丰田不孤单 详解大众集团最新燃料电池技术

在与如火如荼的2014广州车展同期进行的2014洛杉矶车展之际，奥迪和大众品牌集体在新能源领域发力，一共拿来了三款氢燃料电池车——结构创新的插电式混合动力燃料电池汽车奥迪A7 Sportback h-tron quattro、高尔夫SportwagenHyMotion混合动力燃料电池汽车以及意外出现在展馆外面用来接送媒体的Passat HyMotion（跟高尔夫Sportwagen HyMotion驱动结构一模一样）。这明显是对丰田11月18日发布Mirai氢燃料电池车做出的赤裸裸的挑战啊！

奥迪A7 Sportback h-tron quattro

因为都是一个集团下的技术，所以三者用的氢燃料电池技术也是同宗同源，都采用了大众集团自主研发的第四代的100千瓦低温质子交换薄膜技术（PEM）的燃料电池堆栈。虽然目前还没有投放量产市场，但我们由此也能看到大众的燃料电池技术储备已经进入了第四代，并且第五代技术也已经在研发当中了。

Golf SportWagen HyMotion

从亮相的三款车来看，大众其实已经准备好将燃料电池技术应用在能够大批量销售的畅销车型上，而不是像丰田Mirai那样是个孤立的大家都不认识的新车型。大众集团负责燃料电池研发的乌尔里希·哈根伯格博士称燃料电池最大的劲敌实际上是长续航的纯点动车，目前还没发确定究竟那种技术更适合大规模普及。

Golf SportWagen HyMotion结构图

对于新能源的技术路线选择以及车型平台的选择，折射出大众集团的最明显的意图，那就是将模块化平台的潜力发挥到极致，比如大众用了MQB平台和奥迪用了MLB平台。这样设计的终极目标是实现大众集团高层理想的超级柔性生产——同一辆车在同一个生产线上能够生产处汽油型、柴油型、天然气型、插电式混合动力型、纯电动型以及最新的燃料电池型号。

关于燃料电池堆栈

燃料电池就叫电池呗，为什么后面还要跟一个“堆栈”呢？实际上大众的燃料电池是由300片相互独立的“电池”一个挨着一个组成的堆栈，类似多米诺骨牌一样排列。每一片都有一个独立的聚合物薄膜与两片的铂金催化剂板。在PEM燃料电池中，氢气被输往阳极，在那里裂解成质子和电子。质子通过薄膜结构与氧气产生化学反应结合成水蒸气，与此同时电子则被薄膜所隔离并通过阳极传到出去形成了电力，这便是燃料电池工作的基本原理。取决于能耗负载的不同，每一片电池都能产生0.6~0.8V的电压，整个电池堆栈就能一共输出约230~360V的电压。

奥迪A7 Sportback h-tron quattro解剖图

除了基本的结构之外，燃料电池堆栈还需要一个涡轮增压器来强制输送空气进入电池中、一个用来循环多余氢气以提高利用效率的风扇和一个冷却用的泵。这些组建都由电力驱动并且直接从燃料电池堆栈中取电。

奥迪A7-h-tron结构图

燃料电池组外部还有一个额外的冷却循环系统，用来冷却燃料电池。一个热交换器和一个自动调节的电加热器用来充当暖风系统。燃料电池工作温度在80摄氏度，对冷却系统要求比内燃机严格一些，但是能量利用效率却高达60%，是内燃机的两倍！冷启动性能也不错，可以保证在零下28摄氏度正常工作。

奥迪A7-h-tron结构图

奥迪对丰田Mirai的有力回应——A7 Sportback h-tron quattro

奥迪A7 Sportback h-tron quattro作为燃料电池插电式混合动力汽车（以下简称A7h-tron），名字听起来就已经非常复杂了，实际结构更复杂。它的发动机舱内布置了一个燃料电池堆栈，后备箱下面布置了8.8千瓦时的锂电池组，前后轴各布置了一个电动机，形成了前后双电机的类似特斯拉P85D的“四驱”结构。每个电机都有85千瓦的功率和270牛米的峰值扭矩，这样的组合搭配一共可提供170千瓦的功率输出，将燃料电池车的性能指标推到了一个准性能车级别。并且由于双电机无需机械传动的结构优势，quattro成了 e-quattro，扭矩输出控制电子无极调节，是传统机械结构根本无法实现的。

Audi-A7 Sportback h-tron quattro发动机舱

另外一个值得注意的是，燃料电池工作的唯一“废气”是纯净水蒸气，所以排气管也不用考虑耐高温或者耐腐蚀，直接用轻量化塑料管路就可以实现，减重不少。既然叫“混合动力”，A7 h-tron一定有很多的驱动模式可选，在全燃料电池模式下，行驶100公里大约需要1公斤的氢气，从能量角度来换算成汽油的话，大概是3.7升。而储氢罐在700个大气压下可以储存5公斤的氢气，所以理论上支持500公里的续航里程是很容易的。

奥迪A7 Sportback h-tron quattro

如果加上8.8千瓦时锂离子电池组的电力，还能额外增加的50公里纯电里程，而这个电池是可以通过动能回收和充电装插电来补充电量的，所以A7 h-tron被称为插电式混合动力燃料电池汽车。

加注氢气

氢气的加注也跟加油类似，加满氢气只需3分钟的时间，比纯电动车的充电时间快上数十倍。而这辆车只需7.9秒就能够完成静止到100公里/小时的加速，最高车速180公里/小时。另外一个值得注意的是为了在质量分布上做到一个平衡，当然还有其他结构性的考虑因素，奥迪A7 h-tron在后轴之前以及车身中央通道共设计了四个储氢罐（丰田Mirai设计了三个储氢罐）。为了保证高压下的安全，储氢罐采用铝合金外壳并在外围包裹一层碳纤维强化塑料的保护壳，跟宝马i3/i8的车身是同一种材料。

电动邦小结：

从2013年开始奥迪就启用了一个氢气工厂，通过风能发电来电解水，产生氢气和氧气。所以理论上氢燃料电池也能够做到像纯电动车那样，完全做到能源可再生并且零排放。另外一个更明显的优势是，加氢站的建设，可以通过加油站的技术升级改造来完成，所以理论上相比快速充电站的建设成本和技术可行性更合理。