现代燃料电池汽车NEXO技术解析

日趋严苛的排量法规以及相关环境污染的强制性措施将内燃机（大排量自然吸气发动机甚至是小排量涡轮增压发动机）的生存发展之路变得日益狭隘。从技术层面来讲，在当今的内燃机以及难以实现像以往压缩比、热效率方面的大幅度突破的前提下，越来越多的车企逐渐把重心倾向世界权威机构更加亲眛的纯电动汽车和燃料电池汽车领域，之前我们讲过了BMW i Hydrogen NEXT动力系统、丰田第二代燃料电池汽车Mirai动力系统、上汽PROME P390 氢能源动力系统。



现代作为全球第一家量产燃料电池汽车的车企，在第五届国际氢能与燃料电池汽车大会（FCVC2020）上，现代带来了氢燃料电池汽车NEXO，这是现代第二代商用燃料电池电动汽车，搭载了一台135kW的氢燃料动力系统和三个储氢罐，仅需5分钟即可充满氢气。在充满氢气的情况下，NEXO的续航里程超过800公里（NEDC标准综合工况）。今天，我们就来了解这台NEXO的各项性能参数以及技术原理。

01  基本参数

现代NEXO与ix35 FCEV技术参数


02  动力系统构型



现代NEXO采用的是质子交换膜燃料电池技术（简称PEMFC），采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点。采用了电-电混合的动力系统构型，即燃料电池+动力电池两种能源组合方式，氢燃料通过供给系统完成由高压到低压的“降压”后，燃料从“储氢罐”输出进入燃料电池的负极。另一边，空气中的氧气则由车前部“空气供给系统”过滤后注入“燃料电池堆”的正极，氢气和氧气在“燃料电池堆”中发生化学反应生成的电能直接进入驱动系统。

03  车辆运行模式


纯电动模式：该模式是指在较低车速时或较小功率输出时，动力电池提供能量驱动电机，FCS不启动不参与工作。

FCS（燃料电池系统）+动力电池驱动模式：该模式是指在较高车速时或较大功率输出时，FCS与动力电池同时供电，FCS输出电压通过直流升压转换器与动力电池向驱动电机提供能量。

FCS（燃料电池系统）+动力电池充电模式：该模式是指当车辆正常行驶时，FCS工作，输出电压通过直流升压转换器给驱动电机提供能量，同时给动力电池充电。

纯FCS（燃料电池系统）模式：该模式是指当车辆以较高车速匀速行驶时，FCS工作，输出电压通过直流升压转换器给驱动电机提供能量，动力电池不工作。
再生制动模式：该模式是指车辆在下坡或减速时，刹车过程中实现能量回收，其本质是电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，将机械能转化为电能通过逆变器的反向续流二极管给动力电池充电。

驻车充电模式：该模式是指当车辆长时间驻车怠速时，动力电池的SOC下降到电脑设定的阀值时，FCS启动工作，输出电压通过直流升压转换器给动力电池充电。

04  电堆系统构成



现代NEXO的电堆系统由440个燃料电池单体组成，电压范围在250V-440V之间，通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统等构成。电堆是发电系统的核心。发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用。


05  动力驱动系统



现代NEXO的动力驱动系统由驱动电机、电机控制器、减速器、双向高压DC/DC转换器等部件构成，与燃料电池系统（FDS）一起集成于发动机舱。这台永磁同步电机的最大功率为120kW（163Ps），峰值扭矩为395 N•m，各项性能参数均比上一代有所提升。双向高压DC/DC转换器的功能是将氢燃料电池产生的电能进行降压，储存于动力电池内，也可以将动力电池中的电能进行升压，给驱动电机提供能量。

06  动力电池系统

现代NEXO搭载了1.56 kW•h的动力电池组，该动力电池组在不同模式下发挥着不同的作用，在较高车速时或较大功率输出时，FCS与动力电池同时供电，FCS输出电压通过直流升压转换器与动力电池向驱动电机提供能量。当车辆正常行驶时，FCS工作，输出电压通过直流升压转换器给驱动电机提供能量，同时给动力电池充电。当车辆长时间驻车怠速时，动力电池的SOC下降到电脑设定的阀值时，FCS启动工作，输出电压通过直流升压转换器给动力电池充电。

07  储氢系统


现代NEXO一共搭载了3个储氢罐，分别放置在后排座椅下方以及后备箱地板下方。3个储氢罐总容积为157L，比起上一代车型搭载的2个储氢罐，个数多了一个，但整个储氢系统的重量却比上一代车型减少了16.5kg，有效提高了氢重量在整体燃料系统重量里的比率。

储氢罐采用碳纤维制造，其强度较钢铁材质高10倍，可承受高压状态，采用缓冲碰撞力的装置以及长时间承受火焰的特殊涂覆技术，还经过诸多严苛安全测试和12000次的875bar加氢测试




注：文章中引用数据和图片来源网络