豐田不孤單 詳解大眾集團(tuán)最新燃料電池技術(shù)

奧迪A7 Sportback h-tron quattro

　　因?yàn)槎际且粋€(gè)集團(tuán)下的技術(shù)，所以三者用的氫燃料電池技術(shù)也是同宗同源，都采用了大眾集團(tuán)自主研發(fā)的第四代的100千瓦低溫質(zhì)子交換薄膜技術(shù)（PEM）的燃料電池堆棧。雖然目前還沒有投放量產(chǎn)市場，但我們由此也能看到大眾的燃料電池技術(shù)儲(chǔ)備已經(jīng)進(jìn)入了第四代，并且第五代技術(shù)也已經(jīng)在研發(fā)當(dāng)中了。

高爾夫SportWagen HyMotion

　　從亮相的三款車來看，大眾其實(shí)已經(jīng)準(zhǔn)備好將燃料電池技術(shù)應(yīng)用在能夠大批量銷售的暢銷車型上，而不是像豐田Mirai那樣是個(gè)孤立的大家都不認(rèn)識(shí)的新車型。大眾集團(tuán)負(fù)責(zé)燃料電池研發(fā)的烏爾里希·哈根伯格博士稱燃料電池最大的勁敵實(shí)際上是長續(xù)航的純電動(dòng)車，目前還沒法確定究竟哪種技術(shù)更適合大規(guī)模普及。

Golf SportWagen HyMotion結(jié)構(gòu)圖

　　對(duì)于新能源的技術(shù)路線選擇以及車型平臺(tái)的選擇，折射出大眾集團(tuán)的最明顯的意圖，那就是將模塊化平臺(tái)的潛力發(fā)揮到極致，比如大眾用了MQB平臺(tái)和奧迪用了MLB平臺(tái)。這樣設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大眾集團(tuán)高層理想的超級(jí)柔性生產(chǎn)——同一輛車在同一個(gè)生產(chǎn)線上能夠生產(chǎn)處汽油型、柴油型、天然氣型、插電式混合動(dòng)力型、純電動(dòng)型以及最新的燃料電池型號(hào)。

　　關(guān)于燃料電池堆棧

　　燃料電池就叫電池唄，為什么后面還要跟一個(gè)“堆?！蹦?？實(shí)際上大眾的燃料電池是由300片相互獨(dú)立的“電池”一個(gè)挨著一個(gè)組成的堆棧，類似多米諾骨牌一樣排列。每一片都有一個(gè)獨(dú)立的聚合物薄膜與兩片的鉑金催化劑板。在PEM燃料電池中，氫氣被輸往陽極，在那里裂解成質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過薄膜結(jié)構(gòu)與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)結(jié)合成水蒸氣，與此同時(shí)電子則被薄膜所隔離并通過陽極傳到出去形成了電力，這便是燃料電池工作的基本原理。取決于能耗負(fù)載的不同，每一片電池都能產(chǎn)生0.6~0.8V的電壓，整個(gè)電池堆棧就能一共輸出約230~360V的電壓。

奧迪A7 Sportback h-tron quattro解剖圖

　　除了基本的結(jié)構(gòu)之外，燃料電池堆棧還需要一個(gè)渦輪增壓器來強(qiáng)制輸送空氣進(jìn)入電池中、一個(gè)用來循環(huán)多余氫氣以提高利用效率的風(fēng)扇和一個(gè)冷卻用的泵。這些組建都由電力驅(qū)動(dòng)并且直接從燃料電池堆棧中取電。

奧迪A7-h-tron結(jié)構(gòu)圖

　　燃料電池組外部還有一個(gè)額外的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，用來冷卻燃料電池。一個(gè)熱交換器和一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的電加熱器用來充當(dāng)暖風(fēng)系統(tǒng)。燃料電池工作溫度在80攝氏度，對(duì)冷卻系統(tǒng)要求比內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)格一些，但是能量利用效率卻高達(dá)60%，是內(nèi)燃機(jī)的兩倍！冷啟動(dòng)性能也不錯(cuò)，可以保證在零下28攝氏度正常工作。

