全负载)工况,乘员舱座椅中央的通道,摆放加满的水桶以替代满载工况下12.68吨的整车自重。

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第1轮测试时,福田欧辉8.5米燃料电池大巴以10公里/小时车速,匀速通过25米长、0.3米深的水池。

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低速匀速行驶,车身进入水池后,水面并未形成浪涌。

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红色箭头:水池0.3米水深的刻度

黄色箭头;较为平缓的水平面距离福田欧辉8.5米燃料电池大巴车标下部7厘米左右

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顺利驶离水池。

3、福田欧辉8.5米燃料电池大巴第2轮涉水安全测试:

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第2轮测试时,福田欧辉8.5米燃料电池大巴以30公里/小时车速,匀速通过25米长、0.3米深的水池。

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较高的车速在入水瞬间,即掀起较大水浪(红色箭头)。

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福田欧辉8.5米燃料电池大巴整车半个车身进入水池后,水浪高度几乎与前风挡玻璃最低端持平。

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福田欧辉8.5米燃料电池大巴全部车身进入水池后,前部激起的水浪,前转向桥、后驱动桥处于水平面之下,驱动电机及控制线缆处于侵水状态。

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在水池中以30公里、小时车速行驶,车身前部水浪距离池底1米左右(黄色箭头)。

与第1轮10公里/小时匀速行驶相比,第2轮30公里/小时匀速行驶激起水浪更高,接近前风挡玻璃下端福田标识(红色箭头)。

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受水池侧壁回波影响,车身侧面的动力电池、BMS控制模块、DCDC单元(舱)全部被谁浸泡。

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完成第2轮涉水测试后,积水从前部自动门(红色箭头)和后部动力电池舱、BMS控制和DCDC控制单元舱流出。

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虽然所有舱盖都进行了橡胶密封处理,但是仍然有大量积水渗入。第2轮涉水测试中,锰酸锂动力电池(最下端)全部被水湮没。其他控制模块也存在不同程度侵水。

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通过组合仪表显示屏,调取车辆实施状态信息可见,“绝缘电阻状态:正常”、“设备故障等级:正常”等信息。这意味着经过前2轮涉水测试后车辆处于正常工况,可以继续完成接下来的测试。

在第2轮射手测试后,笔者继续对第3、4、5轮涉水安全测试进行记录。且后续3次涉水测试,仍然以30公里/小时匀速通过。

4、福田欧辉8.5米燃料电池大巴综合路况测试:

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完成了5轮涉水安全测试后,继续对福田欧辉8.5米燃料电池大巴进行16公里(1.6公里X10)不同时速机动测试,用于对驱动电机、电池控制系统以及整车控制系统可靠性进行测试。

红色箭头;马上就要进行的鹅卵石道路测试区域

黑色箭头:出口中东国家的燃油大巴和电动大巴同时进行道路测试

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以50公里/小时匀速通过鹅卵石路面。

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以50公里/小时匀速通过搓板路面。

每圈道路测试,都要以50公里/小时通过鹅卵石和搓板路面。反复的颠簸寻找可能出现的因涉水导致的故障。

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测试全过程中,试车手与测试工程师就整车状况进行交流。在不同车速,不同路况,试车手通过“油门”踏板行程的变化,感受到车辆加速、制动和转向系统的状态。

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这些涉及燃料电池钢瓶温度、化学反应时“电堆”温度、整车散热系统温度、动力电池温度、驱动电机温度以及控制系统状态,释放的电压和电流等具体的行车数据,由工程师通过检测电脑或许最精准的信息。

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在完成全部测试后,将福田欧辉8.5米燃料电池大巴行驶至台架上,以观察并记录车桥、驱动电机的技术状态。

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上图为笔者从福田欧辉8.5米燃料电池大巴前部先后部(下端),拍摄的悬架特写。

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福田欧辉8.5米燃料电池大巴的前悬架采用钢板弹簧+稳定杆+减震器,非独立整体桥结构。

