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[新能源汽车用材] 丰田燃料电池汽车Mirai技术分析

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发表于 2020-3-31 08:43:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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丰田燃料电池汽车Mirai技术分析

伍庆龙 张天强
(中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院,长春 130013)
中国汽车材料网【摘要】 燃料电池汽车因具有零排放、续驶里程长、燃料加注快和噪声低等优势,引起了国内外汽车产商的广泛关注,将燃料电池新能源汽车作为研发的重点,并推出了一些量产的燃料电池汽车。基于丰田Mirai燃料电池汽车,对其技术原理和核心总成部件进行了综述分析,并对燃料电池汽车的发展方向和关键技术问题进行了思考和建议,为读者提供了有益的参考和借鉴。
主题词: Mirai车辆 燃料电池汽车 动力系统 总成技术 零排放

随着国家新能源汽车战略地位的不断提升,新能源汽车的研发受到了越来越多汽车产商的关注与推动[1]。燃料电池汽车具有零排放、续驶里程长、燃料加注快和噪声低等优势,有关该类新能源汽车的研发逐步成为热点,氢燃料可以通过多种一次性的能源进行生产,将来也有望成为常规性的燃料之一。现如今有很多国家已经将氢燃料电池汽车推动到产业化的发展阶段,以日本丰田、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[2],例如现代ix35 FCV、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。本文选取丰田Mirai燃料电池汽车进行技术分析,为读者提供一些借鉴和参考。
2 丰田Mirai整车基本参数

Mirai是丰田第一款量产的氢燃料电池汽车,运用了丰田燃料电池电堆和高压氢储存技术。该燃料电池系统相比于传统内燃机具有更高的能效,而且可实现CO2零排放。丰田Mirai车辆的氢燃料加注只需约3 min,加满后的续驶里程可以达到500 km以上,在保证了足够多的续驶里程前提下,同时相比于传统的燃油车又具有更好的便利性,因此该款车辆一经上市便受到了广泛的关注。Mirai燃料电池汽车外形如图1所示,其整车相关参数如表1所示。

3 动力系统构型方案

Mirai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2所示。丰田将这套系统称之为TFSC(Toyota FCStack),即丰田燃料电池堆栈,它是以燃料电池堆栈为主要核心组件的动力系统,燃料电池通过转换器与电路总线相连接,动力电池与燃料电池之间经过逆变器转化后将电能输送给驱动电机。

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图1 Mirai燃料电池汽车外形[3]

表1 Mirai燃料电池汽车参数
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图2 Mirai动力系统基本构型

Mirai车辆没有传统的燃油发动机,也没有变速器,发动机舱内部是驱动电机及其控制单元。动力系统的布置方案如图3所示,其中驱动电机布置于车辆前舱区域,燃料电池布置于前排座椅下方,动力电池布置于座椅后方,两个储氢罐布置于后排座椅下方。

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图3 Mirai动力系统布置概况[3]

4 动力系统运行分析
4.1 动力系统能量流分析

Mirai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,利用化学反应产生出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。

Mirai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。

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图4 动力系统能量流路径

(1)氧气从车辆前进气格栅进入燃料电池内,将与氢气发生反应;

(2)储氢罐中的氢气进入燃料电池内,将与氧气发生反应;

(3)氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应生成水和电能;

(4)生成的电能供给驱动电机使用;

(5)驱动电机利用电能驱动车辆;

(6)最后,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。

4.2 氢燃料电池原理分析

在氢燃料电池中,是利用氢氧化学反应过程中的电荷转移来形成电流的[4]。氢气和氧气持续且分别地供给电池的2个电极,并在电极处发生反应。氢气供给正极,在该电极处需要依靠催化剂,将电子从氢气中释放。在2电极电位差作用下,电子经外电路流向负极,从而产生出了电能,在负极处,正离子和氧结合产生的反应物为水。

因为氢分子体积小,可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去,但是在穿越孔洞的过程中,电子从分子上被剥离出,只留下带正电的氢质子通过,氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子、将氧气拆分成氧离子(负电)和电子,电子在电极板之间形成电流,两个氢离子和一个氧离子结合成为水。即通过氢气和氧气结合,产生出电能和水,电能供车辆使用,水排出车外,工作原理如图5所示。

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图5 燃料电池运行原理[5]

