氢动力技术哪家强 奥迪能比拼丰田吗？

       2016底特律车展上，奥迪为大家带来了全新动力车型h-tron quattro concept，这是一款采用氢燃料驱动的车型。不知道大家对它有什么了解呢？或者说，它究竟靠谱不靠谱？它有什么技术能够保障我们的用车安全，或者说它有什么能力取代如今的燃油车辆。当然，更加值得注意的是，它与此前丰田Mirai上的动力系统又有什么异同呢？

       车辆动力系统布局，奥迪h-tron quattro concept车辆的氢动力系统属于奥迪的第五代氢动力系统。第四代的代表是奥迪A7h-tron车型，但是从两者的动力系统部件布局来看，整体变化不大。h-tron quattro concept把燃料电池、直流3相电和直流电变压器设置在车头，三个氢气储存罐分别设在车头，后排底部以及车辆的尾部（奥迪A7 e-tron有四个氢气储存罐）。值得注意的是，奥迪h-tron quattro concept把驱动电池（锂电池）放置在车辆底盘中央位置（奥迪A7 e-tron把电池设置在车尾箱）。

       当然，除了动力供给部件外，奥迪h-tron quattro concept其他所有的电气设施几乎都设置在车头。另外，由于车辆是四驱，因此前后轴上各有不同功率的电机。

       丰田Mirai的动力系统布局与h-tron相比整体相对均衡，不会有头重脚轻的感觉。从车尾看起，车辆的一个氢气储存罐和动力电池（镍氢电池）被设置在后排座椅后方，后排座椅底部则设置了一个较大的氢气储存罐。继而车辆底盘中部是放置了氢燃料电池堆栈和电池堆栈变压器。在车头方面，只设置了动力控制系统、散热风扇等。当然，丰田Mirai是前驱车，它只有一个前轴驱动电机。

低速行驶

       当车辆在较低或者中等的动力需求时，车辆会采用燃料电池进行驱动。氢气通过管道到达车辆的燃料电池堆栈，通过发电后，电力通过车辆上的3相直流电变压器为电机提供电力进行车辆的驱动。

加速行驶

       如果车辆加速，需要较多的能量时，车辆会通过驱动电池和氢燃料电池混合驱动模式对车辆进行驱动。也就是说，在燃料电池发电的同时，驱动电池所储存的电同时会用作动力驱动，同步作用于驱动电机。

能量回收

       除了消耗能量之余，车辆会有能量回收的过程。当司机对车辆进行刹车时，车辆动力回收装置能够将动能变成电能，通过驱动电池充电器向驱动电池进行充电。

启动

       当车辆从静止起动时，氢燃料电池并不参与能量供给。这时候只有驱动电池对驱动电机进行供能驱动。

低速行驶

       低速行驶时，车辆燃料电池对电机进行驱动，与此同时，燃料电池并对驱动电池进行充电。

加速行驶

       车辆如果需要加速，系统中的燃料电池和驱动电池对电机进行驱动。这与奥迪h-tron模式相同，两种电池能量同步作用于驱动电机。

巡航行驶

       巡航行驶，车辆氢燃料电池和驱动电池分别对电机进行驱动。当然，这并不包含燃料电池和驱动电池同时供给能量的情况。

为什么它们都使用70Mpa大气压的储存罐？

       一个很重要的问题，大家知道储存氢气为什么不用35Mpa压力的储存罐，不用100Mpa压力的储存罐，而是采用70Mpa的储存罐吗？更值得注意的是，奥迪h-tron和丰田Mirai上氢气储存罐都采用这一大气压的储存。不同的企业应该有不同的技术，为什么都采用这一氢气储存标准？

       其实，燃料电池汽车在1960年代已经在通用汽车（GM）开展研发。是的，这比丰田（1990年代）还要早开始研发燃料电池车。在2003年，一批用锂电池加上25Mpa储存罐的氢燃料电池配以使用85kW电机的动力系统的商用车型被限制使用，这批车辆巡航可超过350km。

       两年后即2005年，日产和雷诺也开始着手这一燃料电池车的研发。在2008年，日产推出新一代的燃料电池堆栈。在2008年底开始测试使用70Mpa的氢气储存罐系统。

       以上是技术发展的过程。70Mpa的氢气储存罐是由于经过一段很长的历史和实践得出来的数值，同时也是储存技术的限制。在70Mpa这一压力储存的氢气，氢的能量密度达到143MJ/kg，体积能量密度达到4.7MJ/L（国外有机构做过相关测试），能够提高车辆的续航能力。这样的储存方式条件限制不大，而且很少亏损。

       关于亏损问题，用低于70Mpa的储存方式时，例如燃料电池汽车刚发展那段时期采用25Mpa储存，一定容量的容器中，车辆的行驶里程是相对较短。如果大大超过70Mpa的压力储存氢气，虽然能量密度增加了，但是加注氢气进入储存罐所需要的能量也随之增加，而且如今的碳纤维增强复合材料和条件也难以承受相当高的压力。

       另外，更高的压力氢气储存会导致氢气有物理变化，变成液态氢，有认为这不更好地减少储存体积吗？然而，保存这一液态氢需要保证温度较低（液态储氢罐内温度与环境温度差超过250摄氏度）和能够保证容器能够抵受高压，加注氢气时也增加了氢气的压缩成本。液化1kg氢气需要耗电4kWh，实际消耗的能量占据1kg氢气自身能量的3倍，这也何必呢。

