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从拓荒者到退出市场竞争,回顾奔驰30年燃料电池汽车研发历程

2020-08-19 17:19:48分类:新车评测 阅读: 722
导读:本文是由江苏省扬中市网友投稿,经过编辑发布关于"从拓荒者到退出市场竞争,回顾奔驰30年燃料电池汽车研发历程"的内容介绍。

燃料电池乘用车领域里日韩品牌如日中天,欧洲的车企巨头们仅有一款奔驰的GLC FC作为门面,颇为寒碜。实际上,奔驰这位内燃机汽车的发明者在燃料电池汽车领域同样一马当先,并为之倾注了30年的心血。

早在1988年,戴姆勒工程师就提出使用在航空航天上的PEMFC应用到汽车上,1991年进入实践阶段,并在短短3年时间里开发出第一台真正意义上的PEM燃料电池汽车。时任戴姆勒-奔驰集团技术研究主任的赫默特·韦乐自豪地提出:“我们处在一个新纪元的最前头,可以与戴姆勒和卡尔·本茨制造的第一辆以内燃发动机为动力的车辆的时代相比。”

对比本田、丰田及现代等车企,在30年的燃料电池汽车研发过程中,奔驰实现了PEM燃料电池汽车从0到1的突破,进行了多样化的探索:快速地实现了“运堆”到“运人”,验证了技术可行性,为行业指明了方向;不局限于一类汽车,在轿车、SUV、大巴、货车上都进行了尝试;从气态氢、甲醇重整到液氢,尝试了多种氢气存储的方案。这显示了“汽车发明者”的雄厚实力与行业担当,也显示了在新技术路线的探索上,奔驰并没有像日韩企业一样快速抓住技术发展重点方向并全力以赴地推进技术发展。

由于种种原因,奔驰中止了燃料电池乘用车项目的开发,商用车项目则选择与沃尔沃合作进行。奔驰从燃料电池领域的拓荒者、引领者,到被边缘化甚至暂时退出市场竞争,其过程令人深思。

中国燃料电池汽车产业现阶段主要以商用车为主,燃料电池乘用车仍处于探索阶段。在技术进一步发展、基础设施进一步完善后,中国将很可能迅速成为全球最大的燃料电池乘用车市场。除了日本丰田与韩国现代之外,奔驰的燃料电池汽车发展历史同样值得借鉴,甚至能够为中国纯电动汽车产业的发展提供参考:在缺乏参考对象之时,应如何探索一个陌生的领域,并避免被后来者边缘化甚至淘汰?

1、1994年:NECAR1,起点

1994年4月13日,戴姆勒-奔驰公司邀请国际媒体来到位于德国乌尔姆的新研究中心,并向记者们展示了奔驰首款为日常使用设计的燃料电池的汽车——NECAR。

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图1 NECAR1

NECAR 1基于梅赛德斯·奔驰MB 100面包车打造,在发布之前已经行驶了数千公里。

这辆车更像是一个移动实验室,而非适合日常使用的汽车。燃料电池系统由巴拉德的十二个燃料电池堆栈组成,输出为50kW,总重量达到了800KG,这个数字在现在看来是难以想象的。储氢罐、电子控制装置、压缩机、冷却系统,再加上许多测量仪器,充满了整个货厢,几乎没有其他多余的空间——这与我国燃料电池汽车起步时期一模一样。

储氢罐以30MPa的压力容纳150升的压缩气体,能够提供130公里的续航。电动机的功率为30kW,使NECAR 1的最高时速为90km/h。

这是PEM燃料电池汽车的第一次实践,由“汽车发明者”践行确实独有一番意味。1991到1994年3年间实现从0到1的突破,实属难能可贵。

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图2 NECAR 1

2、1996年:NECAR2,进步明显,轰动世界

1996年5月14日,戴姆勒-奔驰向公众展示了世界上第一台带有燃料电池驱动的乘用车NECAR2。NECAR2使用了V级轿车作为平台,并搭载了45 kW 的电动机和50KW的燃料电池系统。

该车对比NECAR1有了明显的进步。

电堆方面,NECAR 2中的燃料电池系统在尺寸和体积上都减小了。两个由150个单体组成的电堆替代了NECAR 1的12个电堆,仅重约270千克,是先前产品的三分之一,同时保持了一样的输出功率。

