全球领先的燃料电池汽车——现代NEXO技术深度研究

全球领先的燃料电池汽车——现代NEXO技术深度研究

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2018/7/25 17:50:04

2018北京车展上,现代就带来了旗下的燃料电池车——NEXO,Nexo的续航里程(实际道路测试环境下)可达805km,包括约200km动力电池续航和600km氢燃料电池续航。这是现代燃料电池系统第四代技术,相较于上一代应用于ix35车型上的技术,更加成熟。


NEXO是现代的第二代商用燃料电池电动汽车,将于2018年初在全球的特定市场上市。NEXO改进了广受好评的Tucson FCEV,预计行驶里程为370英里,比其前身高出105英里。通过加速度和力量的增加,以提高整体表现。


图:现代燃料电池汽车发展路径


设计用于处理极端的温度和环境,NEXO测试证明,该车辆能够在-20摄氏度的过夜温度下启动。 NEXO拥有在30秒内冷启动的能力,在温度超过120摄氏度的严峻环境中也具有优异的冷却性能。


空气供应系统的改进、高纬度表现以及更快的加氢时间、以及整体效率和燃油经济性使得NEXO性能全面得到提升。另外,与汽油动力车辆相比,NEXO的功率密度和耐用性得到了较大程度提高。


图:现代NEXO燃料电池汽车内饰


图:现代NEXO燃料电池发动机舱


从各个角度看,现代NEXO已经代表了全球燃料电池汽车现阶段的前沿技术水平,与丰田Mirai不相上下。现代NEXO、丰田Mirai、奔驰GLC F-Cell均采用了插电式燃料电池混动技术,即同时使用燃料电池堆和高压锂电池作为动力输出单元,大大提高了续航里程。


根据丰田汽车测算,对于内燃机汽车,从油井、油箱再到车轮,效率为14%左右。而从油井制氢再到氢燃料电池车的车轮,效率约为28%-30%。内燃机已经发展100多年,体系完善,能提高1%的效率都很不容易,而氢燃料电池车的效率比内燃机汽车高出一倍。


日韩和欧洲的传统车企更倾向于采用插电混动技术,从研发车型上能看出,日韩目前用Hybrid混合动力车过度,欧洲用插电混合动力车过度。未来插电混动技术也将应用在燃料电池汽车上,2030年后燃料电池汽车将有可能成为主要发展路线。


而新兴车企,如美国特斯拉、以及中国的众多初创OEM企业,则由于在发动机技术上落后,更倾向于采用纯电驱动技术。


图:现代NEXO燃料电池汽车拆解图


新一代的NEXO,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,不但让系统体积和重量都有所下降,还把系统效率大幅度提高到了60%,输出功率也从129马力提高到了154马力,这不但意味着其在加注同等重量氢气的条件下,可以跑更远的距离,还可以跑得更快(极速从160km/h提高到了179 km/h)。


图:现代NEXO与上一代ix35 FCEV技术性能对比


图:现代NEXO“gen4”燃料电池,相较于上一代系统性能指标提升


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)集成在在一起,放置于汽车的发动机舱,是整套系统最核心的部件。


现代NEXO搭载了三个52L的氢燃料罐Hydrogen storage system,放置于车身后方,可以有效保障发生前方碰撞时驾驶员的安全。氢燃料电池罐采用了快速排气系统Exhaust system,可以保证在事故发生时最快速、安全的排空氢气,避免发生爆炸危险。


高压电池系统High-voltagebattery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,因此目前燃料电池汽车普遍采用动力电池组和燃料电池堆并联的混动架构。


图:现代NEXO动力系统爆炸图


爬坡和加速时,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;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;下坡和减速时,驱动电机通过逆变器向动力电池回收能量。


图:现代NEXO工作原理


图:现代NEXO控制管理(Control Management)


图:现代NEXO 能量流(Power Flow)


由于FCEV可以像加油一样为车辆加注氢气,且氢气储量也可以通过扩展储氢罐来直接扩容,NEXO可以在5分钟之内为3个储氢罐加满体积为52.2L的氢气,并在更高的系统效率帮助下,实现609公里的续航里程(按照韩国计算标准),而上一代的FCEV“途胜ix”,用一大一小加起来总共140升的储氢能力,仅仅能实现415公里的续航里程。


采用的三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;即便是储氢罐的数量从2个增长到了3个,但NEXO整个储氢系统的重量却从127.5kg下降到了111kg,这直接提高了氢重量在整体燃料系统重量里的比率。


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,可以承受超过一个小时的火灾,以保障发生事故时及时疏散。


NEXO的储氢罐通过了所有的内部安全测试以及韩国的国家认证要求。它还通过了欧洲的安全测试,甚至是联合国的全球安全标准测试,该测试使储氢罐受到极端压力、重复充电压力、和使用单个储氢罐的跌落测试。


图:现代NEXO储氢罐(Fuel Tanks)



NEXO的高低压系统与目前常见的电动汽车类似,高压240V驱动电机运转,电压12V供应电器部件,用DC/DC做电压转换。


图:现代NEXO高低压电池系统(High & Low Voltage Battery)


NEXO的电驱动系统采用集成化设计,驱动电机、逆变器、减速器全部集成在一起,且电驱动系统与燃料电池发动机集成在一起,实现了高度集成化,基本代表了目前燃料电池汽车驱动单元的最高技术水平。


图:现代NEXO电驱动系统(Motor drive)


燃料电池堆(Fuel Cell Stack)是燃料电池汽车最核心的部件,采用质子交换膜技术,主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成的膜电极和双极板构成。


图:现代NEXO燃料电池堆(Fuel Cell Stack)


除了最核心的燃料电池堆(Fuel Cell Stack),整套系统还需要压缩机、加湿器、氢循环装置、密封装置等辅助设备,这些辅助设备是整套系统能否正常运转的核心


图:现代NEXO燃料电池辅助设备(Fuel Cell BOP)


NEXO燃料电池发动机功率密度达到3.11LW/L,处于世界最高水平,甚至略高于丰田mirai,中国目前的燃料电池发动机功率密度远低于日韩水平,核心部件大多无法实现国产化,技术水平至少落户日韩5-10年。


图:现代NEXO燃料电池发动机封装(Packaging)


图:现代NEXO燃料电池发动机封装(Packaging)


图:现代NEXO燃料电池发动机封装(Packaging)


本文引自亚洲太阳城娱乐城《www.7138q.cc电池电机电控月度监测报告》 


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