附：

铝罐承受压力是17.5Mpa

钢罐承受压力是20Mpa

碳纤维增强复合材料与聚合物衬套罐承受压力是70Mpa

储存罐数量和技术

       虽然两款车均采用了能够承受70Mpa气压的储存罐，从配备的储存罐来看，奥迪h-tron采用了三个不同容量的储存罐，但能够储存大概6kg的氢气。三个储存罐利用红外线系统进行调节压力平衡和温度水平。Mirai则采用了两个共122.4L的储存罐，储存氢气大概5kg，两车给车辆加注氢气的时间大概3-5分钟，以1.5kg/min的最大速率加注。

       综合储氢罐的材质、容量（能力密度）、可承受压力、压缩成本，车辆可续航距离等等多个实验测试，70Mpa就是这样而来。不过有消息称，在2016年Mirai可能会换装82Mpa压力的储存罐来加大巡航里程至700km。

注：

日本市场加注氢气最高压力为82Mpa

欧洲市场加注氢气最高压力为87.5Mpa

如今市场上，许多加氢站的加注压力都以70Mpa以下为主，如35Mpa。国内首座加氢站在北京中关村，其加注压力也为35Mpa。

       在电机布局方面，两款车采用不同的布局。从资料了解到，奥迪h-tron由于采用四驱方式驱动，因此为车辆加入了两个电机，电机布局为一前一后。前电机最大功率为90kW，而后轴电机最大功率达到140kW。丰田Mirai采用的是前驱方式驱动，因此车辆仅配备一个电机，最大功率为113kW。

       尽管车辆采用的是氢燃料电池，但是车辆仍然配备驱动电池。这块电池具有储存电量以及供给作用。对于h-tron而言，车辆配备的锂离子电池容量为1.8kWh，加速时能够提供100kW的功率。其质量为60kg左右，为了降低车辆的重心，其被设计在车辆地板中部。

       Mirai与h-tron不一样，其虽然都有驱动电池，但是其被设计在后轴之上，并且是容量为1.6kWh，电压为245V的镍氢电池。这电池与凯美瑞混动类似。

       h-tron的燃料电池设置在车头，之所以说其为电池堆栈，是因为其配备了330个单体，并能够输出电压范围220-280V。关于每个单体，其核心是一种聚合物膜，两侧涂有覆盖铂基催化剂的电极。关于催化作用，氢气被供应到阳极，在那里它被分解由催化剂成质子和电子。质子通过膜扩散到阴极，它们在催化剂反应的作用下，与氧气和电子形成水蒸气（膜是仅可渗透质子，而不是电子）和电流。

       h-tron技术重点是采用新材料隔膜，通过双极板在堆栈中引导气体，同时保持单体分离（氢气从分子分离成电子和质子）。它们有助于使整个装置更轻，更小，更强，也更经济，运行寿命和响应能力得到改善。燃料电池效率转化能够达到60％，远远高于如今的内燃机。

       第五代燃料电池技术相比之前的燃料技术，能够控制温度在95℃的水平，相比此前增加了15℃。一种高效率的热泵能够从电气元件和热电辅助加热元件中吸收废热，保持宜人的车内温度。值得注意的是，在零下28℃，车辆仍然很容易启动。

       对于Mirai的燃料电池，其也是设置在车辆底盘中央。它比h-tron还多出40个单体，达到了370个，输出电压范围在300V以内。当然，为了更好驱动电机，车辆还安装了一个升压器，其将电压可以提升到650V，这能够减少燃料电池单体数量，降低重量和体积。另外，Mirai身上的堆栈电池原理与h-tron燃料电池一样。

总结：

       通过对比两款车，其车辆底盘结构和氢燃料技术都相差不大。不过由于两款车的布局和驱动方式有所不同，因此部件的位置和数量都有差异。另外，奥迪h-tron quattro concept能够续航达到600km，丰田Mirai车型能够续航312Miles（大约500km）。当然，就驾驶性能方面而言，四轮驱动确实要比前轮驱动要好不少。

       尽管奥迪的氢燃料技术能够达到很不错的效果，然而作者觉得这仅仅是一款概念车，距离量产车还需要一段时间。更重要的是，估计奥迪推出的氢燃料技术车型价格不会太亲民，相比丰田Mirai立即可拥有的效果而言甚是遥远。（全文完）

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参考文献：

1、Toyota 官网

2、Audi技术官网

3、杨志冠  储氢研究进展概况 文章编号:1001-3679(2005)02-0191-06   JIANGXI SCIENCE  Vol.23 No.2  Apr,2005;  

4、 沈承，宁涛  燃料电池用氢气燃料的制备和存储技术的研究现状 中图分类号: TM911．4 文献标识码: A文章编号:1004－3950( 2011) 01－0001－07; 

5、冯小保 黄明宇 问朋朋 贾中实 倪红军  燃料电池车及车用燃料电池的发展现状及展望  Vol.42No.1 2013年1月。

6、Edited by Detlef Stolten  Hydrogen and Fuel Cells: Fundamentals, Technologies and Applications  ISBN:978-3-527-32711-9