在储氢罐方面,两个140升的氢气罐位于车顶,将整车的续航里程扩大到250公里,同时提供了6个乘员的空间——对比NECAR 1狭窄的空间有了巨大的进步。同时,该车的最高时速能够达到110公里/小时。

NECAR 2的展示引起了全世界的轰动。《纽约时报》称NECAR 2是“零排放驾驶的突破 ”。路透社称其为“对于戴姆勒和巴拉德而言是巨大的进步,戴姆勒和巴拉德在不牺牲功率的情况下将电池减少到其原始质量的不到五分之一。”

有评论认为,“ 戴姆勒宣布的燃料电池时间表是比美国能源部计划至少提前四年。”

NECAR 2显示了奔驰强大的研发实力,在短短两年间实现了从实验室到工程产品的巨大跨越,实现了从“运堆”到“运人”的跨越,验证了燃料电池汽车的技术可行性和可用性,引领了新能源汽车技术的发展。

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图3 NECAR 2

3、1997年:NECAR 3,甲醇重整

1997年9月10日,NECAR 3在法兰克福车展亮相。该车基于A class轿车平台设计,是世界上第一款车载甲醇重整制氢燃料电池汽车。

NECAR 3的重整器具有实验室模型的特征。它在后排乘客车厢中需要大量空间。燃料电池系统的“其余部分”已经在“地板下”工作。当踩下油门踏板时,系统能够在两秒钟内提供其最大输出的90%,这是一种具有内燃机汽车动力体验的燃料电池汽车。

与NECAR 2中一样,在NECAR 3中,两个具有150个单体电池的电堆产生50千瓦的输出。它们在大约80°C的温度下工作,运行过程中产生的水被再利用以将甲醇重整为氢。

装满38升甲醇的油箱可轻松行驶300公里,在限速设计之下,功率为45kW的电动机为车辆提供了120km/h的最高时速。

NECAR 3显示了奔驰在遭遇储氢技术瓶颈后的思考与尝试,并显示了其付诸实践的能力。

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图4 NECAR 3

4、1997 年:商用车NEBUS O 405 N,大巴上线

1997年5月26日,戴姆勒-奔驰在斯图加特展出了NEBUS(新电动公共汽车)。它是戴姆勒-奔驰研究院,EvoBus GmbH,无排放商用车辆能力中心(KEN)合作的产物。

经德国技术检验协会许可的实用巴士宽2.50米,高3.50米,长12米,重量为14吨,可容纳34位坐着和24位站立的乘客。

NEBUS一次加氢的续航里程为250公里,足以应付常规服务公交车使用场景。其最高时速约为80 km / h。

NEBUS后部装有10个带有150个燃料电池的堆,总输出功率为250千瓦。车顶装有7个30MPa的三星储氢罐,储氢量达21千克。

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图5 NEBUS

5、1999年:NECAR4,实现车载液氢

NECAR 4也基于梅赛德斯-奔驰A级,于1999年3月17日在华盛顿特区展出。

NECAR 4中的两个燃料电池电堆分别由160个单体电池组成,总输出功率达到70KW。它们仅有手提箱大小,布置在了A级车的地板之下。

值得一提的是,NECAR 4使用了液氢的存储方式。液氢储罐位于车辆后部,其容量为100升。为了保持极低的温度,它由两个钢制罐体组成,因此看起来就像一个超大的保温瓶。由于燃料电池需要气态氢才能运行,因此冰冷的液态必须变成气态:通过两个集成到水箱中加热元件确保在车辆启动时立即为电堆提供氢气,并允许它们立即工作。

在使用了液氢后,NECAR 4最高时速达到了145km/h,续航里程更是达到了450km,并可提供容纳五名乘客和行李的空间。

当时的评价认为,具有更先进技术和更优化空间结构设计的 NECAR 4是戴姆勒朝燃料电池车系列化生产迈出的决定性一步从 2000 年开始,。NECAR 4在加利福尼亚州用于实际测试,15 支车队在日常条件下对其进行了密集的野外和日常驾驶测试。

