其次,宝马集团的投入也源于其自身较强的工程能力。利用好现有资源,无需抛开体系另起炉灶。就像宝马集团氢燃料电池技术及汽车项目负责人Dr.Juergen Guldner表示的那样:“宝马的战略是尽可能在动力总成系统上具有高度的灵活性。现有的架构是通用的,可以实现燃油车、柴油车、插电混合动力车和纯电汽车的共线生产,适应不断变化的客户需求”。
因此,在他看来氢燃料电池技术作为一项新技术起初成本预估虽然比较高,但未来会显著下降。“第一,这项技术本身原材料使用量少,未来的成本主要来自于制造环节。第二,很多燃料电池系统里使用的零部件,是现在内燃机系统已经在使用的,规模化生产会降低价格。比如在车辆上安装的传感器、空气压缩机、进气口、冷却系统等。第三,燃料电池技术可以用于多个应用场景,不仅是乘用车,还包括卡车、货车、飞机,技术相似零部件也非常相似。同样容易实现量产,实现规模经济效应,促使成本下降”。
按照这个说法,BMW iX5氢燃料电池车到底算一辆氢能直驱车型,还是一辆纯电衍生车型呢?借这个问题,接下来详细谈谈BMW iX5氢燃料电池这款车型。
1.氢内燃机与氢燃料电池两者关系?
正因为BMW“Hydrogen 7”氢内燃机车型声名在外,时至今日,仍有很多人将BMW iX5氢燃料电池车误解为带氢罐的燃气车。其实早在15年前宝马就已停止了氢动力内燃机项目,转为氢燃料电池的技术开发上来。这里面有两个原因。第一,氢气动力内燃机效率比燃料电池要低,同样容量的储氢罐,氢燃料电池车能够支持500公里续航里程,而氢内燃机车只能支持300公里。第二,氢燃料电池车能够采用通用的架构与纯电车型那般共线生产,易于今后规模量产。
举个例子,据外界报道宝马正在研发一种扁平而非圆柱形的新型储氢罐。目的很明确,希望能像电池模组那般布置在车身下方前后轴之间。不仅为座舱舒适性设计提供便利,也着实可以实现与纯电车型共线生产。当前的BMW iX5车型试点,其实也不难,是从燃油车的架构延续下来的,可以看到储氢罐处在车辆的中部,原来的变速箱差不多的位置。
2.氢罐安全吗?
氢气很轻易逃逸,且难转换液化。因此,氢气罐的压力一般要做到大气压的700倍。难以想象,这是常见普通液化气罐的18倍,医院的钢瓶高压氧气也只有150个大气压左右。可想而知,对于存储氢的罐体强度要求很高。另外,氢的渗透能力很强,可以通过罐体内壁,往外渗漏扩散,这就要求罐体材质要选用特别耐受的金属。但,氢还容易与一些金属发生反应,比如钛合金。虽然它在各种影视剧里当盾牌神乎其神,但它就是怕氢气,一旦和氢气结合之后,就会变脆,不堪一击;这也便是我们常说的“氢脆”现象。
为了越过这个技术卡点,Dr.Juergen Guldner就表示所有跟氢气发生接触的材料,宝马都会在材料实验室做测试,确保不会发生氢脆的现象。
而测试经理Dr. Timo Christ介绍地更为详细:BMW iX5氢燃料电池车储氢罐其实是碳纤维增强复合型材料,内层含有一层塑料,即便是要用到钢的材料也是用了实验室经过验证的不锈钢与其他的特种钢。目前,在已知范围内的氢燃料电池车的储氢罐大多数都用这种材料,也就是四类罐。最内层为高分子聚合物,中间层为碳纤维,外层为玻璃纤维,并且在中国市场就可以买得到。
这当然也预示了在氢能赛道,中国制造业的体系优势。另一方面也说明,我们从成本优势往“标准”优势上转型。
中国法规要求更加严苛一些,要求储氢罐最高承压中国的法规是正常压力的2.25倍(对比欧洲是2倍),也就是700巴的2.25倍。宝马未来当然要以满足更高的中国市场标准作为目标。
3.氢燃料怎么“燃”?
