深度剖析本田Clarity燃料電池汽車的創(chuàng)新技術(shù)與架構(gòu)

文/Stuart Birch

深度剖析本田Clarity燃料電池汽車的創(chuàng)新技術(shù)與架構(gòu)

文/Stuart Birch

本田表示,Clarity Fuel Cell是世界首款將燃料電池系統(tǒng)(包括燃料電池堆棧)完全封裝進(jìn)發(fā)動機(jī)蓋下的轎車.Clarity燃料電池汽車的加氫時長甚至都與汽車加油很接近,加滿141L的雙儲氫罐大約需要5到6分鐘.這也就是說,只需五分鐘,你就可以駕駛著這輛寬敞、舒適的新能源轎車飛馳589公里左右.根據(jù)美國環(huán)保署(EPA)估計,Clarity Fuel Cell的綜合燃料經(jīng)濟(jì)性為3.5升/100公里.現(xiàn)階段,美國南加州共有26個投入使用的公共加氫站.

技術(shù)難題已經(jīng)解決

2017款Clarity Fuel Cell的首席工程師與開發(fā)主管Kiyoshi Shimizu自1997年即開始領(lǐng)導(dǎo)本田燃料電池動力開發(fā)部門的工作.從1998年僅能乘坐"1個半人"的小貨車(被稱為"輪子上的化學(xué)工廠")到今天成功將整個動力系統(tǒng)(包括燃料電池堆棧、驅(qū)動單元及所有相關(guān)動力、控制元件)完美封裝進(jìn)發(fā)動機(jī)艙的Clarity Fuel Cell,本田對燃料電池技術(shù)的研發(fā)追求已經(jīng)持續(xù)了幾十年.值得一提的是,與本田3.5L V6發(fā)動機(jī)相比,Clarity完整推進(jìn)系統(tǒng)所需的安裝空間甚至還會更小.

本田稱,Clarity的整潔封裝技術(shù)為世界首創(chuàng).目前,世界上唯一一款量產(chǎn)的燃料電池轎車為豐田Mirai,而Mirai是將燃料電池堆棧安裝在乘客艙的地板下方,這點與Clarity Fuel Cell的前款,即1998年推出的FCX Clarity相同.此外,另外一款已經(jīng)公開發(fā)售的燃料電池汽車是現(xiàn)代汽車的Tucson 燃料電池汽車.不過,現(xiàn)代最近發(fā)布了一款采用第四代燃料電池技術(shù)的概念跨界車,并許諾將作為一款2018年車型公開上市,為用戶提供800公里的續(xù)航里程.

2017款Clarity Fuel Cell燃料電池汽車

正如Clarity Fuel Cell幾乎不可思議的封裝所展示的一樣,本田新一代燃料電池汽車幾乎在各個方面都較前款有了顯著的提升.

從封裝方面來看,通過多個方面的努力配合與進(jìn)步,Clarity所采用的新動力系統(tǒng)的電機(jī)高度縮小34%,更重要的是電池單體的數(shù)量減少了30%.此外,新電池單體自身的厚度也降低了20%.在這樣的支持之下,新的電池系統(tǒng)得以水平安裝,而非一定要垂直安裝.

盡管電池數(shù)量有所減少,但每個電池單體的輸出均增加了1.5倍,總功率達(dá)103千瓦,按照每個堆棧33升的容量,也就是說每個堆棧的功率密度為3.1千瓦.很顯然,電池的輸出電壓更高,牽引電機(jī)可以使用的功率就越大.

動力傳動系統(tǒng):更高功率、更低噪聲

盡管工程師希望可以提高系統(tǒng)的功率和效率,但他們也同樣希望降低噪音,無論是燃料電池的"進(jìn)氣口"部分,還是驅(qū)動單元本身.

首先,氧氣的供應(yīng)至關(guān)重要,充足的氧氣才能保證燃料電池堆棧的正常運(yùn)行;Clarity還采用了一款新型電驅(qū)動兩級空氣壓縮器為燃料電池堆棧輸送氧氣,無論技術(shù)還是NVH性能方面均有較大提升.所搭載的ICE型渦輪增壓器的噪聲更低,同時一款更簡單的消音器能夠消除更高頻率的噪聲(相較于之前的羅茨壓縮器),而且還可以輸送1.7倍的空氣.此外,壓縮機(jī)的體積也縮小了40%左右.