5 动力系统关键总成

Mirai燃料电池汽车动力系统关键总成包括驱动电机系统、燃料电池电堆、燃料电池升压器、高压储氢罐和动力电池,各总成在车辆上的分布如图6所示。

5.1 驱动电机系统

Mirai车辆的动力驱动系统主要为驱动电机系统,包括电机本体及其动力控制单元,整车的动力需求由动力控制单元计算后分配到车辆驱动轮上。在不同的行驶工况条件下,利用动力控制单元可以控制动力电池的充放电,并可以实现策略优化,提高经济性。

驱动电机位于车辆前舱区域,最大功率为113 kW,峰值扭矩为335 N∙m,动力相当于2.0 L自然吸气的汽油机水平,大扭矩输出保证了其良好的中低速响应,驱动电机由燃料电池和动力电池组联合供电,电机直接驱动车轮。

5.2 燃料电池电堆
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图6 Mirai动力系统关键总成[3]

Mirai车辆的燃料电池总成由燃料电池电堆、辅助元件(氢循环泵等)和升压转换器组成,是一套轻便、低成本的一体化燃料电池总成。类似于蓄电池的化学反应,燃料电池借助于电化学过程,将内部燃料的化学能直接转换为电能。另外,燃料电池的电压与反应中释放的能量和转移的电子数密切相关。

作为整车能量供给的主要来源,燃料电池总成的能量密度达到了3.1 kW/L,可输出功率114 kW,同时,它也是丰田第一个量产的燃料电池总成,具有小型化及高输出的特点。

5.3 燃料电池升压器

Mirai车辆的燃料电池是由370个电芯叠加组成在一起,由于燃料电池堆栈中每片电芯发电的电压范围约为0.6 V~0.8 V,整体未超过300 V,为了更好地给驱动电机供电,还需要一个升压转换器将电压进行提升。Mirai车辆配置了一个紧凑且高效的大容量升压器,能够将燃料电池最终输出的电压进行提升,以满足驱动电机的最大输出需求。该升压转换器体积为13 L,可以将燃料电池提供的电压等级从250 V提高至650 V。

燃料电池的升压拓扑结构如图7所示,经过升压转换后提高了总体电压的水平,减少了电池单元的数量,总体上可减小系统的体积和重量,降低成本并提高系统的可靠性,最终实现燃料电池系统的轻量化和小型化。

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图7 燃料电池升压拓扑

5.4 动力电池总成

Mirai车辆配置了1.6 kW·h的动力电池组,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,而燃料电池堆栈也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。

5.5 高压储氢罐

Mirai车辆配置了2个氢储存罐,容积分别为60 L和62.4 L,罐内储存着燃料电池反应所需要的氢气,最大可承受70 MPa的压力(约700个大气压),氢存储量可以容纳约为5.0 kg。

储氢罐采用碳纤维和防弹衣面料制造,可以抵挡轻型枪械的攻击。储氢罐体结构分为3层,内层采用高分子聚合物材料,与氢气接触不反应,中间层采用热塑性碳纤维增强塑料,外层采用玻璃纤维增加聚合物材料。每一个保护层的纤维纹路都根据所处罐身位置的不同而做了额外的优化,使纤维顺着压力分布的方向,进一步提升保护层的效果。

6 结束语

丰田Mirai燃料电池汽车自上市以来便引起了极大的关注,同时也取得了较为可观的市场销量。对于丰田公司而言,普锐斯Prius打造出了混合动力汽车时代,而Mirai开辟了高效的氢燃料汽车时代,作为未来新能源车型的方案之一,燃料电池汽车可以快速填充燃料,只需要3 min的时间,基本上解决了续驶里程和充电时间这两个纯电动车辆需要面对的问题,同时整车可以实现二氧化碳的零排放。

当前,发展氢燃料电池汽车有着十分明显的优势,而且氢燃料电池汽车的相关技术已有实质性突破,政策也在不断加大引导。但是,仍存在一些制约因素,未来要大规模发展,氢燃料电池汽车除了核心技术仍需提升之外,更关键在于加快完善基础设施,比如建立多个加氢站点以提高加氢便利性,另外,燃料电池汽车的大力发展也需要政府和企业之间的共同努力,需要不断强化示范运行,并适当探寻全新的商业运营模式。




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