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纯电动、燃料电池车在阿尔耶普卢格测试基地进行北极凌寒测试

2018-05-16 09:29:59·  来源:SAEInternational  
   
现代摩比斯的阿尔耶普卢格测试基地的最高平均温度为-7℃。基地内有一汪冰湖,占地160万平方米,是多种汽车性能的测试场所。


现代摩比斯的阿尔耶普卢格测试基地的最高平均温度为-7℃。基地内有一汪冰湖,占地160万平方米,是多种汽车性能的测试场所。

- By Sebastian Blanco


SAE《汽车工程》杂志记者也赶到这里,见证全新Nexo 燃料电池版、Kona电动版及现代自主研发的HVAC关键系统的冬季测试。

瑞典阿尔耶普卢格市距北极圈约57公里。数十年来,这座边远小城已成为了一个热闹的汽车工业中心。自从1973年的第一场冬季测试以来,这座城市已经成为了数十家整车企业和供应商的冬季驻地。这里的冬季平均最高温度约为19°F(-7℃),最低为3°F(-16℃)。每逢冬季,这座小城就成了工程师的天下。

当地居民将住宅出租给涌进的汽车大军,自己搬到别人家,或是和镇上的亲朋好友一起住露营车,这种临时生活方式是汽车动力绿色化进程必然导致的一个副效应。

在这些车企中,现代汽车(Hyundai)选择寒冷地带开展测试的动力尤为强烈。现代希望在2025前成为全球环保车辆市场的龙头企业,实现这一目标的关键是发展纯电动车和燃料电池车。而鉴于这两种车型在低温下的独特性能,保证HVAC(暖通空调)系统拥有卓越的低温性能就成为了现代的首要任务。

阿尔耶普卢格市也就这样成为了现代功能汽车研发部主管Gunther Frank的第二故乡。今年年初,《汽车工程》杂志受邀前往Frank团队的冬季驻地,当时他们正在筹备全新Nexo燃料电池版和Kona电动版的量产。



阿尔耶普卢格的一个温暖的木屋里,工程师们正在检查当天的数据。

FATC研发

现代HVAC系统的基础研发主要是在韩国南阳技术研究中心的气候室内完成。然后车辆被运到瑞典,进行场地测试和现场调校。Frank表示,低温测试通常会持续一到两周,接着进行同样时长的高温测试。而常温测试的时间最长,可能需要三到四周,因为FATC(全自动温度控制)系统很难实现常温下的精确调整。

“不论是从制冷或制热的角度来看,还是就FATC的控制而言,常温情况都要复杂很多,”Frank表示,“当我们在一个小时内从海拔2500米(8202英尺)、气温很低的阿尔卑斯山区开到22-23℃(72-73°F)的山谷,控制器需要感知到温度的变化,并做出反应。”

现代希望将FATC用于旗下所有车型,无论其采用何种动力类型。其基本构想是,驾驶员设好温度、按下“自动调节”按钮后,再也无需考虑开暖气还是冷气的问题。

“这当然是最理想的情况,但是人和人之间的差别很大,”Frank说道,“你今天的心情和另一天的心情相比,差别也会很大,我们无法创造出一个适用于所有情况的控制算法。这是一个很好的性能,但是你要确保用户可以修改系统,因为最终一切取决于用户的要求。”

不过对于在阿尔耶普卢格的Frank团队而言,更重要的挑战在于,如何在没有传统内燃机车辆所产生余热的条件下,获得稳定的热能。现代的全新燃料电池车和纯电动车均使用了高压电子压缩机。和旧版压缩机不同,电子压缩机可以独立运转,无需靠发动机带动,在座舱温度稳定之后可以关闭,进而降低能耗、提升效率。

由于高压系统无需等暖机后再运转,因此,和内燃机车型相比,它的制热速度更快。“从HVAC的角度看,新型车的情况比过去好太多了,”Frank说道,“如果没有电子制热设备,发动机启动后,座舱制热要花很长的时间。有了高压系统,我们可以让座舱马上变暖。”



