燃料电池汽车轻量化“法门”

汽车轻量化，是指在保证汽车强度、刚度和安全性能的前提下，尽可能降低整车装备质量，从而提高动力，减少燃料消耗，增加经济性。轻量化同样适用于燃料电池汽车。

“对燃料电池汽车来说，尤其是中重载车辆，整车重量大，载货量就少，车辆的经济性就会降低。车辆的轻量化也是燃料电池未来发展主攻的方向。”三一重工氢燃料产品规划院院长宛朝辉在2021高工氢电年会上表示。

目前在国内整个燃料电池汽车产业链中着力推进燃料电池产品、进而推动燃料电池汽车轻量化的企业不在少数，且归纳来看普遍从四个方面入手：车载供氢系统轻量化、燃料电池发动机轻量化、燃料电池车辆底盘轻量化，以及通过研究与应用轻质材料实现轻量化。

燃料电池汽车轻量化意味着什么？

对燃料电池汽车实施轻量化，国内已经有多家研究机构及车企展开相应研究。典型事例有：今年1月，浙江清华长三角军民协同创新研究院组织开发的国内首台碳纤维复材轻量化氢能城市客车在浙江海盐正式发布。该车通过碳纤维复材车身的正向设计和其他系统优化配置，实现了车辆实测10吨，比其他同型车辆减重超过2.5吨，大大节约百公里氢耗。

三一重工日前发布的氢燃料牵引车，采用轻量化技术，牵引车重10.7T，比同类产品轻3%以上。其他车企，如飞驰科技、吉利汽车、一汽大客、大运汽车、长城汽车、申龙客车等，也均公开表示在推进车辆的轻量化设计。

对燃油车来说，采用轻量化技术能使汽车兼具高效动力和杰出的燃油经济性；对电动汽车来说，采用轻量化技术对增加续航里程有很大帮助。对燃料电池来说，采用轻量化技术又意味着什么，是否必须推进？

一方面，轻量化可使车辆的运载力更强劲，提升车辆的经济效应。“以燃料电池重卡为例，我们跟有些钢厂交流过，钢卷按燃料电池车的载重量，按法规来说只能拉两卷，如果用柴油的话可以拉三卷，按照一趟少一卷算，一年下来这个经济效益的差别就非常大了。国家示范推广燃料电池车辆，这种经济性上的差别是一定要从技术上克服的。”一家整车企业相关人士如是表示，轻量化能够提高车辆运载能力，提升车辆的经济性。

另一方面，当前在燃料电池车辆的使用上，地方每公斤氢气的使用成本普遍高于传统燃油车及电动汽车的燃料动力费，同时加氢的便利性也还有待完善。推进燃料电池汽车轻量化，能够减少氢气的用量，节约使用成本。同样的加氢量，轻量化技术可以使车辆的续航里程更远。

燃料电池汽车的轻量化，既是把控整车重量的技术革新，也是提高燃料电池汽车经济性、推进燃料电池汽车规模化的必经之路。

四方面着手燃料电池车辆轻量化

整车重量对车辆的运载力、续航里程、适用性等有重要的影响。燃料电池汽车对轻量化也有需求。目前业界普遍在从发动机、车载供氢系统、底盘开发、轻质材料应用等4个路径推进燃料电池汽车的轻量化。

1、追求燃料电池发动机小型化：燃料电池发动机是燃料电池汽车的“心脏”。车辆轻量化绕不开燃料电池发动机的“瘦身”。目前，业界燃料电池企业普遍在考虑通过“小型化”来达到轻量化的效果。

“这个小型化具体指大功率、小体积。大功率指提高电堆的体积功率密度，如果体积功率密度提升了，同样的总功率情况下，使用的零部件就会少。”一位燃料电池企业研发工作人员告诉高工氢电，当前行业企业电堆的体积功率密度2.5-5kW/L，日本NEDO提出到2040年的目标是将电堆的体积功率密度达到9kW/L，现在日本丰田，包括国内企业都在向这个目标冲刺。

而小体积，则指随着系统开发的深入，企业会对很多功能器件进行重叠整合，通过集成化达到缩小系统体积的目的。比如雄韬氢雄联合权威科研机构倾力打造国内顶尖的燃料电池一体化控制器产品、福瑞电器目前推出的高压集成功率控制器PCU均能起到这个所用。其中福瑞电器的高压集成功率控制器PCU，由于集成部件减少了壳体、电气部件、连接器及线束等部件的使用量，使系统体积减少20%，重量降低超过15%。

2、车载供氢系统方面：从车载供氢系统角度推进车辆轻量化的企业也不在少数。目前国内车载储氢系统主要采用基于金属内胆III型瓶的高压气态储氢，这种储氢瓶重量大而且占用空间，对拉货有很大影响；而70MPa塑料内胆Ⅳ型瓶，储氢密度最大，可长时间储存，并且重量要轻。为推进氢能重卡的轻量化，已经有企业明确提出从搭载70MPa塑料内胆Ⅳ型瓶入手。

同时在车载供氢系统的设计上，目前市场上已有企业十堰东峻提出推出侧挂式储氢系统，该系统采用轻量化设计、全系统重量仅1000kg(双侧挂2*2*320L配置），比同类产品离地间隙更高，通过性更好；可使车辆上装节省1.5米轴向空间，增加约9m3载货容积；同时降低整车重心，车辆更安全、更稳定。

3、燃料电池车辆底盘轻量化：当前，国内外燃料电池汽车目前主要还是传统底盘，智能化程度较低，同时设计对燃料电池汽车来说有不合理的地方。三一重工计划从开发燃料电池汽车的专用底盘出发，推进车辆的轻量化。具体包括实现驱动电机的变革，将圆线电机变成扁线电机，使体积更小、成本更低；将驱动方式由集中式向分布式调整，简化驱动系统，使动力性加强，经济性更高，续航里程更长等。

“Nikola Two的底盘就是针对燃料电池专门设计的。国内整车企业也只有这样，才有可能把重量降下来。燃料电池汽车不是拿来炫酷的产品，是用来挣钱的产品。”宛朝辉表示。

4、推进轻质材料的研究与应用。燃料电池汽车的轻量化还涉及材料的选择、材料结构的优化。浙江海盐正式发布的国内首台碳纤维复材轻量化氢能城市客车，车厢采用的碳纤维复合材料技术，具有“更节能、更经济、更安全、更舒适、长寿命、不腐蚀”六大优势，比金属材料整车强度提高约10%，重量减轻约30%。

碳纤维复材具有高性能强度、耐磨、隔热和耐腐蚀等优点，车身采用这一材料可实现车身的轻量化。宝马BMWi3是最先将碳纤维复材应用在车身上的车型，整车质量降为1.25吨。2021年，特斯拉Roadster电动派车，采用碳纤维复材车身后，整车重量只有920公斤，与使用其他轻量化材料的汽车相比，质量更轻、加速性能、操作性能和环保性更好。

现在这一材料应用于燃料电池汽车，说明国内燃料电池整车企业在探索轻量化上已经迈出重要一步。