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現(xiàn)代燃料電池汽車NEXO技術(shù)分析

2020-08-28 23:35:07·  來源：《現(xiàn)代燃料電池汽車NEXO技術(shù)分析》  
　
0 引言國(guó)內(nèi)燃料電池汽車技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)車型存在較大差距，日本豐田、本田和韓國(guó)現(xiàn)代為代表的汽車制造商已經(jīng)開始量產(chǎn)燃料電池汽車，例如現(xiàn)代NEXO、豐田Mirai
0 引言

國(guó)內(nèi)燃料電池汽車技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)車型存在較大差距，日本豐田、本田和韓國(guó)現(xiàn)代為代表的汽車制造商已經(jīng)開始量產(chǎn)燃料電池汽車，例如現(xiàn)代NEXO、豐田Mirai以及本田Clarity燃料電池汽車均已量產(chǎn)上市，而奔馳、寶馬和奧迪等汽車產(chǎn)商也推出了量產(chǎn)技術(shù)。

本文作者以現(xiàn)代NEXO車輛為研究對(duì)象，全面分析車輛性能參數(shù)和各項(xiàng)技術(shù)，為國(guó)內(nèi)燃料電池汽車研發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 現(xiàn)代NEXO整車基本參數(shù)

NEXO是現(xiàn)代汽車第二代商業(yè)化銷售的燃料電池電動(dòng)汽車，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋下的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元和燃料電池堆進(jìn)行優(yōu)化和高度集成，不但讓系統(tǒng)體積和質(zhì)量都有所下降，還把系統(tǒng)效率大幅度提高到了60%，輸出功率也從95kW提高到了112kW，提高了車輛的續(xù)航里程和加速能力?，F(xiàn)代NEXO與上一代ix35FCEV技術(shù)性能對(duì)比如表1所示。
2 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案
 
NEXO車輛采用了燃料電池和動(dòng)力電池2種能量來源相結(jié)合的組合方式，屬于電－電混合的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，如圖1所示?，F(xiàn)代NEXO將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)Powertrain of Fuel Cell(PFC)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Power Electric(Electric motor + reduction gear+ inverter)集成在一起，放置于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙，是整套系統(tǒng)最核心的部件。高壓電池系統(tǒng)放置于車身尾部，采用了40kW鋰電池組，240V電壓，可以純電驅(qū)動(dòng)提升續(xù)航里程，同時(shí)也起到預(yù)熱車輛、回收能量等作用。

NEXO采用3個(gè)相同的儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫能力稍有提升，同時(shí)布局更加靈活方便，既可以與電池等系統(tǒng)配合為后備箱騰出更大的空間，設(shè)計(jì)更規(guī)整的內(nèi)部形狀，又能大幅度降低整個(gè)系統(tǒng)的制造難度，圖2為氫罐在車輛總布置圖。
 
3車輛運(yùn)行分析

3.1車輛工作模式分析

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案分析，車輛可以實(shí)現(xiàn)至少6種工作模式，即純電動(dòng)模式、FCS+動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)模式、FCS+動(dòng)力電池充電模式、純FCS模式、再生制動(dòng)模式、駐車充電模式，如圖3所示。
 
純電動(dòng)模式是指在較低車速時(shí)僅有動(dòng)力電池提供能量驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)CS系統(tǒng)不啟動(dòng)不參與；FCS+動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)模式是指在較大功率需求時(shí)，燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)供電，通過逆變器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力輸出；FCS+動(dòng)力電池充電模式是指在正常行駛時(shí)，燃料電池輸出，給動(dòng)力電池充電，同時(shí)通過逆變器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力輸出；純FCS模式是指在較高車速勻速行駛時(shí)，僅有FCS系統(tǒng)提供能量驅(qū)動(dòng)車輛，動(dòng)力電池既不充電也不放單；再生制動(dòng)模式是指下坡和減速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過逆變器向動(dòng)力電池回收能量；駐車充電模式是指長(zhǎng)時(shí)間駐車怠速，電池SOC下降到一定閾值，F(xiàn)CS系統(tǒng)啟動(dòng)，給動(dòng)力電池充電。

3.2 車輛能量流分析

NEXO車輛通過燃料電池總成輸送電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)方式是通過氫氣與氧氣在燃料電池堆內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能來帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終驅(qū)動(dòng)車輛行駛，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的其他剩余電能可以存入儲(chǔ)能動(dòng)力電池組內(nèi)。車輛的動(dòng)力系統(tǒng)能量流向路徑如圖4所示，具體的步驟如下:
 
(1)氧氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)和加濕器后進(jìn)入電堆，氫氣從氫罐經(jīng)過減壓閥和氫噴后進(jìn)入電堆，氫氣和氧氣在燃料電池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水和電能；

(2)動(dòng)力電池根據(jù)整車需求功率和電堆當(dāng)前輸出功率，通過BMS控制動(dòng)力電池充/放電，已滿足驅(qū)動(dòng)需求；

(3)電堆生成的電能和動(dòng)力電池的電能經(jīng)過高壓配線盒耦合后，提供MCU使用；

(4)燃料電池內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的水排出車輛外，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了無污染零排放。

4 關(guān)鍵系統(tǒng)分析
 
NEXO燃料電池車包含六大關(guān)鍵系統(tǒng)(圖5)，分布是電堆系統(tǒng)、附件(BOP)系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

4.1 電堆系統(tǒng)
 