上图为Nexo燃料电池电堆,下图为Nexo的空气处理系统。中间带有棱纹的是加湿器/空冷器模块。其右侧中间紫色部分是离心气泵。

Nexo 燃料电池版制热系统

Nexo 是现代计划于2018年推出的第二代燃料电池车型,和上一代途胜燃料电池版相比,Nexo电池堆栈的效率和性能都有了提升,而且所有零部件都经过了重新研发。Nexo的燃料电池系统实现了60%的效率,途胜为55%。此外Nexo还扩大了储氢容量,目前配备三个储氢罐,每罐容量为6.3千克(13.9磅)。这使得Nexo的续航里程在NEDC城市工况下达到了800公里(497英里),在美标工况下超过了370英里(595公里)。

虽然这些数字都只是初步测试成果,但是Nexo高级工程师Sang Ho Yoon表示,Nexo的续航里程应该比途胜燃料电池版高35%左右,后者的美标测试结果为256英里(426公里)。

Nexo的驱动和制热都是靠同一种能源,因此研发出一个高效的HVAC系统成为了实现长续航的关键。电堆在冷却时也会产生一些余热供Nexo的HVAC系统使用,这一点和传统内燃机车有些相似,但就整体过程而言,两者的差别还是很大。好消息是这种差别并没有影响Nexo的HVAC系统性能。

Frank在一个室外温度只有-23℃(-9.4°F)的日子成功证明了Nexo的快速制热性能,这让他很高兴。在短短三分钟之后,一个与驾驶员胸部位置持平的温度感应器显示车内温度已经达到了15°C(59°F)。

“我们的内部目标是,当环境温度为-20℃(-4°F)时,座舱的平均温度可以在开车后20分钟内达到18℃(64°F),”Frank说道,“相信我,对小型内燃机车来说,要达到这个目标非常困难。而对我们的纯电动和燃料电池车型而言,这将轻而易举。”



燃料电池版的电堆能量加热使用循环:第一步,COD(阴极氧消耗)加热器加热电堆制冷剂;第二步,PTC加热器提供主要热能;第三步,随着制冷剂温度的升高,PTC加热器功率下降,达到节能效果;第四步,当制冷剂加热器温度足够提供热量后,关闭PTC加热器。

Frank还说道,车内搭载的3.7 kW Air Side PTC(正温度系数)热敏电阻也是快速制热的一大功臣。早在90年代,人们就开始研究使用PTC热敏电阻作为车载加热器。有些汽油车也采用了PTC热敏电阻,例如一些三缸欧系车搭载的1Kw PTC单元。而在替代能源车辆上,PTC才真正有了用武之地。

他解释道,“要加热燃料电池车的座舱,第一步是加热电堆的冷却系统。然后,PTC就会开始为Nexo的座舱快速提供热量。电堆温度升高后,余热产生,PTC的功率下降。在瑞士,我们发现PTC功率可以一直降到零。”

“当车辆状态稳定后,制热过程就和内燃机车很相似了。制热系统的运行不需要额外的电能,”Frank说道,“在稳定状态下,续航里程不会受到影响。”

现代为Nexo内部研发了一款全新的膜电组件和3D多孔流场。Yonn表示,“3D多孔流场是为Nexo电堆制定的全新概念,它可以提升能量密度,改善电堆性能。”他还说道,Nexo采用了全球最小的汽车供氢系统,因为Nexo摒弃了途胜燃料电池版的氢气循环泵,仅靠喷嘴为电池堆的电化学反应提供氢气。

此外,Nexo的全新热管理系统采用了一个双向阀门和一个四向阀门,从而改善了电堆制冷剂温度控制的响应性。Yoon表示,这是首次在电动汽车上使用四向阀门,它可以改善Nexo的冷启动性能。冷启动是燃料电池汽车的硬伤,但Nexo可以达到现代旗下所有内燃机车必须通过的标准,即在-30℃(-22°F)下启动。

而且这不是唯一Nexo可以和内燃机车相媲美的地方。据Yoon介绍,由于Nexo采用了一种全新的高度耐用膜、一种全新的电池堆铂金催化剂以及一项全新的操控技术,因此其动力总成的额定使用寿命和现代内燃机车一样,都是10年16万公里(10万英里)。

