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现代燃料电池汽车NEXO技术分析

2020-08-28 23:35:07·  来源:《现代燃料电池汽车NEXO技术分析》  
 
0 引言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
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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。
2 动力系统构型方案
 
NEXO车辆采用了燃料电池和动力电池2种能量来源相结合的组合方式,属于电-电混合的动力系统构型,如图1所示。现代NEXO将燃料电池发动机Powertrain of Fuel Cell(PFC)、驱动系统Power Electric(Electric motor + reduction gear+ inverter)集成在一起,放置于汽车的发动机舱,是整套系统最核心的部件。高压电池系统放置于车身尾部,采用了40kW锂电池组,240V电压,可以纯电驱动提升续航里程,同时也起到预热车辆、回收能量等作用。

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车辆运行分析

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。
 
纯电动模式是指在较低车速时仅有动力电池提供能量驱动,FCS系统不启动不参与;FCS+动力电池驱动模式是指在较大功率需求时,燃料电池和动力电池同时供电,通过逆变器向驱动电机提供动力输出;FCS+动力电池充电模式是指在正常行驶时,燃料电池输出,给动力电池充电,同时通过逆变器向驱动电机提供动力输出;纯FCS模式是指在较高车速匀速行驶时,仅有FCS系统提供能量驱动车辆,动力电池既不充电也不放单;再生制动模式是指下坡和减速时,驱动电机通过逆变器向动力电池回收能量;驻车充电模式是指长时间驻车怠速,电池SOC下降到一定阈值,FCS系统启动,给动力电池充电。

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:
 
(1)氧气经过空气压缩机和加湿器后进入电堆,氢气从氢罐经过减压阀和氢喷后进入电堆,氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应生成水和电能;

(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
 
NEXO燃料电池车包含六大关键系统(图5),分布是电堆系统、附件(BOP)系统、控制器系统、动力驱动系统、动力电池系统、储氢系统。

4.1 电堆系统
 
NEXO电堆总成是由数百个单体组成,电堆包含440个燃料电池单体,产生250~440V电压,每个单体包含双极板、气体扩散层和质子交换膜,如图6所示。氢气和氧气在电堆中发生化学反应,产生电能和热,未完全反应的氢气会再循环,以提高氢气利用率。因此电堆系统需要高效的供氢系统、供空气系统和热管理系统。

4.2 附件系统
 
NEXO车辆附件系统包含供氢系统、供空气系统和热管理系统,如图7所示。供氢系统包含氢气截止阀、氢气供应阀、氢喷、吹扫阀、压力阀、排水阀等部件。以氢喷为例,简要说明其作用,氢喷作用有二,一是将氢气减压输入到电堆,二是将未反应的氢气再循环。

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。
由于电堆产生大量热,因此需要更为高效的热管理系统,包含高压水泵、温度控制阀、旁通阀、阴极氧消耗加热器(COD加热器)、去离子器、散热器等部件。其中COD加热器的作用是消耗电堆中残余的氢气和氧气以提高电堆耐久性,在低温环境下加热电堆,以提高电堆环境适应性;去离子器作用是清除冷却液中的离子。

4.3 控制器系统
 
NEXO车辆整车控制器和电堆控制器(FCU)集成一体,同过CAN信号与BMS(电池控制器)、SVM(电堆电压控制器)、BPCU(空气压缩机控制器)、MCU(电机控制器)等控制器通信。FCU主要功能是控制燃料电池系统启停、输出、供氢供空气、失效保护等、控驱动力/制动力输出分配、空调系统控制等方面。

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。

 
驱动电机的类型为永磁同步电机,峰值功率可达120kW,转矩395N·m,最高转速5000r/min,主减速的速比为9.4338,其中双向DC-DC为电池高压变换器,其作用是对动力电池和电堆的输出电压进行升压、降压。

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。
 
4.6 储氢系统
 
NEXO配备了3个储氢罐,体积52.2L,储氢系统质量111kg,这一代NEXO提高了氢质量在整体燃料系统质量里的比率,如图11所示。NEXO采用的3个相同的储氢罐设计,不但意味着NEXO储氢系统的储氢能力稍有提升,同时也使其布局更加灵活方便,既可以与电池等系统配合为后备箱留出更大的空间,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;NEXO的储氢罐使用了一种具有优异抗渗性的新材料,通过高压气体释放装置来满足可燃性要求,当火焰接触罐的任何部分而不只是释放装置时,它立即释放所有氢。该罐体还具有耐火性,可以承受超过1h的火灾,以保障发生事故时及时疏散。

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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