Tecnologías clave para vehículos de pila de combustible
Después de tres generaciones de desarrollo, las baterías de los vehículos eléctricos han logrado grandes avances.
La primera generación es una batería de plomo-ácido y actualmente es principalmente una batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA). Debido a su alta energía específica, su bajo precio y su alta tasa de descarga, es la única batería para vehículos eléctricos que puede producirse en masa.
La segunda generación son las pilas alcalinas, que incluyen principalmente baterías de níquel-cadmio, níquel-hidrógeno, sodio-azufre, iones de litio y polímero de litio. Su energía específica y potencia específica son superiores a las del plomo. -Baterías de ácido, mejorando así enormemente. Los vehículos eléctricos tienen mejor rendimiento energético y autonomía de conducción, pero su precio es más alto que el de las baterías de plomo-ácido.
La tercera generación es una batería basada en pilas de combustible, que convierte directamente la energía química del combustible en energía eléctrica. Tiene una alta eficiencia de conversión de energía, alta energía específica y potencia específica, y puede controlar la reacción. El proceso y el proceso de conversión de energía se pueden llevar a cabo de forma continua y es una batería de automóvil ideal. Algunas tecnologías clave aún no se han avanzado.
La pila de combustible muy utilizada en los vehículos eléctricos es una pila de combustible llamada membrana de intercambio de protones (PEMFC), que utiliza hidrógeno puro como combustible y aire como oxidante. No pasa por el proceso del motor térmico y no está sujeto a restricciones del ciclo térmico, por lo que su eficiencia de conversión de energía es alta, de 2 a 3 veces mayor que la de los motores de combustión interna ordinarios. Al mismo tiempo, también tiene las características de bajo nivel de ruido, ausencia de contaminación, larga vida útil, arranque rápido, alta potencia específica y potencia de salida ajustable en cualquier momento, lo que hace que PEMFC sea muy adecuado para su uso como fuente de energía para vehículos. Estados Unidos y Canadá son las principales regiones para la investigación y el desarrollo y la demostración de pilas de combustible. Con el apoyo del Departamento de Energía (DOE), el Departamento de Transporte (DOT) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE. UU., la tecnología de pilas de combustible ha logrado grandes avances. General Motors, Ford Motor, Toyota, Daimler-Benz, Nissan, Hyundai y otras empresas de vehículos han participado en la operación de demostración de tecnología de vehículos de pila de combustible en California. También impulsó el programa de carriles de proyectos lanzado por General Motors en Estados Unidos en el otoño de 2007, como UTC (United Technologies Corporation) en Estados Unidos y Ballad (Pingshu) en Canadá, para poner en funcionamiento 65.438.000 vehículos Chevrolet Equinox de pila de combustible. las manos de los consumidores. En 2009, el kilometraje total alcanzó los 65.438,6 millones de kilómetros. Ese mismo año, General Motors anunció el desarrollo de una nueva generación de sistemas de pilas de combustible de hidrógeno. En comparación con el sistema de pila de combustible del vehículo de pila de combustible Chevrolet Equinox, la pila de combustible de hidrógeno de nueva generación tiene la mitad de tamaño, es 100 kg más ligera y consume sólo 1/3 del consumo de platino original. El consumo de platino de la nueva generación de vehículos de pila de combustible de GM se ha reducido a 30 g. Según el precio actual del mercado internacional, el consumo de platino es de 300 a 400 yuanes/g. El coste del platino de una pila de combustible de 1.000 kW es de unos 10.000 yuanes. , lo que reduce en gran medida el coste de la pila de combustible. Se espera que para 2017, el consumo de platino de un motor de pila de combustible de 100 kW disminuya a 10-15 g, alcanzando el nivel de consumo de platino de un convertidor catalítico tradicional de tres vías en un motor de gasolina.
En 2006, Estados Unidos lanzó el Programa Nacional de Autobuses Urbanos de Pila de Combustible (NFCBP) y llevó a cabo un extenso trabajo de investigación, desarrollo y demostración de vehículos. En 2011, la vida útil de los autobuses híbridos de pila de combustible en los Estados Unidos superó las 1,10000 horas, y Estados Unidos también llevó a cabo una demostración a gran escala de carretillas elevadoras híbridas de pila de combustible. En 2011, había aproximadamente 3.000 carretillas elevadoras de pila de combustible en los Estados Unidos, con una vida útil de 12.500 h. Las carretillas elevadoras de pila de combustible se utilizan en espacios interiores y tienen las ventajas de un bajo nivel de ruido y cero emisiones. El plan europeo de demostración de autobuses con pila de combustible ha completado el Sexto Plan Marco (2002-2006) y el Séptimo Plan Marco (2007-2012), con el objetivo de superar algunas dificultades técnicas clave en el desarrollo de las pilas de combustible y la energía del hidrógeno.
