现代燃料电池汽车NEXO技术分析

王伟，曲辅凡，梁荣亮

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

燃料电池车由于其环保、续驶里程长、能量转化效率高等优点，成为当前研究的热点，并且燃料电池车辆是国家未来重点支持的发展方向[1-3]。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[4-6]，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[7-8]。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95 kW提高到了112 kW，提高了车辆的续航里程和加速能力。现代NEXO与上一代ix35 FCEV技术性能对比如表1所示。

表1 现代NEXO与ix35 FCEV技术参数

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PowerElectric (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40 kW锂电池组，240 V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。

图1 动力系统架构

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。

图2 NEXO氢罐布置

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。

图3 典型工作模式

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。

图4 燃料电池车能量流

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250～440 V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。

图5 燃料电池车关键系统架构

图6 燃料电池工作原理

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。

图7 附件系统架构

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。

图8 控制器系统架构

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。

图9 动力系统架构

驱动电机的类型为永磁同步电机，峰值功率可达120 kW，转矩395 N·m，最高转速5 000 r/min，主减速的速比为9.433 8，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1.56 kW·h。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。

图10 动力电池图

4.6 储氢系统

NEXO配备了3个储氢罐，体积52.2 L，储氢系统质量111 kg，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1 h的火灾，以保障发生事故时及时疏散。

图11 储氢系统架构

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。