現代燃料電池汽車NEXO技術分析

王偉，曲輔凡，梁榮亮

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

燃料電池車由于其環保、續駛里程長、能量轉化效率高等優點，成為當前研究的熱點，并且燃料電池車輛是國家未來重點支持的發展方向[1-3]。國內燃料電池汽車技術水平與國際先進車型存在較大差距，日本豐田、本田和韓國現代為代表的汽車制造商已經開始量產燃料電池汽車[4-6]，例如現代 NEXO、豐田Mirai以及本田Clarity燃料電池汽車均已量產上市，而奔馳、寶馬和奧迪等汽車產商也推出了量產技術[7-8]。本文作者以現代NEXO車輛為研究對象，全面分析車輛性能參數和各項技術，為國內燃料電池汽車研發提供技術支撐。

1 現代NEXO整車基本參數

NEXO是現代汽車第二代商業化銷售的燃料電池電動汽車，通過對發動機艙蓋下的電機、驅動單元和燃料電池堆進行優化和高度集成，不但讓系統體積和質量都有所下降，還把系統效率大幅度提高到了60%，輸出功率也從95 kW提高到了112 kW，提高了車輛的續航里程和加速能力。現代NEXO與上一代ix35 FCEV技術性能對比如表1所示。

表1 現代NEXO與ix35 FCEV技術參數

2 動力系統構型方案

NEXO車輛采用了燃料電池和動力電池 2 種能量來源相結合的組合方式，屬于電-電混合的動力系統構型，如圖1所示。現代NEXO將燃料電池發動機Powertrain of Fuel Cell (PFC)、驅動系統PowerElectric (Electric motor+reduction gear+inverter)集成在一起，放置于汽車的發動機艙，是整套系統最核心的部件。高壓電池系統放置于車身尾部，采用了40 kW鋰電池組，240 V電壓，可以純電驅動提升續航里程，同時也起到預熱車輛、回收能量等作用。

圖1 動力系統架構

NEXO采用3個相同的儲氫罐設計，儲氫系統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配合為后備箱騰出更大的空間，設計更規整的內部形狀，又能大幅度降低整個系統的制造難度，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

根據動力系統構型方案分析，車輛可以實現至少6種工作模式，即純電動模式、FCS+動力電池驅動模式、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動，FCS系統不啟動不參與；FCS+動力電池驅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系統提供能量驅動車輛，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，FCS系統啟動，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動電機，其驅動方式是通過氫氣與氧氣在燃料電池堆內發生反應，利用化學反應產生的電能來帶動驅動電機，最終驅動車輛行駛，同時反應產生的其他剩余電能可以存入儲能動力電池組內。車輛的動力系統能量流向路徑如圖4所示，具體的步驟如下：

(1)氧氣經過空氣壓縮機和加濕器后進入電堆，氫氣從氫罐經過減壓閥和氫噴后進入電堆，氫氣和氧氣在燃料電池中發生化學反應生成水和電能；

(2)動力電池根據整車需求功率和電堆當前輸出功率，通過BMS控制動力電池充/放電，已滿足驅動需求；

(3)電堆生成的電能和動力電池的電能經過高壓配線盒耦合后，提供MCU使用；

(4)燃料電池內反應產生的水排出車輛外，整個過程實現了無污染零排放。

圖4 燃料電池車能量流

4 關鍵系統分析

NEXO燃料電池車包含六大關鍵系統(圖5)，分布是電堆系統、附件(BOP)系統、控制器系統、動力驅動系統、動力電池系統、儲氫系統。

4.1 電堆系統

NEXO電堆總成是由數百個單體組成，電堆包含440個燃料電池單體，產生250～440 V電壓，每個單體包含雙極板、氣體擴散層和質子交換膜，如圖6所示。氫氣和氧氣在電堆中發生化學反應，產生電能和熱，未完全反應的氫氣會再循環，以提高氫氣利用率。因此電堆系統需要高效的供氫系統、供空氣系統和熱管理系統。

圖5 燃料電池車關鍵系統架構

圖6 燃料電池工作原理

4.2 附件系統

NEXO車輛附件系統包含供氫系統、供空氣系統和熱管理系統，如圖7所示。供氫系統包含氫氣截止閥、氫氣供應閥、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，二是將未反應的氫氣再循環。

供空氣系統包括空濾、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。

由于電堆產生大量熱，因此需要更為高效的熱管理系統，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，在低溫環境下加熱電堆，以提高電堆環境適應性；去離子器作用是清除冷卻液中的離子。

圖7 附件系統架構

4.3 控制器系統

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啟停、輸出、供氫供空氣、失效保護等、控驅動力/制動力輸出分配、空調系統控制等方面。

圖8 控制器系統架構

4.4 動力驅動系統

動力驅動系統包含驅動電機、電機控制器、減速器、雙向DC-DC等部件，集成度較高，與電堆系統一起布置在車輛的前艙，如圖9所示。

圖9 動力系統架構

驅動電機的類型為永磁同步電機，峰值功率可達120 kW，轉矩395 N·m，最高轉速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動電機供電，帶動車輛前進，而燃料電池堆可以通過發電給動力電池充電，動力電池把燃料電池堆產生的剩余電能儲存起來，供后續車輛急加速使用和車載用電器使用。當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，兩者聯合向驅動電機供電，實現雙重供電滿足動力需求。當車輛減速行駛的時候，驅動電機轉化為發電機來回收動能，電能直接回饋輸送到動力電池組內儲存起來,如圖10所示。

圖10 動力電池圖

4.6 儲氫系統

NEXO配備了3個儲氫罐，體積52.2 L，儲氫系統質量111 kg，這一代NEXO提高了氫質量在整體燃料系統質量里的比率，如圖11所示。NEXO采用的3個相同的儲氫罐設計，不但意味著NEXO儲氫系統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配合為后備箱留出更大的空間，設計更規整的內部形狀，又能大幅度降低整個系統的制造難度；NEXO的儲氫罐使用了一種具有優異抗滲性的新材料，通過高壓氣體釋放裝置來滿足可燃性要求，當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，以保障發生事故時及時疏散。

圖11 儲氫系統架構

5 結束語

以上分析可以看出，現代NEXO燃料電池車代表了全球燃料電池汽車現階段的前沿技術水平，無論在電堆的關鍵技術方面，還是在整車設計安全理念，充分考慮了燃料電池車的特點。NEXO匯集了現代汽車的全部氫燃料電池技術，被業界認為代表當前世界氫燃料電池技術力量的水平，其在產品性能、智能駕駛技術、能耗、可靠性等多個方面進行了全面提升，也為行業燃料電池車輛的研發提供了參考。