現(xiàn)代燃料電池汽車NEXO技術(shù)分析

王偉，曲輔凡，梁榮亮

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

燃料電池車由于其環(huán)保、續(xù)駛里程長、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點，成為當(dāng)前研究的熱點，并且燃料電池車輛是國家未來重點支持的發(fā)展方向[1-3]。國內(nèi)燃料電池汽車技術(shù)水平與國際先進車型存在較大差距，日本豐田、本田和韓國現(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[4-6]，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)[7-8]。本文作者以現(xiàn)代NEXO車輛為研究對象，全面分析車輛性能參數(shù)和各項技術(shù)，為國內(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汽車，通過對發(fā)動機艙蓋下的電機、驅(qū)動單元和燃料電池堆進行優(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95 kW提高到了112 kW，提高了車輛的續(xù)航里程和加速能力。現(xiàn)代NEXO與上一代ix35 FCEV技術(shù)性能對比如表1所示。

表1 現(xiàn)代NEXO與ix35 FCEV技術(shù)參數(shù)

2 動力系統(tǒng)構(gòu)型方案

NEXO車輛采用了燃料電池和動力電池 2 種能量來源相結(jié)合的組合方式，屬于電-電混合的動力系統(tǒng)構(gòu)型，如圖1所示?，F(xiàn)代NEXO將燃料電池發(fā)動機Powertrain of Fuel Cell (PFC)、驅(qū)動系統(tǒng)PowerElectric (Electric motor+reduction gear+inverter)集成在一起，放置于汽車的發(fā)動機艙，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40 kW鋰電池組，240 V電壓，可以純電驅(qū)動提升續(xù)航里程，同時也起到預(yù)熱車輛、回收能量等作用。

圖1 動力系統(tǒng)架構(gòu)

NEXO采用3個相同的儲氫罐設(shè)計，儲氫系統(tǒng)的儲氫能力稍有提升，同時布局更加靈活方便，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)計更規(guī)整的內(nèi)部形狀，又能大幅度降低整個系統(tǒng)的制造難度，圖2為氫罐在車輛總布置圖。

圖2 NEXO氫罐布置

3 車輛運行分析

3.1 車輛工作模式分析

根據(jù)動力系統(tǒng)構(gòu)型方案分析，車輛可以實現(xiàn)至少6種工作模式，即純電動模式、FCS+動力電池驅(qū)動模式、FCS+動力電池充電模式、純FCS模式、再生制動模式、駐車充電模式，如圖3所示。

圖3 典型工作模式

純電動模式是指在較低車速時僅有動力電池提供能量驅(qū)動，F(xiàn)CS系統(tǒng)不啟動不參與；FCS+動力電池驅(qū)動模式是指在較大功率需求時，燃料電池和動力電池同時供電，通過逆變器向驅(qū)動電機提供動力輸出；FCS+動力電池充電模式是指在正常行駛時，燃料電池輸出，給動力電池充電，同時通過逆變器向驅(qū)動電機提供動力輸出；純FCS模式是指在較高車速勻速行駛時，僅有FCS系統(tǒng)提供能量驅(qū)動車輛，動力電池既不充電也不放單；再生制動模式是指下坡和減速時，驅(qū)動電機通過逆變器向動力電池回收能量；駐車充電模式是指長時間駐車怠速，電池SOC下降到一定閾值，F(xiàn)CS系統(tǒng)啟動，給動力電池充電。

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)動電機，其驅(qū)動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)生的電能來帶動驅(qū)動電機，最終驅(qū)動車輛行駛，同時反應(yīng)產(chǎn)生的其他剩余電能可以存入儲能動力電池組內(nèi)。車輛的動力系統(tǒng)能量流向路徑如圖4所示，具體的步驟如下：

(1)氧氣經(jīng)過空氣壓縮機和加濕器后進入電堆，氫氣從氫罐經(jīng)過減壓閥和氫噴后進入電堆，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控制動力電池充/放電，已滿足驅(qū)動需求；

(3)電堆生成的電能和動力電池的電能經(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，整個過程實現(xiàn)了無污染零排放。

圖4 燃料電池車能量流

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)、動力驅(qū)動系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)。

4.1 電堆系統(tǒng)

NEXO電堆總成是由數(shù)百個單體組成，電堆包含440個燃料電池單體，產(chǎn)生250～440 V電壓，每個單體包含雙極板、氣體擴散層和質(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)。

圖5 燃料電池車關(guān)鍵系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 燃料電池工作原理

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，使用加濕器對高壓空氣加濕，空氣壓縮機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。

圖7 附件系統(tǒng)架構(gòu)

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信號與BMS(電池控制器)、SVM(電堆電壓控制器)、BPCU(空氣壓縮機控制器)、MCU(電機控制器)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、失效保護等、控驅(qū)動力/制動力輸出分配、空調(diào)系統(tǒng)控制等方面。

圖8 控制器系統(tǒng)架構(gòu)

4.4 動力驅(qū)動系統(tǒng)

動力驅(qū)動系統(tǒng)包含驅(qū)動電機、電機控制器、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。

圖9 動力系統(tǒng)架構(gòu)

驅(qū)動電機的類型為永磁同步電機，峰值功率可達120 kW，轉(zhuǎn)矩395 N·m，最高轉(zhuǎn)速5 000 r/min，主減速的速比為9.433 8，其中雙向DC-DC為電池高壓變換器，其作用是對動力電池和電堆的輸出電壓進行升壓、降壓。

4.5 動力電池

電池組由4個模塊，64個單體集成，容量為1.56 kW·h。與燃料電池分別起著不同的作用，在整車負載低的時候可以單獨用動力電池給驅(qū)動電機供電，帶動車輛前進，而燃料電池堆可以通過發(fā)電給動力電池充電，動力電池把燃料電池堆產(chǎn)生的剩余電能儲存起來，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力需求的時候，動力電池輔助燃料電池總成，兩者聯(lián)合向驅(qū)動電機供電，實現(xiàn)雙重供電滿足動力需求。當(dāng)車輛減速行駛的時候，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)化為發(fā)電機來回收動能，電能直接回饋輸送到動力電池組內(nèi)儲存起來,如圖10所示。

圖10 動力電池圖

4.6 儲氫系統(tǒng)

NEXO配備了3個儲氫罐，體積52.2 L，儲氫系統(tǒng)質(zhì)量111 kg，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個相同的儲氫罐設(shè)計，不但意味著NEXO儲氫系統(tǒng)的儲氫能力稍有提升，同時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)計更規(guī)整的內(nèi)部形狀，又能大幅度降低整個系統(tǒng)的制造難度；NEXO的儲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，它立即釋放所有氫。該罐體還具有耐火性，可以承受超過1 h的火災(zāi)，以保障發(fā)生事故時及時疏散。

圖11 儲氫系統(tǒng)架構(gòu)

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)計安全理念，充分考慮了燃料電池車的特點。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、可靠性等多個方面進行了全面提升，也為行業(yè)燃料電池車輛的研發(fā)提供了參考。