为什么说氢燃料电池车是混动汽车？前景如何？

“中国已经形成了电-电混合的技术优势，适合燃料电池技术的特点。”

全国政协副主席、中国科学技术协会主席、前科技部部长万钢，是氢燃料电池技术路线的支持者。他在论述中国氢燃料电池技术的时候，经常提及前面这个论断。

氢燃料电池既然这么好，为啥还要混合驱动汽车？中国搞“电-电”混动，是不是因为技术水平太差了？现在能否判定氢燃料电池技术的前景？

我们逐个来分析分析。

1、电电混合的由来

汽车行驶在道路上，行驶状态不断变化，上下坡、加减速，需要发动机/电动机输出不同的功率。如果一辆燃料电池汽车，通过燃料电池发电直接驱动电机，就需要燃料电池不断变化功率载荷。

然而，燃料电池似乎并不太喜欢变载，变载必须让进气（氢气、空气）等外部条件随之变化。

从燃料电池电堆（燃料电池系统最核心的发电单元）的角度看，电堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、（反应）微流道等等，都是基于某一工况范围设计的。现在电堆功率越设计越大，动辄百千瓦上下。迫于对功率密度的需求，往往要通过大电流密度实现。这让通气条件在全工况下适应非常困难。在负载过大或过小时，电堆可能只能短时间工作，以避免因水热问题造成损坏。

从系统角度讲，燃料电池的辅助系统（BOP，Balance of Plant）似乎也不太喜欢变载。比如空压机会有最合适的一段输出区间，此区间空压机效率较高，且工作稳定。另外，比如更简单的管路，由于管径固定，如果气体量太小，那么气体压力无法控制；如果气体量太大，那么会有很大的压降损失，甚至造成密封失效。

从能量角度讲，所有“体外循环”的电池，在工作过程中，都会有能量的损耗。因为维持电堆运行的供气系统、冷却系统都会消耗能量。当电堆出力较低时，BOP待机功耗相对纯电动系统更大（如同汽车怠速的效果）。同时电堆低功率出力时，为了平衡流场设计和水热管理，往往进气计量数更大。系统能效整体降低。

现代FCV

虽然燃料电池不喜欢变载，但并不代表不能变载。可以通过系统管理来实现。但这是个及其复杂的过程。当系统要求电堆出力提高时，氢气和空气的进气量随之提高，电堆电流密度上升，电堆输出功率上升（但可能伴随效率下降），发热量也随之上升。冷却系统控制冷却泵增加循环水量。氢循环泵循环量增大，阴极（或阳极）排气量和排水量也随之发生变化。

与此同时，电堆单池之间的差异也可能随之增大，系统会采取诊断和保护措施……

可能就是上坡跟车时的一脚油门，系统就要做出一连串的复杂动作。如果哪一步没跟上，燃料电池就像一台涡轮迟滞明显的早起涡轮增压发动机，甚至直接故障。同时，频繁的功率变化也会让燃料电池的寿命加速衰减。

因此，燃料电池整套管理机制，要设计的相当严谨。如果说传统电动车是电和热的组合，那么燃料电池则至少多出两个维度：气体（氢气和空气）和水（氢氧反应产生的水以及冷却液）。电、热、空、氢、水五场合一，相互联动。再加上日益增大的单堆功率，让系统的控制难度呈几何级数上升。燃料电池的成本当中，系统成本至少占三分之二，也是可以理解的。

电电组合的出现，可以大大降低系统管理的难度。因为大部分情况下，通过电池可以减小电堆功率的调节范围。当前，电电混合的常见形式有三种。分别是能量存储、功率平衡、增程续航。

（1）“丰田模式”：能量存储型

在丰田的系统中，搭载了镍氢电池以实现电电混合。而镍氢电池的作用，主要用于能量的回收储存，这是丰田的表述。能量存储并非目的，将能量转化成可用动力才是关键。因此，我认为“丰田模式”的电电混合，仍是以“削峰填谷”作为目标。

丰田选择镍氢电池实现电电组合，我想多半是来自于丰田在普锐斯上技术的积累。在普锐斯上，丰田配置了168个单体电压为1.2V的镍氢电芯，总储能容量为1.3kWh，藉此保证普锐斯的发动机始终在最“佳”的工作状态。

在城市行驶的工况下，普锐斯的管理系统，将电池的充放电深度控制在很小的范围之内，而仪表盘上的SOC显示，只是电池可用范围上的消耗百分比。浅充浅放的使用场景，保证了镍氢电池的寿命。

Mirai借鉴了相似的结构。将镍氢电池与燃料电池耦合相连。在刹车时，回收能量存储与电池当中。通过燃料电池发电和能量回收，始终保证镍氢电池在“合适”的SOC范围。在系统变载时，镍氢电池向系统输出瞬时功率，让系统更加平顺。

同时，镍氢电池属于“水系”电池，因此在使用过程中，相比锂电池，在出现故障时，电池本体起火的可能性更低。因此，就安全性来说更胜一筹。

简单总结丰田的电电混合模式，从表面上看，是对于能量的回收。但是其本质，还是“削峰填谷”，从而让燃料电池工作在最佳的状态。

（2）本田模式：功率平衡型

本田对燃料电池汽车的开发，可以追溯到上世纪的80年代。第一代FC样机的实验，实在奥德赛上完成的。时隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿态，展现FCV的技术。

本田的核心技术，是将燃料电池发动机集成到和V6标准发动机相同的大小。这让Clarity在布置上，可以大量借鉴传统汽车的结构，降低设计风险。

本田的电电混合系统，由燃料电池、锂离子电池通过本田特有的部件FCVCU进行连结。

燃料电池电压控制器（FCVCU）是实现“本田模式”的关键部件，它是一种高效的电压调节装置。应用SIC-IPM，（我对这个技术的翻译是碳化硅智能电源模块，不知道官方有没有更炫的名字。）让本田以极小的体积实现对燃料电池电堆电压的转化。

下图是FCVCU的工作原理图。相比丰田强调的回收制动能量，本田的电电混合技术更加强调对功率的提升。本田通过FCVCU将燃料电池电压提升至500V，燃料电池可以和锂离子电池同时出力。在最高功率时，锂电池出力占整个系统的30%。

揣测本田的设计思路，就是通过电压的控制，增加锂电池对系统出力的比例，反向也能让燃料电池出力范围变化更加缓和。

（3）增程续航

市面上还有另外一种燃料电池和锂电池混合的电电混动技术：即燃料电池只为锂电池充电，锂电池单一驱动电机。我曾在展会上见过类似的应用。燃料电池在几个相对固定工况下工作，使控制难度进一步降低。但是这种纯粹以“增程”为目的的FCV应用，本质上是牺牲功率换取续航的做法。

总结一下电电混动的技术，简单说就是储能电池像一个蓄水池般不断地充放调整，以平衡系统的功率特性和容量特性。各家技术的区别，在于所配备“蓄水池”的大小不同。如果单从技术上来评价，丰田仅仅配备了2kWh的镍氢电池，在燃料电池管理技术上来说，最为先进。但也要从成本和寿命上综合考虑。