奧迪A7-h-tron結(jié)構(gòu)圖

　　奧迪對(duì)豐田Mirai的有力回應(yīng)——A7 Sportback h-tron quattro

　　奧迪A7 Sportback h-tron quattro作為燃料電池插電式混合動(dòng)力汽車（以下簡稱A7h-tron），名字聽起來就已經(jīng)非常復(fù)雜了，實(shí)際結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。它的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置了一個(gè)燃料電池堆棧，后備箱下面布置了8.8千瓦時(shí)的鋰電池組，前后軸各布置了一個(gè)電動(dòng)機(jī)，形成了前后雙電機(jī)的類似特斯拉P85D的“四驅(qū)”結(jié)構(gòu)。每個(gè)電機(jī)都有85千瓦的功率和270牛米的峰值扭矩，這樣的組合搭配一共可提供170千瓦的功率輸出，將燃料電池車的性能指標(biāo)推到了一個(gè)準(zhǔn)性能車級(jí)別。并且由于雙電機(jī)無需機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，quattro成了 e-quattro，扭矩輸出控制電子無極調(diào)節(jié)，是傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)的。

Audi-A7 Sportback h-tron quattro發(fā)動(dòng)機(jī)艙

　　另外一個(gè)值得注意的是，燃料電池工作的唯一“廢氣”是純凈水蒸氣，所以排氣管也不用考慮耐高溫或者耐腐蝕，直接用輕量化塑料管路就可以實(shí)現(xiàn)，減重不少。既然叫“混合動(dòng)力”，A7 h-tron一定有很多的驅(qū)動(dòng)模式可選，在全燃料電池模式下，行駛100公里大約需要1公斤的氫氣，從能量角度來換算成汽油的話，大概是3.7升。而儲(chǔ)氫罐在700個(gè)大氣壓下可以儲(chǔ)存5公斤的氫氣，所以理論上支持500公里的續(xù)航里程是很容易的。

奧迪A7 Sportback h-tron quattro

　　如果加上8.8千瓦時(shí)鋰離子電池組的電力，還能額外增加的50公里純電里程，而這個(gè)電池是可以通過動(dòng)能回收和充電裝插電來補(bǔ)充電量的，所以A7 h-tron被稱為插電式混合動(dòng)力燃料電池汽車。

　　氫氣的加注也跟加油類似，加滿氫氣只需3分鐘的時(shí)間，比純電動(dòng)車的充電時(shí)間快上數(shù)十倍。而這輛車只需7.9秒就能夠完成靜止到100公里/小時(shí)的加速，最高車速180公里/小時(shí)。另外一個(gè)值得注意的是為了在質(zhì)量分布上做到一個(gè)平衡，當(dāng)然還有其他結(jié)構(gòu)性的考慮因素，奧迪A7 h-tron在后軸之前以及車身中央通道共設(shè)計(jì)了四個(gè)儲(chǔ)氫罐（豐田Mirai設(shè)計(jì)了兩個(gè)儲(chǔ)氫罐）。為了保證高壓下的安全，儲(chǔ)氫罐采用鋁合金外殼并在外圍包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)殼，跟寶馬i3/i8的車身是同一種材料。

　　電動(dòng)邦小結(jié)：

　　從2013年開始奧迪就啟用了一個(gè)氫氣工廠，通過風(fēng)能發(fā)電來電解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣。所以理論上氫燃料電池也能夠做到像純電動(dòng)車那樣，完全做到能源可再生并且零排放。另外一個(gè)更明顯的優(yōu)勢(shì)是，加氫站的建設(shè)，可以通過加油站的技術(shù)升級(jí)改造來完成，所以理論上相比快速充電站的建設(shè)成本和技術(shù)可行性更合理。