在5轮涉水安全测试、10圈实际道路行驶测试后,前转向桥大部分部件已经干燥。唯有转向节的寻迹球(黄色箭头)留存黄油润滑的痕迹。

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上图为福田欧辉8.5米燃料电池大巴车身中部(底端)特写。不同功能舱室干燥,没有液体跑冒滴漏。

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上图为福田欧辉8.5米燃料电池大巴后部驱动桥及分系统特写。

绿色箭头:后置的驱动电机

白色箭头;至后驱动桥的传动轴

蓝色箭头:后驱动桥差速器壳体

拍摄悬架时,福田欧辉8.5米燃料电池大巴处于“怠速”状态,经过工程师检测后,各关键分系统、冷却水管以及控制单元密封(绝缘)状态稳定,完全具备继续测试及运行的条件。

5、福田欧辉8.5米燃料电池大巴排放物污染测试:

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与电动汽车全面推广之前一样,对于燃料电池大巴“谈氢色变”。实际上,氢燃料与氧气混合并进行催化后,获得的是能量和纯净水。

红色箭头:福田欧辉8.5米燃料电池大巴顶置“电堆”

黑色箭头:散热系统和排水装置

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上图为笔者拍摄的福田欧辉8.5米燃料电池顶部空调散热系统(黄色箭头),存储钢瓶顶盖散热孔(黑色箭头)。4组各150升的氢燃料存储钢瓶,内部压力35兆帕,容纳7公斤氢燃料,工作温度处于-20至40摄氏度。

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上图为福田欧辉8.5米燃料电池大巴的“电堆”和空气滤清器结构特写。

黄色箭头:“电堆”可以看做是燃料电池系统的“发动机”。

红色箭头:空气滤清器

燃料电池发电的原理是:

电池的阳极( 燃料极) 输入氢气( 燃料) , 氢分子( H2) 在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子( H+ ) 和电子( e-) , H+ 穿过燃料电池的电解质层向阴极( 氧化极) 方向运动, e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极; 在电池阴极输入氧气( O2) , 氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子( O) , 与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+ 结合生成稳定结构的水( H2O) , 完成电化学反应放出热量。

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红色箭头:整车(“电堆”)散热器

黄色箭头:乙二醇为介质的防冻液

白色箭头:冷却后的排放水

经过“电堆”催化后的热量,经过散热器(防冻液)冷却,闭环重复使用。其工作原理与传动汽车和电动汽车散热系统完全一致。

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产生的能量转化为电量或用于驱动电机或用于动力电池存出,而通过化学反应生产的水则可以直接引用。

笔者有话说:

氢燃料在“电堆”中催化,不是燃烧的过程,而是通过燃料电池内质子交换膜进行化学作用,没有发热、发光现象生成,仅是一个发热的平稳的状态改变。

顶置的氢燃料存储钢瓶,以及连接“电堆”的相关密封管路,出现泄漏时,氢燃料将通过预先设定的泄压系统快速释放。轻的比重低于空气,即便大量释放氢燃料也是向空气排放,而不会进入载员舱内。而福田欧辉8.5米或12米燃料电池大巴所使用氢燃料,纯度达到99.99%氢燃料,远超过40-73.6%氢气的爆炸极限。

当然,目前针对燃料电池的氢燃料存储钢瓶的国家标准也仅仅处于30-35兆帕一级,而福田与清华大学、艺华通等科学和科研单位,共用研发的氢燃料存储钢瓶可以达到70兆帕。这就意味着70兆帕的钢瓶,氢燃料加注速度更快,相同体积容量的氢燃料可以超过12公斤,由此提升整车续航里程。

显然,国家标准的制定已经落后于福田欧辉8.5米燃料电池大巴可以达到技术标定。此次笔者亲历的5轮涉水安全测试、8公里的复杂路况测试,或可证明中国制造,全球首次大规模商业应用的福田欧辉燃料电池大巴车队具备高度安全性和可靠性。

文/电动GO网主编宋楠

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