NEXO的燃料電池汽車技術(shù)水平，豐田Mirai不相上下

2018北京車展上，現(xiàn)代就帶來了旗下的燃料電池車——NEXO，Nexo的續(xù)航里程（實(shí)際道路測(cè)試環(huán)境下）可達(dá)805km，包括約200km動(dòng)力電池續(xù)航和600km氫燃料電池續(xù)航。這是現(xiàn)代燃料電池系統(tǒng)第四代技術(shù)，相較于上一代應(yīng)用于ix35車型上的技術(shù)，更加成熟。

NEXO是現(xiàn)代的第二代商用燃料電池電動(dòng)汽車，將于2018年初在全球的特定市場(chǎng)上市。NEXO改進(jìn)了廣受好評(píng)的Tucson FCEV，預(yù)計(jì)行駛里程為370英里，比其前身高出105英里。通過加速度和力量的增加，以提高整體表現(xiàn)。

圖：現(xiàn)代燃料電池汽車發(fā)展路徑

設(shè)計(jì)用于處理極端的溫度和環(huán)境，NEXO測(cè)試證明，該車輛能夠在-20攝氏度的過夜溫度下啟動(dòng)。 NEXO擁有在30秒內(nèi)冷啟動(dòng)的能力，在溫度超過120攝氏度的嚴(yán)峻環(huán)境中也具有優(yōu)異的冷卻性能。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)的改進(jìn)、高緯度表現(xiàn)以及更快的加氫時(shí)間、以及整體效率和燃油經(jīng)濟(jì)性使得NEXO性能全面得到提升。另外，與汽油動(dòng)力車輛相比，NEXO的功率密度和耐用性得到了較大程度提高。

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池汽車內(nèi)飾

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙

從各個(gè)角度看，現(xiàn)代NEXO已經(jīng)代表了全球燃料電池汽車現(xiàn)階段的前沿技術(shù)水平，與豐田Mirai不相上下。現(xiàn)代NEXO、豐田Mirai、奔馳GLC F-Cell均采用了插電式燃料電池混動(dòng)技術(shù)，即同時(shí)使用燃料電池堆和高壓鋰電池作為動(dòng)力輸出單元，大大提高了續(xù)航里程。

根據(jù)豐田汽車測(cè)算，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車，從油井、油箱再到車輪，效率為14%左右。而從油井制氫再到氫燃料電池車的車輪，效率約為28%－30%。內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)發(fā)展100多年，體系完善，能提高1%的效率都很不容易，而氫燃料電池車的效率比內(nèi)燃機(jī)汽車高出一倍。

日韓和歐洲的傳統(tǒng)車企更傾向于采用插電混動(dòng)技術(shù)，從研發(fā)車型上能看出，日韓目前用Hybrid混合動(dòng)力車過度，歐洲用插電混合動(dòng)力車過度。未來插電混動(dòng)技術(shù)也將應(yīng)用在燃料電池汽車上，2030年后燃料電池汽車將有可能成為主要發(fā)展路線。

而新興車企，如美國(guó)特斯拉、以及中國(guó)的眾多初創(chuàng)OEM企業(yè)，則由于在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上落后，更傾向于采用純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池汽車拆解圖

新一代的NEXO，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋下的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元和燃料電池堆進(jìn)行優(yōu)化和高度集成，不但讓系統(tǒng)體積和重量都有所下降，還把系統(tǒng)效率大幅度提高到了60%，輸出功率也從129馬力提高到了154馬力，這不但意味著其在加注同等重量氫氣的條件下，可以跑更遠(yuǎn)的距離，還可以跑得更快（極速?gòu)?60km/h提高到了179 km/h）。

圖：現(xiàn)代NEXO與上一代ix35 FCEV技術(shù)性能對(duì)比

圖：現(xiàn)代NEXO“gen4”燃料電池，相較于上一代系統(tǒng)性能指標(biāo)提升

現(xiàn)代NEXO將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)powertrain of Fuel Cell (PFC)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)powerElectric (Electric motor + reduction gear + inverter)集成在在一起，放置于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙，是整套系統(tǒng)最核心的部件。

現(xiàn)代NEXO搭載了三個(gè)52L的氫燃料罐Hydrogen storage system，放置于車身后方，可以有效保障發(fā)生前方碰撞時(shí)駕駛員的安全。氫燃料電池罐采用了快速排氣系統(tǒng)Exhaust system，可以保證在事故發(fā)生時(shí)最快速、安全的排空氫氣，避免發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。