En Cute (Transporte Urbano Limpio en Europa), con el apoyo de Transporte Urbano Limpio en Europa y otros proyectos relacionados de la UE, las ciudades han llevado a cabo operaciones de demostración de autobuses de pila de combustible, y este año está en marcha un nuevo plan CHIC (Hidrógeno Limpio en Ciudades Europeas). ha sido implementado. Incluyendo Ámsterdam, Barcelona, Hamburgo, Londres, Luxemburgo, Madrid, Oporto, Estocolmo, Stuttgart, Islandia y Perth, Australia, la Iniciativa de Energía para el Transporte Sostenible, Europa ha logrado grandes avances en la confiabilidad y el control de costos de los vehículos de pila de combustible.
En Alemania, en junio de 2012, las principales empresas automotrices y energéticas y el gobierno se comprometieron a establecer una extensa red nacional de abastecimiento de hidrógeno y apoyaron el desarrollo de un plan de incentivos para construir 50 estaciones de abastecimiento de hidrógeno en todo el país para 2015. Hidrógeno Las estaciones de servicio brindan servicios de hidrógeno a 5.000 vehículos de pila de combustible en todo el país [7]. Daimler-Benz celebró una exposición mundial de vehículos de pila de combustible en 2011, lo que demuestra que el rendimiento de los vehículos de pila de combustible ha alcanzado el rendimiento de los vehículos tradicionales y tiene la capacidad de promocionarse en la industria. El Grupo Daimler participa en el proyecto "Hyfleet: Cute (2003-2009)". 36 autobuses Mercedes-Benz Citaro de pila de combustible han sido operados por 20 operadores de transporte, con más de 6.543.804 horas de funcionamiento y un kilometraje de más de 2,2 millones de kilómetros. Sin embargo, la primera generación de autobuses de pila de combustible pura tiene una vida útil de sólo 2.000 horas y es poco económica. En 2009, el Grupo Daimler comenzó a lanzar el autobús de pila de combustible de segunda generación impulsado por motores de ruedas. Su rendimiento principal ha alcanzado el nivel avanzado internacional, su economía ha mejorado considerablemente y la durabilidad de su pila de combustible ha alcanzado 65.438 02.000 h. /p >
La pila de combustible desarrollada por Siemens de Alemania se ha utilizado con éxito en el submarino alemán Tipo 214 (tipo hidrógeno-oxígeno) [11]. En 2007, Daimler-Benz de Alemania, Ford Motor Company de Estados Unidos y Ballard Corporation de Canadá establecieron conjuntamente AFCC (Automotive Fuel Cell Cooperación) para desarrollar y promover pilas de combustible para automóviles. A principios de 2013, BMW decidió cooperar con Toyota Motor Corporation, que ocupaba el primer lugar en tecnología de pilas de combustible. Toyota proporcionó tecnología de pilas de combustible a BMW. Desde una perspectiva global, Japón y Corea del Sur lideran el mundo en investigación y desarrollo de pilas de combustible, especialmente Toyota, Nissan y Hyundai Motor Company, que están superando gradualmente a Estados Unidos y Europa en términos de durabilidad, vida útil y coste de los vehículos de pila de combustible. La versión 2008 de Toyota del FCHV-Adv arrancó exitosamente a -37°C en pruebas reales. El kilometraje de un viaje de hidrogenación alcanza los 830 km y el consumo de hidrógeno por unidad de kilometraje es de 0,7 kg/(100 km), lo que equivale a 3 L/(100 km) de gasolina, como se muestra en la Figura 3 [12]. En octubre de 2013, Toyota exhibió en el 43º Salón del Automóvil de Tokio un concept car de pila de combustible cuyo lanzamiento al mercado está previsto para 2015. Como tecnología central, la pila de combustible ha alcanzado la densidad de potencia más alta del mundo de 3 kW/L en ese momento. La pila de celda de combustible elimina el módulo de humidificación, lo que no solo reduce el costo, el peso y el volumen del vehículo, sino que también reduce la capacidad calorífica de la celda de combustible, lo que es beneficioso para la baja temperatura y el rápido arranque en frío de la celda de combustible. Como se muestra en la Figura 5, es el FCHV-Adv de Toyota.