NEXO電堆總成是由數(shù)百個(gè)單體組成，電堆包含440個(gè)燃料電池單體，產(chǎn)生250～440V電壓，每個(gè)單體包含雙極板、氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜，如圖6所示。氫氣和氧氣在電堆中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能和熱，未完全反應(yīng)的氫氣會(huì)再循環(huán)，以提高氫氣利用率。因此電堆系統(tǒng)需要高效的供氫系統(tǒng)、供空氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。

4.2 附件系統(tǒng)
 
NEXO車輛附件系統(tǒng)包含供氫系統(tǒng)、供空氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，如圖7所示。供氫系統(tǒng)包含氫氣截止閥、氫氣供應(yīng)閥、氫噴、吹掃閥、壓力閥、排水閥等部件。以氫噴為例，簡(jiǎn)要說明其作用，氫噴作用有二，一是將氫氣減壓輸入到電堆，二是將未反應(yīng)的氫氣再循環(huán)。

供空氣系統(tǒng)包括空濾、空氣流量傳感器、空氣壓縮機(jī)及控制器、加濕器、空氣截止閥、壓力控制閥、消音器等部件。NEXO采用外部加濕法，使用加濕器對(duì)高壓空氣加濕，空氣壓縮機(jī)的作用是提供適量的流量/壓力的空氣到電堆系統(tǒng)。
由于電堆產(chǎn)生大量熱，因此需要更為高效的熱管理系統(tǒng)，包含高壓水泵、溫度控制閥、旁通閥、陰極氧消耗加熱器(COD加熱器)、去離子器、散熱器等部件。其中COD加熱器的作用是消耗電堆中殘余的氫氣和氧氣以提高電堆耐久性，在低溫環(huán)境下加熱電堆，以提高電堆環(huán)境適應(yīng)性；去離子器作用是清除冷卻液中的離子。

4.3 控制器系統(tǒng)
 
NEXO車輛整車控制器和電堆控制器(FCU)集成一體，同過CAN信號(hào)與BMS(電池控制器)、SVM(電堆電壓控制器)、BPCU(空氣壓縮機(jī)控制器)、MCU(電機(jī)控制器)等控制器通信。FCU主要功能是控制燃料電池系統(tǒng)啟停、輸出、供氫供空氣、失效保護(hù)等、控驅(qū)動(dòng)力/制動(dòng)力輸出分配、空調(diào)系統(tǒng)控制等方面。

4.4 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器、雙向DC－DC等部件，集成度較高，與電堆系統(tǒng)一起布置在車輛的前艙，如圖9所示。

 
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型為永磁同步電機(jī)，峰值功率可達(dá)120kW，轉(zhuǎn)矩395N·m，最高轉(zhuǎn)速5000r/min，主減速的速比為9.4338，其中雙向DC－DC為電池高壓變換器，其作用是對(duì)動(dòng)力電池和電堆的輸出電壓進(jìn)行升壓、降壓。

4.5 動(dòng)力電池

電池組由4個(gè)模塊，64個(gè)單體集成，容量為1.56kWh。與燃料電池分別起著不同的作用，在整車負(fù)載低的時(shí)候可以單獨(dú)用動(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，帶動(dòng)車輛前進(jìn)，而燃料電池堆可以通過發(fā)電給動(dòng)力電池充電，動(dòng)力電池把燃料電池堆產(chǎn)生的剩余電能儲(chǔ)存起來，供后續(xù)車輛急加速使用和車載用電器使用。

當(dāng)車輛有較大的加速動(dòng)力需求的時(shí)候，動(dòng)力電池輔助燃料電池總成，兩者聯(lián)合向驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)雙重供電滿足動(dòng)力需求。當(dāng)車輛減速行駛的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)來回收動(dòng)能，電能直接回饋輸送到動(dòng)力電池組內(nèi)儲(chǔ)存起來，如圖10所示。
 
4.6 儲(chǔ)氫系統(tǒng)
 
NEXO配備了3個(gè)儲(chǔ)氫罐，體積52.2L，儲(chǔ)氫系統(tǒng)質(zhì)量111kg，這一代NEXO提高了氫質(zhì)量在整體燃料系統(tǒng)質(zhì)量里的比率，如圖11所示。NEXO采用的3個(gè)相同的儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)，不但意味著NEXO儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫能力稍有提升，同時(shí)也使其布局更加靈活方便，既可以與電池等系統(tǒng)配合為后備箱留出更大的空間，設(shè)計(jì)更規(guī)整的內(nèi)部形狀，又能大幅度降低整個(gè)系統(tǒng)的制造難度；NEXO的儲(chǔ)氫罐使用了一種具有優(yōu)異抗?jié)B性的新材料，通過高壓氣體釋放裝置來滿足可燃性要求，當(dāng)火焰接觸罐的任何部分而不只是釋放裝置時(shí)，它立即釋放所有氫。該罐體還具有耐火性，可以承受超過1h的火災(zāi)，以保障發(fā)生事故時(shí)及時(shí)疏散。

5 結(jié)束語

以上分析可以看出，現(xiàn)代NEXO燃料電池車代表了全球燃料電池汽車現(xiàn)階段的前沿技術(shù)水平，無論在電堆的關(guān)鍵技術(shù)方面，還是在整車設(shè)計(jì)安全理念，充分考慮了燃料電池車的特點(diǎn)。

NEXO匯集了現(xiàn)代汽車的全部氫燃料電池技術(shù)，被業(yè)界認(rèn)為代表當(dāng)前世界氫燃料電池技術(shù)力量的水平，其在產(chǎn)品性能、智能駕駛技術(shù)、能耗、可靠性等多個(gè)方面進(jìn)行了全面提升，也為行業(yè)燃料電池車輛的研發(fā)提供了參考。
 
 
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