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七项技术途径助力燃料电池客车研发

本报记者付毅飞
    记者对北汽福田汽车股份有限公司并不陌生。

  今年8月28日,本报与国务院发展研究中心、中国汽车工业协会、中国汽车工程学会共同主办的“中国汽车自主品牌发展战略研讨会”便是在这里举行。当日,科技部部长万钢曾在会上慷慨激昂地指出:“发展清洁型新能源汽车是我国汽车产业的战略发展方向。到2008年奥运会上,我国自主研发的燃料电池客车、轿车、混合动力和纯电动汽车将展现在奥运场馆。”

  再次来到福田公司,记者的目的正是由该公司承担的国家863课题———BJ6123C6N4D燃料电池汽车整车产品示范样车开发和生产。

  谈及该课题的进展,公司副总经理邬学斌显然是相当的满意:“燃料电池从动力总成技术方面来讲,目前是世界上最先进的技术。而我们的项目组在资金紧张、时间有限的情况下,已经获得了第一辆样车,并基本调试完成,其中绝大部分元件都是国产的。我对项目进展的速度,产品的质量以及技术水平非常满意。”他还自豪地表示:“这个项目组,未来就是我们福田公司开发新能源的火种,最近公司已经决定成立新能源研发中心。”

  研发与产业化并行

  “BJ6123C6N4D燃料电池汽车整车产品示范样车开发和生产”课题于2006年10月启动。课题组长、北汽福田汽车股份有限公司北京客车分公司副总经理刘国强向记者介绍,该课题的目的是通过小批量开发和生产4台低地板燃料电池城市客车,验证整车可靠性,建立完整的燃料电池城市客车试制、试验及整车性能试验的评估体系。同时将经过验证的示范样车服务于奥运用车彰显“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”精神。

  课题的预期目标是掌握燃料电池汽车整车集成技术,根据市场应用需求,研发具有特色的示范样车。降低成本,提高整车的可靠性、耐久性、舒适性和安全性。形成产品体系,制订生产制造技术文件,形成一定规模的燃料电池示范样车制造能力;燃料电池汽车商业化示范产品获得载客示范运营许可,并利用奥运会和世博会等重大活动实现燃料电池汽车的初期市场导入。刘国强表示:“本课题分两个阶段,除研究开发外,还包括燃料电池客车的示范运行,因此课题不仅在实验室进行,还将为产业化做准备,是实现燃料电池客车产业化最重要的步骤之一。”

  他告诉记者,课题将以基于动力系统平台的整车集成与结构优化技术,整车主动与被动安全性技术,整车可靠性、耐久性、舒适性和安全性研究与考核,生产工艺与制造技术,测试试验技术为主要研究内容。最终成果要达到主要性能指标与基于动力系统技术平台的基本型样车相当,其他性能指标满足国家相关标准要求;燃料电池客车商业化示范样车,在20辆级批量时单车成本不超过350万元,百公里氢燃料消耗率≤8.5公斤的具体指标。

  此外,该课题还力求获得客车整车、造型、实用外观等设计专利;锻炼一支燃料电池城市客车整车开发的技术研发团队;锻炼一支燃料电池城市客车批量生产与制造的产业工人队伍。

  项目开发采用7项技术途径

  “氢能燃料电池系统是最具效率潜力的车用发动机,并能带来全新的汽车设计概念。”刘国强说。据统计,2004年全球能源科技研发公共资金投入中约12%%投向了氢能燃料电池。我国在氢能燃料电池技术竞争中处于除日本、加拿大、美国之后的第二行列。根据国家中长期科技方针规划纲要,我国将从基础科学、前沿技术创新、工程应用开发等多个层面实施对氢能技术的重点突破。他表示:“从长远看,燃料电池技术可持续性强,是车用动力系统的一个长远解决方案。”

  在课题开展过程中,项目组在燃料电池城市客车整车开发上瞄准了国外燃料电池城市客车技术发展前沿,在全面总结过去电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池轻型客车开发经验的基础上,以整车项目为龙头,建立整车项目和关键技术项目协同开发模式,实行整车项目和关键技术项目责任制管理。

  刘国强告诉记者,项目组在整车项目开发中采用的主要技术途径包括:

  确定整车性能指标和各关键部件技术指标。“我们按照市场导向的原则,根据北京市和国内公交车发展及2008年奥运会要求,选定所需车型,结合城市公交客车行驶状况,确定整车技术参数及动力性和能量消耗指标,如最高车速、加速时间和续驶里程等。”他说,“然后应用计算机仿真技术,详细比较整车动力驱动系统不同组合方案的可行性和效果,优化确定各部件的技术指标要求。”

  建立整车数字仿真平台。他说:“我们建立了整车,特别是燃料电池多能源动力驱动系统的前/后向仿真平台,并基于所建立的仿真平台完成各部件的参数匹配和控制策略优化。”