1999年,丰田、本田、现代的燃料电池实验车刚刚下线,而奔驰已经实现了液氢上车的尝试。奔驰在燃料电池汽车技术上的发展不可谓不快。

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图6 NECAR 4

6、2000 年:NECAR4a,实现单堆车载燃料电池系统

NECAR 4a版本用于实际测试。NECAR 4a于2000年11月1日投放市场,已具备小批量生产的能力,为相同设计的A-class汽车量产计划奠定了基础。

与1999年推出的NECAR 4相比,“ California” NECAR 4使用压缩氢气运行,它还达到了145 km / h(90 mph)的最高时速

该车型的燃料电池更为紧凑,仅由一个输出功率为75kw的Ballard Mark 900堆栈构成,其体积可以减少一半,重量也可以减少1/3。地板下的三个体积为140升的氢气罐被加压至35MPa,大约两千克的氢气足以满足200公里的续航。

7、2000年:NECAR5,达到了生产的里程碑

NECAR 5实际上是是继NECAR 4a之后的NECAR概念车系列中的第六版,于2000年11月7日在柏林会议上推出。

NECAR 5是NECAR 3的成熟后继者,采用了甲醇重整的方式。

NECAR 3使用了非常庞大的重整器,奔驰仅用了三年的时间就将其尺寸减半,并且重量大大减轻。因此,NECAR 5首次在奔驰A-class上安装了包括重整炉在内的整个燃料电池系统,并且不侵占乘客及其行李空间。其最高时速超过145公里/小时,并且由于使用了45升的燃料箱,其续航能够达到400KM。

与NECAR 4a一样,NECAR 5使用了75KW单电堆燃料电池系统,并与加湿器、电子设备等安装在尺寸紧凑(80 x 40 x 25厘米)的抗振动和冲击容器中。由于采用了新开发的乙二醇冷却剂,该驱动系统具有防霜性能,即使在冰冷的冬季也可以启动。与柴油发动机类似,该系统在达到工作温度之前需要预热一段时间。

此时,奔驰的燃料电池乘用车在技术发展方向和几个关键的技术参数上与20年后仍没有明显区别,甚至在储氢方面仍有所超前,并解决了一系列关键性问题,足以显示奔驰在燃料电池汽车技术上的先进性。

8、2001年:Sprinter,货车上线

2001年7月26日,奔驰推出了世界上第一台燃料电池驱动系统的货车Sprinter。

Sprinter配备了75 kW / 102 hp电动机,电力由单电堆的燃料电池系统提供。最高时速约为120 km / h。

测试的计划时间是两年,但在运行的前十二个月中,已经确认了人们对燃料电池货车的期望:这辆货车行驶了16000多公里,没有发生严重的故障。

值得一提的是,2018年,奔驰还对这款燃料电池货车进行了“翻新”。

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图7 Sprinter

9、2002年:A class F-cell,证明自我,实现小批量投产

2002年10月,戴姆勒·克莱斯勒(DaimlerChrysler)展示了A class F-cell,并宣布将生产60辆小型汽车。从2003年开始,在政府补贴的国际合作企业框架内,在欧洲,美国,日本和新加坡的小规模客户的日常运营中进行了测试。

2004年11月下旬,在西班牙巴塞罗那附近的Idiada的试车场上,A class F-cell持续行驶了24小时,这是燃料电池汽车首次实现在耐力测试的自我证明。该车以大约120 km / h的平均速度行驶了将近8500公里的路程。

10、2002年 :Citaro,燃料电池客车更新

Citaro燃料电池客车是NEBUS的继任者。它的航程约为200公里,根据设备的不同,最多可容纳70名乘客。该车搭载了输出功率超过200 kW的燃料电池模块,30MPa的储氢罐同样安装在车顶上。该公共汽车的最高时速达到了80 km / h(50 mph)。

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图8 Citaro

11、2005年:奔驰F600系列,开启概念车之旅

2005年10月的东京车展上,梅赛德斯-奔驰推出了F 600 HYGENIUS汽车。

工程师们将燃料电池的尺寸减少了约40%——这是通过新开发的燃料电池堆,电动涡轮增压器和新的加湿和除湿系统实现的——并实现了86 kW峰值输出,最大扭矩为350牛米。在250牛顿米的扭矩下,燃料电池驱动器的连续输出为60 kW,能源消耗相当于每100公里2.9升柴油。