En la actualidad, Toyota Motor Corporation se está preparando para la industrialización de los vehículos de pila de combustible al tiempo que expande los vehículos híbridos, y planea lanzar una nueva generación de vehículos de pila de combustible para su producción en masa en 2015. 2016 Producción de autobuses de pila de combustible de nueva generación (en cooperación con Hino). Al igual que Toyota Motor Corp., Nissan Motor Co. ha invertido mucho en investigación y desarrollo de pilas de combustible y vehículos. En 2011, la pila de combustible de Nissan tenía una potencia de 90 kW y una masa de sólo 43 kg. En 2012, la densidad de potencia de la pila desarrollada por Nissan Motor Company alcanzó 2,5 kW/L, el nivel más alto del mundo en ese momento [65438] Además, el vehículo de pila de combustible FCX Clarity recientemente desarrollado por Honda puede arrancar suavemente a -30° C y tiene una autonomía de 620 km [ 15]. En 2014, Honda anunció una nueva generación de pila de combustible con una densidad de potencia de 3 kW/L. Hyundai de Corea del Sur comenzó a desarrollar vehículos de pila de combustible en 2002.
En 2005, ensambló 32 vehículos utilitarios deportivos (SUV) utilizando la pila de Ballard. En 2006, se lanzó la primera generación de pila desarrollada de forma independiente y se ensamblaron 30 SUV y 4 autobuses para operaciones de demostración. Durante el período 2009-2012 se desarrolló un reactor de segunda generación y se ensamblaron 100 SUV. En China comenzaron las demostraciones y pruebas que mejoraron el rendimiento del reactor. En 2012, se lanzó la tercera generación de SUV y autobuses de pila de combustible y comenzaron las demostraciones a nivel mundial. En 2013, Hyundai anunció que pondría en producción un SUV de pila de combustible (Hyundai ix35) dos años antes de lo previsto, convirtiéndose en el primero del mundo. mundo en entrar en la etapa de producción a pequeña escala de pilas de combustible. El SUV utiliza una pila de combustible de 100 kW, una batería de iones de litio de 24 kW, un motor de 100 kW y una botella de hidrógeno de 70 MPa que puede almacenar 5,6 kg de hidrógeno en las condiciones del nuevo ciclo de conducción europeo (NEDC). La autonomía de conducción es de 588 km y la velocidad máxima es de 160 km/h. Con el apoyo del proyecto nacional de alta tecnología "863", el importante proyecto de ciencia y tecnología de vehículos eléctricos "Décimo Plan Quinquenal" y el importante proyecto de vehículos de nueva energía y ahorro de energía "XI Plan Quinquenal", a través del Con los esfuerzos del equipo conjunto de I + D de la industria, la universidad y la investigación, mi país ha logrado grandes avances en la tecnología de vehículos de pila de combustible. Se han logrado grandes avances en investigación y desarrollo, y las tecnologías centrales de vehículos completos, sistemas de energía y componentes centrales se han logrado inicialmente. dominado. Se ha establecido básicamente la plataforma tecnológica de sistemas de energía para vehículos de pila de combustible y autobuses urbanos de pila de combustible con derechos de propiedad intelectual independientes, y respalda la investigación y el desarrollo de componentes clave como motores de pila de combustible, baterías eléctricas, convertidores CC/CC, motores de propulsión y Inicialmente se formaron sistemas de suministro de hidrógeno, logrando un sistema de energía y una capacidad de producción de 100 vehículos. Los vehículos de pila de combustible de China se encuentran en la etapa de comercialización, demostración, operación, evaluación y aplicación. Se han utilizado en la báscula de vehículos de pila de combustible de los Juegos Olímpicos de Beijing, la báscula de vehículos de pila de combustible de la Exposición Mundial de Shanghai y la báscula de vehículos de pila de combustible del PNUD (Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo). demostración de autobuses urbanos, las aplicaciones de demostración "Diez ciudades diez mil años" como "Vehículo", los Juegos Asiáticos de Guangzhou y la Universiada de Shenzhen han logrado buenos beneficios sociales. Los vehículos de pila de combustible de China adoptan una solución tecnológica