高壓電池系統(tǒng)High-voltagebattery放置于車身尾部，采用了40KW鋰電池組，240V電壓，可以純電驅(qū)動(dòng)提升續(xù)航里程，同時(shí)也起到預(yù)熱車輛、回收能量等作用，因此目前燃料電池汽車普遍采用動(dòng)力電池組和燃料電池堆并聯(lián)的混動(dòng)架構(gòu)。

圖：現(xiàn)代NEXO動(dòng)力系統(tǒng)爆炸圖

爬坡和加速時(shí)，燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)供電，通過逆變器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力輸出；正常行駛時(shí)，燃料電池輸出，給動(dòng)力電池充電，同時(shí)通過逆變器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力輸出；下坡和減速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過逆變器向動(dòng)力電池回收能量。

圖：現(xiàn)代NEXO工作原理

圖：現(xiàn)代NEXO控制管理（Control Management）

圖：現(xiàn)代NEXO 能量流（Power Flow）

由于FCEV可以像加油一樣為車輛加注氫氣，且氫氣儲(chǔ)量也可以通過擴(kuò)展儲(chǔ)氫罐來直接擴(kuò)容，NEXO可以在5分鐘之內(nèi)為3個(gè)儲(chǔ)氫罐加滿體積為52.2L的氫氣，并在更高的系統(tǒng)效率幫助下，實(shí)現(xiàn)609公里的續(xù)航里程（按照韓國(guó)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)），而上一代的FCEV“途勝ix”，用一大一小加起來總共140升的儲(chǔ)氫能力，僅僅能實(shí)現(xiàn)415公里的續(xù)航里程。

采用的三個(gè)相同的儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)，不但意味著NEXO儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫能力稍有提升，同時(shí)也使其布局更加靈活方便，既可以與電池等系統(tǒng)配合為后備箱騰出更大的空間，設(shè)計(jì)更規(guī)整的內(nèi)部形狀，又能大幅度降低整個(gè)系統(tǒng)的制造難度；即便是儲(chǔ)氫罐的數(shù)量從2個(gè)增長(zhǎng)到了3個(gè)，但NEXO整個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的重量卻從127.5kg下降到了111kg，這直接提高了氫重量在整體燃料系統(tǒng)重量里的比率。

NEXO的儲(chǔ)氫罐使用了一種具有優(yōu)異抗?jié)B性的新材料，通過高壓氣體釋放裝置來滿足可燃性要求，當(dāng)火焰接觸罐的任何部分而不只是釋放裝置時(shí)，它立即釋放所有氫。該罐體還具有耐火性，可以承受超過一個(gè)小時(shí)的火災(zāi)，以保障發(fā)生事故時(shí)及時(shí)疏散。

NEXO的儲(chǔ)氫罐通過了所有的內(nèi)部安全測(cè)試以及韓國(guó)的國(guó)家認(rèn)證要求。它還通過了歐洲的安全測(cè)試，甚至是聯(lián)合國(guó)的全球安全標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，該測(cè)試使儲(chǔ)氫罐受到極端壓力、重復(fù)充電壓力、和使用單個(gè)儲(chǔ)氫罐的跌落測(cè)試。

圖：現(xiàn)代NEXO儲(chǔ)氫罐（Fuel Tanks）

NEXO的高低壓系統(tǒng)與目前常見的電動(dòng)汽車類似，高壓240V驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電壓12V供應(yīng)電器部件，用DC/DC做電壓轉(zhuǎn)換。

圖：現(xiàn)代NEXO高低壓電池系統(tǒng)（High & Low Voltage Battery）

NEXO的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用集成化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器、減速器全部集成在一起，且電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了高度集成化，基本代表了目前燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)單元的最高技術(shù)水平。

圖：現(xiàn)代NEXO電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Motor drive）

燃料電池堆（Fuel Cell Stack）是燃料電池汽車最核心的部件，采用質(zhì)子交換膜技術(shù)，主要由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成的膜電極和雙極板構(gòu)成。

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池堆（Fuel Cell Stack）

除了最核心的燃料電池堆（Fuel Cell Stack），整套系統(tǒng)還需要壓縮機(jī)、加濕器、氫循環(huán)裝置、密封裝置等輔助設(shè)備，這些輔助設(shè)備是整套系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池輔助設(shè)備（Fuel Cell BOP）

NEXO燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度達(dá)到3.11LW/L，處于世界最高水平，甚至略高于豐田mirai，中國(guó)目前的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度遠(yuǎn)低于日韓水平，核心部件大多無法實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，技術(shù)水平至少落戶日韓5-10年。

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)封裝（Packaging）

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)封裝（Packaging）

圖：現(xiàn)代NEXO燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)封裝（Packaging）