必要时,F 600 HYGENIUS还可以用作移动发电机:其66 kW的电力输出足以为多栋独立房屋供电。

奔驰在燃料电池汽车方面保持了想象力,却在实践上被丰田、本田等逐渐赶超。此时的奔驰在燃料电池汽车技术上,已经没有了此前绝对领先的态势。

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图9 F600r

12、2009 BlueZero F-Cell

梅赛德斯BlueZero F-Cell概念车在2009年1月的底特律国际车展上首次亮相,

梅赛德斯-奔驰BlueZero F-Cell具有B class的外观。该车辆将配备90KW的燃料电池,并实现240英里的续航里程,这是同一辆纯电动版本的续航里程的两倍。动力方面,BlueZero  F-Cell的零百加速时间不到11秒。

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图10 BlueZero F-Cell

13、2010年:B class,接近量产

奔驰的燃料电池汽车最终在 2010 年进入小规模量产阶段。从那时起,梅赛德斯-奔驰 B 级燃料电池车(输出功率 100kW/136hp,最高时速 170km/h,续航里程 385km)每天都在被欧美市场的客户使用。

截止当时,戴姆勒的燃料电池实验车辆已超过 300 辆,车队行驶总里程已超过1200万 km。仅在美国,就有大约 70 辆车的燃料电池车行驶了超320万km。

从2000年到2010年,早就达到小批量投产阶段的奔驰仍未完成从小批量到量产阶段的跨越。实际上,首款量产的燃料电池乘用车现代IX35在2013年上市,这个角色本可由奔驰本扮演,但由于技术、成本、市场认可度等种种原因,奔驰的燃料电池汽车量产计划终究未能实现。

此时,奔驰在燃料电池汽车发展方面已经失去了领先的地位。

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图11 B class F-Cell

14、2011年:F125,125周年纪念

奔驰F125氢燃料电池概念车亮相在2011法兰克福车展。它被命名为125,以庆祝梅赛德斯·奔驰 125周年。

新车驱动系统的核心是配备了更强大的燃料电池系统,并集成了插电式混合动力技术。高性能先进技术的使用令车辆的额定功率达到 200kW(272hp),最高时速 220km/h,续航里程达到 1100km,其中约 200km可以使用强大而紧凑的高压电池驱动,其余 900km 则使用燃料电池驱动。

F125的零百加速时间为4.9秒,最高时速达到220km/h。

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图12 F125

15、2014年 :Vision G-Code,油漆也能发电?

梅赛德斯·奔驰Vision G-Code是一款SUV,车辆的油漆是其最创新的设计:当车辆不运行或在相同位置空转时,多电压涂料将通过多种不同方式发电(包括风能和太阳能),以帮助提供运行SUV不同组件所需的动力。

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图13 Vision G-Code

16、2015年:F105 fuel cell,魔幻外观

该车辆的续航里程约为684英里,其中包括电池供电的124英里,然后由氢燃料电池提供剩余的560英里续航。燃料电池本身驱动两个后置电动机,峰值输出约为272 hp,零百加速约为6.7秒。

多款燃料电池概念车体现了奔驰先进的汽车理念和深厚的技术积淀,但这更像是在“炫技”,在燃料电池汽车的实践中,奔驰已经落后于日韩企业。

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图14 F105 FC

17、2018年 奔驰GLCF-Cell

奔驰GLC F-CELL采用氢燃料电池技术,4.4kg的氢燃料分别储存在两个碳纤维罐中,其中一个位于驱动轴处,另一个位于后排车座下方。该车氢燃料电池的储氢罐充满将耗时约三分钟,最大续航里程将达到437km。此外,新车还搭载了13.8千瓦时的电池组,纯电动续航里程为49km。

在丰田mirai与现代NEXO的夹击之下,该款车型是欧洲车企在燃料电池乘用车领域最后的“门面”。尽管有各种技术积累,但在实践中,欧洲老牌车企们无疑在纯电动与燃料电池上都落后于东亚的车企们。

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图13 GLC FC

2020年,奔驰宣布GLC FC项目暂停,宝马的燃料电池汽车需要数年才能面世,甚至需要借助丰田的技术。至此,燃料电池乘用车市场仅剩东亚企业。欧洲在纯电动汽车领域已经经历了一次苦苦追赶的经历,燃料电池汽车领域是否将重走纯电动汽车在市场压力下苦苦追赶的道路?

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