盡管如此,這款安靜、強(qiáng)大的電動渦輪增壓器需要消耗大量能量.首席工程師Shimizu介紹,這款增壓器的功率需求通常在1~2千瓦之間.但由于新型燃料電池堆棧的能量密度更高,可以為電機(jī)提供所需的功率,這是本田與一家供應(yīng)商的聯(lián)合開發(fā)成果.

此外,Clarity 燃料電汽車的動力系統(tǒng)還采用了一款"燃料電池電壓控制單元",這是一部大約4英寸厚的增壓器(也是打開發(fā)動機(jī)蓋時第一個看到的組件),可以通過一種碳化硅半導(dǎo)體材料將燃料電池的功率輸出提高至500伏,從而極大地提高開關(guān)頻率,且可以采用一個體積更小的散熱器,而非傳統(tǒng)的純硅材料半導(dǎo)體散熱器.

為了精簡動力系統(tǒng)的尺寸,2017款Clarity Fuel Cell燃料電池汽車采用了多項創(chuàng)新技術(shù),主要集中在燃料電池堆棧和交流同步推進(jìn)電機(jī)方面

之前,FCX Clarity燃料電池堆棧最高可向交流同步電機(jī)輸出330伏電壓,而升級后的輸出高達(dá)500伏,這意味著電機(jī)的功率輸出將提升30%達(dá)到174馬力,而扭矩也從之前的256牛.米提高至 300 牛.米.此外,電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也從之前的12500轉(zhuǎn)提高至13000轉(zhuǎn),最高時速則上升至166公里/小時.

這款電機(jī)本身也經(jīng)過了一系列精細(xì)調(diào)整,以減少噪音.電機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)被分為四部分,而非之前的兩部分.本田表示,這種設(shè)計可以降低轉(zhuǎn)矩波動,而經(jīng)過優(yōu)化的轉(zhuǎn)子則可以減少震動,電機(jī)外殼也增加了結(jié)構(gòu)性支撐條的數(shù)量.根據(jù)本田的計算,車輛加速度為0.2g時,電機(jī)傳送至車廂的噪聲可降低25%.

安靜電機(jī)與電動渦輪增壓器設(shè)計的完美配合仍需面臨一個困擾大多數(shù)燃料電池汽車的NVH問題:壓縮機(jī)噪音和電機(jī)"嗚咽".記者在啟動Clarity時(車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)已經(jīng)關(guān)閉的情況下)還是可以聽到一陣小聲的尖聲"嗚咽"傳入車艙.另外,在高速公路上將油門踩到底全速飛馳時的情況也一樣.

新的基礎(chǔ)、大量優(yōu)化創(chuàng)新

2017款Clarity燃料電池汽車的尖端動力傳動系統(tǒng)離不開本田的一個全新平臺.這個平臺似乎沒有特別的名字,但采用了"直線型車架"結(jié)構(gòu),可以最大化車艙空間、減少重量并為這款燃料電池汽車提供更加優(yōu)化的行駛動力表現(xiàn).與現(xiàn)行版混動雅閣相比,這款全新平臺的重心降低了10 厘米 ,經(jīng)過專門設(shè)計,可以支撐鋁制內(nèi)襯碳纖維/玻璃纖維儲氫罐

(世界第一)的重量.

此外,車輛的四輪獨立懸架系統(tǒng)采用了幾種巧妙的輕量化技術(shù):系統(tǒng)的前支柱采用了鍛造鋁材料的下懸掛臂,重量較常用的壓制鋼材料輕30%,而且可以減少10%的轉(zhuǎn)向節(jié).車輛后方的多連桿均采用了全鋁材料(與鋼材相比重量降低40%),橫拉桿則采用了高強(qiáng)度鍛造鋁材料,成功為該部件減重20%.

Clarity Fuel Cell還有另一項世界首創(chuàng):一款空心的壓鑄鋁材前副車架.這種設(shè)計可以減少需要焊接的部位數(shù)量,并降低20%的重量;此外,這種借鑒于摩托車的車架設(shè)計還能同時為車輛提供一個異常強(qiáng)勁的剛性結(jié)構(gòu).

另外,本田為新款Clarity搭配了一款世界首創(chuàng)玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)后保險杠,并將前部的鋼制隔板也替換為一款"混合"塑料組件.本田表示,該汽車平臺40%的組件均采用了超高張力鋼材,且Clarity也是980 MPa級高成型鋼首次登陸汽車應(yīng)用.由于采用了鋁質(zhì)車身板等其他先進(jìn)輕質(zhì)材料,據(jù)稱Clarity Fuel Cell的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的中型轎車更強(qiáng),但卻更輕15%.