  整车总布置优化设计。他介绍,研究人员选用国内外优质的12米低地板城市客车底盘专用零部件制造技术先进的客车底盘,对动力转向、制动和空调等系统进行动力设计和控制,对燃料电池系统、储能模块、驱动电机及控制器模块等电驱动系统部件进行优化布置,建立适合于燃料电池城市客车的先进车辆平台。

  建立整车动力驱动控制系统开发平台。“燃料电池客车的动力驱动系统包括驱动电机及控制器、燃料电池系统和辅助电池及超级电容模块等部件,这是一种多能源系统。”他表示,该系统工作特性的好坏直接关系到整车的动力性和经济性,因此必须开发多能源控制系统,建立整车动力驱动控制平台。

  研制整车数字化控制系统。刘国强说:“整车控制系统是燃料电池客车的控制中枢,起着联系协调整车各系统的枢纽作用,除了动力驱动系统外,整车其他系统如空调系统、电动气压泵等附件也需要消耗功率,为了达到整车能源利用效率的优化控制,必须建立基于CAN-BUS的整车数字化控制平台,以保证整车各系统能够稳定、协调、高效地工作。”

  此外,还包括整车安全设计研究和安全标准的制定、整车试验方法研究等。

  三方面创新攻克难关

  课题进展过程中,项目组遇到了不少难题。

  “燃料电池整车跟传统客车相比,在结构上有很大不同。”刘国强说,“燃料电池客车几百公斤的电池以及氢气瓶都要放在车顶,车顶重量达到大约1.8吨以上,因此整车的结构强度、安全性、稳定性,包括操控、制动性都面临严峻的考验。”

  同时,安全问题更是整车研制过程的重中之重。“燃料电池城市客车携带大量易燃、易爆的高压氢源,备有高压电源,含有腐蚀性物质的辅助电池,运行过程产生的电磁干扰,市区运行环境复杂。另外包括运营载体———人,这些特殊性都为整车安全设计提出了很高要求。”

  他还表示:“项目中,我们要考验燃料电池的耐久性、可靠性。对供氢系统,要进行高压、低压等不同压力测试。此外还包括能量回收系统等。”

  不过,研究人员通过刻苦攻关,成功突破了这些难题,并取得了一系列创新成果。

  刘国强说:“我们在几个方面取得了创新———燃料电池系统、电的匹配、智能控制等关键技术得到突破;在对强电系统、弱电系统的控制和安全防护等方面得到了技术提升;此外在整车结构创新上也取得了很大进步。”

  谈及与国外发达国家的差距,他表示国外目前做得最好的应该是奔驰公司,已生产60台燃料电池客车。与其相比,我国目前在电池系统的耐久性上还有一定差距。“奔驰公司电池耐久性可达2000小时以上,而我们的产品大概在500小时以后就会出现功率衰退,应该说差距还是很大的。”他说,“但在整车技术集成上,我们和发达国家的差距很小。”

  他最后告诉记者,明年4月至10月,项目组研发的3台样车将进行为期半年的示范运行,以此迎接奥运。“这3台样车只是课题第一阶段取得的成果,明年我们将研制一辆平台车,会在各方面都上一个台阶。”

  ■数字863

  北汽福田汽车股份有限公司技术中心拥有一支国内汽车企业最年轻的开发队伍,全中心平均年龄不到35岁。两级开发机构共有人数1309人,直接从事产品开发的人员占总数的74.5%,其中高中级技术职称人员311名,博士生5名,大学本科及以上学历人员610名,整体上形成了由学术带头人、招聘人才、自身培养人才及近年分配的大批高等院校毕业生构成的金字塔结构,整合成了开发队伍的梯队优势、年龄优势、人才集聚优势及强大的开发优势。

  北汽福田汽车股份有限公司2006年实现生产、销售各种汽车343679辆,2006年实现销售收入:1931145.99万元,实现利润:7209.39万元。

  BJ6123C6N4D燃料电池汽车整车产品示范样车开发和生产课题于2006年10月启动,预计3年完成。目前国家“863”资助358万元,北汽福田汽车股份有限公司出资1200万元。

  参加课题总人数为23人。其中高级职称9人,中级职称6人,初级职称3人。4人具有博士学位。

  本项目共制作3台示范样车及1台平台样车共4台样车。

  燃料电池客车商业化示范样车,在20辆级批量时单车成本不超过350万元,百公里氢燃料消耗率≤8.5公斤。

  目前世界汽车保有量约8亿辆,预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆。国际能源机构的统计数据表明,2001年全球57%的石油消费在交通领域,预计到2020年交通用油占全球石油总消耗的62%以上。美国能源部预测,2020年以后,全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口。

  

  

  

  

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