现代燃料电池汽车NEXO技术分析
国内燃料电池汽车技术水平与国际先进车型存在较大差距,日本丰田、本田和韩国现代为代表的汽车制造商已经开始量产燃料电池汽车,例如现代NEXO、丰田Mirai以及本田Clarity燃料电池汽车均已量产上市,而奔驰、宝马和奥迪等汽车产商也推出了量产技术。
本文作者以现代NEXO车辆为研究对象,全面分析车辆性能参数和各项技术,为国内燃料电池汽车研发提供技术支撑。
1 现代NEXO整车基本参数
NEXO是现代汽车第二代商业化销售的燃料电池电动汽车,通过对发动机舱盖下的电机、驱动单元和燃料电池堆进行优化和高度集成,不但让系统体积和质量都有所下降,还把系统效率大幅度提高到了60%,输出功率也从95kW提高到了112kW,提高了车辆的续航里程和加速能力。现代NEXO与上一代ix35FCEV技术性能对比如表1所示。
NEXO采用3个相同的储氢罐设计,储氢系统的储氢能力稍有提升,同时布局更加灵活方便,既可以与电池等系统配合为后备箱腾出更大的空间,设计更规整的内部形状,又能大幅度降低整个系统的制造难度,图2为氢罐在车辆总布置图。
3.1车辆工作模式分析
根据动力系统构型方案分析,车辆可以实现至少6种工作模式,即纯电动模式、FCS+动力电池驱动模式、FCS+动力电池充电模式、纯FCS模式、再生制动模式、驻车充电模式,如图3所示。
3.2 车辆能量流分析
NEXO车辆通过燃料电池总成输送电能给驱动电机,其驱动方式是通过氢气与氧气在燃料电池堆内发生反应,利用化学反应产生的电能来带动驱动电机,最终驱动车辆行驶,同时反应产生的其他剩余电能可以存入储能动力电池组内。车辆的动力系统能量流向路径如图4所示,具体的步骤如下:
(2)动力电池根据整车需求功率和电堆当前输出功率,通过BMS控制动力电池充/放电,已满足驱动需求;
(3)电堆生成的电能和动力电池的电能经过高压配线盒耦合后,提供MCU使用;
(4)燃料电池内反应产生的水排出车辆外,整个过程实现了无污染零排放。
4 关键系统分析
4.1 电堆系统
4.2 附件系统
供空气系统包括空滤、空气流量传感器、空气压缩机及控制器、加湿器、空气截止阀、压力控制阀、消音器等部件。NEXO采用外部加湿法,使用加湿器对高压空气加湿,空气压缩机的作用是提供适量的流量/压力的空气到电堆系统。
4.3 控制器系统
4.4 动力驱动系统
动力驱动系统包含驱动电机、电机控制器、减速器、双向DC-DC等部件,集成度较高,与电堆系统一起布置在车辆的前舱,如图9所示。
4.5 动力电池
电池组由4个模块,64个单体集成,容量为1.56kWh。与燃料电池分别起着不同的作用,在整车负载低的时候可以单独用动力电池给驱动电机供电,带动车辆前进,而燃料电池堆可以通过发电给动力电池充电,动力电池把燃料电池堆产生的剩余电能储存起来,供后续车辆急加速使用和车载用电器使用。
当车辆有较大的加速动力需求的时候,动力电池辅助燃料电池总成,两者联合向驱动电机供电,实现双重供电满足动力需求。当车辆减速行驶的时候,驱动电机转化为发电机来回收动能,电能直接回馈输送到动力电池组内储存起来,如图10所示。
5 结束语
以上分析可以看出,现代NEXO燃料电池车代表了全球燃料电池汽车现阶段的前沿技术水平,无论在电堆的关键技术方面,还是在整车设计安全理念,充分考虑了燃料电池车的特点。
NEXO汇集了现代汽车的全部氢燃料电池技术,被业界认为代表当前世界氢燃料电池技术力量的水平,其在产品性能、智能驾驶技术、能耗、可靠性等多个方面进行了全面提升,也为行业燃料电池车辆的研发提供了参考。
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