única de plataforma de sistema de energía "híbrido eléctrico-eléctrico", que tiene "adaptación del vehículo de plataforma de sistema de energía, control de energía de energía híbrida eléctrica-eléctrica, sistema de almacenamiento de hidrógeno de alto voltaje a bordo y by- Características técnicas del producto "purificación y utilización del hidrógeno". El sistema de energía de la nueva generación de vehículos de pila de combustible en el "XI Plan Quinquenal" se basa en la investigación y el desarrollo del "XI Plan Quinquenal" y, combinado con cambios en las plataformas de los vehículos, adopta un sistema de energía plano. Diseño El subsistema de hidrógeno, el subsistema de aire y el sistema de refrigeración adoptan un diseño modular y descentralizado, lo que aumenta la flexibilidad del sistema de energía y del vehículo, y mejora significativamente el rendimiento ergonómico del vehículo. Al mismo tiempo, la unidad de control del sistema de energía que integra convertidores CC/CC, controladores CC/CA, acondicionadores de aire eléctricos, convertidores de bajo voltaje y otros componentes de energía se ha optimizado para mejorar el grado de modularidad y facilitar el procesamiento centralizado de compatibilidad electromagnética y disipación de calor del sistema y problemas de seguridad eléctrica, lo que refleja la electrificación.
La dirección del diseño integrado de sistemas de energía para automóviles. En comparación con el sistema de energía del vehículo de pila de combustible del "Décimo Plan Quinquenal", el rendimiento del sistema de energía de nueva generación se ha optimizado y mejorado aún más. Se refleja principalmente en: la potencia del motor de pila de combustible aumentó de 40 kW a 55 kW; la capacidad de la batería se redujo de 48 kWh a 26 kWh; la potencia del motor aumentó de 60 kW a 90 kW; la potencia del controlador del motor (CC/CA) aumentó en 35; La potencia específica aumentó en 12,5. Al mismo tiempo, el sistema eléctrico sigue manteniendo sus ventajas técnicas en materia de economía de combustible. Partiendo de la premisa de que el peso en vacío del vehículo ha aumentado en casi 250 kg, el rendimiento energético del vehículo ha mejorado significativamente, pero la economía de combustible ha sido pobre.
Mantiene el nivel original de 1,2 kg/(100 km). El proyecto nacional de alta tecnología “863” de China continúa apoyando la investigación y el desarrollo de vehículos de pila de combustible. Durante el período del "Duodécimo Plan Quinquenal", con el fin de mantener las alturas tecnológicas de los vehículos eléctricos de mi país, continuaremos apoyando los vehículos de pila de combustible. Desde una perspectiva industrial, incluso durante el auge mundial de la industrialización de los vehículos de pila de combustible durante el período del "Décimo Plan Quinquenal", la industria automovilística china no realizó inversiones a gran escala en vehículos de pila de combustible. Después de entrar en el "Duodécimo Plan Quinquenal", SAIC formuló un plan quinquenal para el desarrollo de vehículos de pila de combustible con Xinyuan Electric Power como proveedor de pilas de combustible, SAIC comenzó a invertir mucho dinero en investigación y desarrollo. Desarrollo de vehículos de pila de combustible.
Actualmente, FCV está desarrollando vehículos de pila de combustible de tercera generación. En el Bibby Derby de 2011, el FCV desarrollado por SAIC ocupó el tercer lugar en la categoría de vehículos de pila de combustible.
La Universidad de Tongji ha llevado a cabo la investigación y el desarrollo de vehículos de pila de combustible de múltiples ruedas, y los vehículos de pila de combustible desarrollados se han puesto en operaciones de demostración a gran escala en los Juegos Olímpicos y la Exposición Mundial. Durante el período del "Duodécimo Plan Quinquenal", la Universidad de Tongji integrará vehículos de pila de combustible para China FAW Group, Dongfeng Motor Corporation, Chery Automobile Co., Ltd. y China Changan Automobile Group Co., Ltd., y la tecnología de Vehículos híbridos de pila de combustible típicos en condiciones de funcionamiento cíclico en ciudades chinas. Los parámetros se muestran en la Tabla 6.