在尺寸和重量方面,Clarity Fuel Cell的軸距為2750毫米,總長度為4895 毫米,幾乎與雅閣相同,而且從尺寸上也與豐田的Mirai很相似,但Carity為5座車,而Mirai為4座車.這款本田燃料電池轎車內(nèi)部空間為2.88立方米,而最寬敞的雅閣則最大

為了減輕懸掛、架構(gòu)和車身的重量,2017款Clarity Fuel Cell采用了大量混合材料.根據(jù)介紹,上圖中的紅色和橘黃色部分分別代表高成型、高張力鋼,這也是這些材料在汽車領(lǐng)域的首次應(yīng)用;綠色部分代表混合塑料材料;車輛的后保桿采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP),據(jù)稱這也是CFRP材料在高沖擊區(qū)的首次應(yīng)用

2017款Clarity基于本田全新專用電動汽車平臺設(shè)計,采用了車艙空間最大化的"直線型車架"配置,可以便于車輛的封裝,據(jù)稱還可以提供更好的碰撞性能.此外,本田的全新平臺還經(jīng)過專門設(shè)計,配合Clarity的雙儲氫罐設(shè)計.

本文由SAE International - 國際自動機(jī)工程師學(xué)會之《國際汽車工程 (AEI)》雜志授權(quán)《車迷》發(fā)布,版權(quán)歸SAE International - 國際自動機(jī)工程師學(xué)會所有.原標(biāo)題:"Clarity of purpose".更多汽車技術(shù)資訊,敬請關(guān)注SAE International微信訂閱號:SAEINTL可以為車上人員提供2.92立方米的空間.這款Clarity Fuel Cell重約1875千克,比自動檔雅閣要重318 千克.

從體積和功能來看,2017款Clarity Fuel Cell一點也不輸給任何一款傳統(tǒng)的中尺寸轎車(也許后備廂空間的確小了一些).但倡導(dǎo)環(huán)保的加州又給有意愿購買Clarity的車主更多福利.本田Clarity Fuel Cell的"租售"條件為2500美元首付、369美元月租(合同期限36個月),但考慮到加州提供的5000美元立即返款和本田提供的價值15000美元的加料卡,相當(dāng)于用戶每月出不了多少錢.許多加州經(jīng)銷商都有客戶訂購了這款車型.本田相關(guān)人士透露,Clarity Fuel Cell目前在日本櫪木生產(chǎn),但最終的量產(chǎn)可能將交給其他工廠進(jìn)行.

與同尺寸的本田雅閣(Honda's Accord)中型轎車和競爭對手豐田Mirai相比,Clarity Fuel Cell的內(nèi)部空間更加寬敞、加速性能相當(dāng)干脆,完全讓人感覺不到這款車整備重量達(dá)到了1875千克

燃料和基礎(chǔ)設(shè)施怎么樣了?

事實上,大家對氫燃料電池汽車是否環(huán)保可能非常矛盾.批評人士表示,氫燃料的生產(chǎn)及后續(xù)的壓縮過程均非常消耗能量,而這會擴(kuò)大氫燃料的碳足跡,但也有主流研究認(rèn)為,氫燃料(天然氣制成)電池汽車的"油井到車輪"排放僅為汽油車型的一半.Clarity的首席工程師Shimizu告訴我們氫燃料(天然氣制成)的"油井到車輪"能源效率優(yōu)于混合電動汽車,并強(qiáng)調(diào)了燃料電池汽車不會產(chǎn)生任何尾氣排放的事實.

有關(guān)二氧化碳排放的爭論可能還將繼續(xù),但幾乎沒人可以否認(rèn)燃料電池汽車加料網(wǎng)絡(luò)缺乏的現(xiàn)實.目前,加氫站僅僅在加州的進(jìn)行了部署,并"遵從了"加州的游戲規(guī)則.本田的替代燃料實現(xiàn)方面的老員工Stephen Ellis表示,快速的加氫時間、Clarity的長續(xù)航里程以及不斷完善的"氫高速公路"網(wǎng)絡(luò)都將讓氫燃料汽車成為一種切實可行的汽車選擇.

如果氫燃料的供給變得更加普及,Clarity Fuel Cell應(yīng)該大可以和其他電池電動汽車好好比拼一下.

Clarity of Purpose