切勿望文生义,是氢气、氧气在电池包里燃烧。一句话,氢燃料电池工作过程根本不靠点燃,而是一个电化学过程。
其工作原理是给燃料电池的负极提供氢气,正极提供氧气,然后在正负极之间加一层膜。在催化剂(铂)的作用下,氢原子外层的电子会游离出来,变成电子+氢离子。而那层膜是很特殊的,只有氢离子可以通过,电子会被挡在膜外。由于氢离子实际上就是质子,所以那层膜也叫“质子交换膜”。相应来说,BMW iX5应称之为氢质子交换膜燃料电池车。
质子交换膜,一般由双极板与交换膜构成。不过,由于单一层膜左右两侧的压差比较小,通常只有0.5V-1.0V,因此需要将正负极夹着一层膜的结构叠加几百层,从而获得更高电压。这一堆叠上百个膜电极的结构,也就是“电堆”。
为了保证催化剂(铂)的活性,电堆工作温度一般在90摄氏度左右,这要比燃油发动机工作温度低很多。综合来看,结构简单,工作温度低,对比锂电池包的保养维修要容易得多。在这一过程中,化学能转化为电能的效率可以达到80%,比内燃机40%的效率高出一倍,确实潜力巨大。
4.驱动系统
在了解储气罐,燃料电池堆之后,再来看BMW iX5氢燃料电池车的工作原理,就容易多了。其实,这套BMW iX5氢燃料电池车独特的驱动系统有那么一点儿“增程”混动的意思。氢燃料电堆类似于内燃机,储氢罐相当于油箱,氢氧电化学反应发电相当于内燃机的“燃烧”发电。
但不同之处在于,通过氢燃料电堆产生的电能,直输电机驱动行驶。在此过程中,燃料电池也会为动力电池充电,但是动力电池容量比较小,紧急情况下例如储氢罐压力不足无法供气时,可以支持10-15km的纯电续航。那么,动力电池为什么不能做的更大一点呢?想来,宝马还是希望这款氢燃料电池车体现氢能方面更纯粹一些。由于燃料电池只能放电无法充电,制动过程回收的电和车辆怠速时“电堆”发出的电,都会储存在动力电池中。
燃料电堆可连续输出125千瓦(170马力)动力,但总输出功率为295千瓦(401马力)。这个疑惑不难解,BMW iX5氢燃料电池车独特的驱动系统集成了氢燃料电池技术与第五代BMW eDrive电力驱动技术,将电动机、减速器和控制器等集成一体。所以,燃料电堆与动力电池的输出电压虽不相同,但需要调节电压和功率分配的DC-DC转换器也都整合在一起。
当面对需要大扭矩澎湃动力的驾驶需求时,燃油电池系统与动力电池就会共同给电机输出电力进行驱动。因此,实际驾驶BMW iX5氢燃料电池车,扭矩需求与纯电车型其实无异,同样召之即来,来之到顶。
5.补能方便吗?
中国现有超过350座的加氢站,但还没有乘用车专属的补能氢站,事实上是一个主要用于商用车、卡车、货车,未来也可以用于乘用车的综合补能站。这也是和氢能当前整体发展客观匹配。毕竟即使采用太阳能制氢,再处理、压缩、运输,最后大约会有一半能量被浪费掉。氢能发展还没到摁下补贴加速器的时刻。
因此,只有等到压缩氢气、制造氢气的成本降低有了进一步工程突破,氢燃料规模化后选择管道运输,就有可能和充电站一样立刻铺开来。在这个问题上,作为工程化思维的宝马集团经过测算认为,同时新建补氢与补电站两种基础设施一体更经济,这也是他们对于氢能应用长期跟踪下来的判断。同样地,输送天然气的管道与船舶都可以稍加改装符合氢能源产业要求。尤其,宝马集团扎根中国,对中国工程基建狂魔有足够的信心。
另外,一个来自中国国情的问题,储氢罐能否发展快换模式?Dr.Juergen Guldner这样回答到:考虑到很多安全因素,暂时不会考虑提供快拆快换这项服务。因为储氢罐与管道,以及接口的连接要确保足够的安全性。即便是要拆换部件,也是需要氢气加注站的基础设施才能做到这一点。
最 后
对比来看,纯电动汽车已经是一个会走路的孩子了,而氢燃料电池汽车还是一个襁褓中的婴儿。宝马认为未来出行将并存不同驱动系统,而氢燃料电池汽车是电力驱动系统的一个重要补充。宝马优先将BMW iX5氢燃料电池优先带来中国市场,有着更为长远的布局考虑。