Nexo动力总成的最大输出功率为120kW、最大扭矩为395N·m。据称,这将使Nexo的最高时速在途胜燃料电池版的基础上提升10%,加速性能提升25%。



Nexo热能管理系统首次使用了使用四向阀门,它可以改善电堆制冷剂温度控制的响应性。

Kona电动版的制热系统

Kona电动版分为两款。第一款的电池容量为64 kWh,续航里程为470公里(292英里),(这里所有续航里程都只是基于WLTP“世界协调车辆排放试验规程”制定的目标数据。)功率为204hp,百公里加速7.6秒。第二款的电池容量为39kWh,续航里程为300公里(186英里),电机功率为135 hp,百公里加速9.3秒。两款的最大扭矩都是395N·m。如果使用100kW的快充器,第一款车可在不到一个小时内充满80%的电量,但如果使用7.2 kW Level 2充电器,充电时间将长达近10小时。

电动汽车面临的一大难题就是根据座舱温度调节电池温度。Kona 电动版采用了Ionia和起亚Soul电动款的气冷电池组,但加大了尺寸。Kona电池组的最高工作温度为40℃(104℉)。为防止过热,电动版采用了一个主动液冷系统和一个散热器。如果还不能满足要求,也可以使用座舱的空调系统来冷却电池组。

和Nexo一样,Kona 电动版也采用了Air Side PTC热敏电阻,功率为5kW,此外还有一个2.7kW的热泵。之所以采用比Nexo更强劲的PTC,是因为Kona电动版没有燃料电池堆的余热可供座舱制热。不过,Kona还是可以汲取电机等其它电子零部件的热能。

Frank说,“我们可以传递其它热能来加热座舱,这样的话,整体加热系统的效率都能得到提升。”

Kona热泵系统的理想工作温度为0℃(32℉)以上,使用空气中的热能来驱动AC。Frank表示,当环境温度为0℃(32℉)、座舱温度为23℃(73℉)时,“和关闭加热器相比,PTC系统的热能损失多了近40%,但由于热泵系统可以产生超过20%的额外能量,因此整体能效会更高。”

为了让新能源车型的用户满意,这些都是现代冬季测试工程师必须达成的目标。如果PTC、FATC等HVAC组成部件能在阿尔耶普卢格运作,那么其它地方就应该不是问题。要是不行,那就再回到这片严寒之中做更多的测试。



Kona纯电动和Nexo的冰湖趣味

一辆早期原型车的驾驶体验,往往只能帮助我们粗略猜想未来量产车的性能表现,但是在瑞典北部,开着全新的现代Nexo氢燃料电池版和Kona电动版在冰湖上疾驰,却向我们证明了一点——环保车的调校方式不止一种。

几乎可以肯定地说,Nexo的价格会高出Kona,这似乎是理所当然的。Nexo的悬挂更灵活,稳定控制系统更强,即使在现代的冰湖赛道上,也极少会失去抓地力。节气门和转向响应性虽然受到了极大的限制,但是系统可以进行迅速且强力的干预,这对于量产车型的安全性能来说是个良好的开端。车辆没有发生太多的过度转向,而至于转向不足的情况,在冰面上自然是会出现的。

相比之下,Kona电动版离量产还有更长的距离。在严寒极限下,车辆后部噪声十分明显。安全控制策略的调校也有所不同,车辆可以在冰面上适度漂移。因此,在广阔的冰面赛道的安全范围内,驾驶电动版更有意思,这也意味着两种车型中,电动版可能是更有乐趣的一款。

Kona电动版的重心低,驾驶稳定性好,这要感谢安装在底板下的电池组。在湿滑路面,很难测试电动版的最快加速度。但在冰面上,当车速达到100km/h (62mph)时,车辆的扭矩表现仍十分出色,不过一旦碰到湿滑路段,就算将油门踩到底,加速效果也十分微弱。

这两款零排放车型都采用了防滑轮胎,驾驶稳定性很好。Kona采用的是大陆215-55 R 17 V XL WinterContact TS 850P 轮胎,Nexo则选用了韩泰Winter I-cept Evo2 245/45R19 102V M+S轮胎。

 

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