豐田燃料電池汽車Mirai技術分析

伍慶龍 張?zhí)鞆?/p>

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞： Mirai車輛 燃料電池汽車 動力系統(tǒng) 總成技術 零排放

1 引言

隨著國家新能源汽車戰(zhàn)略地位的不斷提升，新能源汽車的研發(fā)受到了越來越多汽車產(chǎn)商的關注與推動[1]。燃料電池汽車具有零排放、續(xù)駛里程長、燃料加注快和噪聲低等優(yōu)勢，有關該類新能源汽車的研發(fā)逐步成為熱點，氫燃料可以通過多種一次性的能源進行生產(chǎn)，將來也有望成為常規(guī)性的燃料之一?，F(xiàn)如今有很多國家已經(jīng)將氫燃料電池汽車推動到產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展階段，以日本豐田、本田和韓國現(xiàn)代為代表的汽車制造商已經(jīng)開始量產(chǎn)燃料電池汽車[2]，例如現(xiàn)代ix35 FCV、豐田Mirai以及本田Clarity燃料電池汽車均已量產(chǎn)上市，而奔馳、寶馬和奧迪等汽車產(chǎn)商也推出了量產(chǎn)技術。本文選取豐田Mirai燃料電池汽車進行技術分析，為讀者提供一些借鑒和參考。

2 豐田Mirai整車基本參數(shù)

Mirai是豐田第一款量產(chǎn)的氫燃料電池汽車，運用了豐田燃料電池電堆和高壓氫儲存技術。該燃料電池系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機具有更高的能效，而且可實現(xiàn)CO2零排放。豐田Mirai車輛的氫燃料加注只需約3 min，加滿后的續(xù)駛里程可以達到500 km以上，在保證了足夠多的續(xù)駛里程前提下，同時相比于傳統(tǒng)的燃油車又具有更好的便利性，因此該款車輛一經(jīng)上市便受到了廣泛的關注。Mirai燃料電池汽車外形如圖1所示，其整車相關參數(shù)如表1所示。

3 動力系統(tǒng)構型方案

Mirai車輛采用了燃料電池和動力電池2種能量來源相結合的組合方式，屬于電-電混合的動力系統(tǒng)構型，如圖2所示。豐田將這套系統(tǒng)稱之為TFSC（Toyota FCStack），即豐田燃料電池堆棧，它是以燃料電池堆棧為主要核心組件的動力系統(tǒng)，燃料電池通過轉換器與電路總線相連接，動力電池與燃料電池之間經(jīng)過逆變器轉化后將電能輸送給驅動電機。

圖1 Mirai燃料電池汽車外形[3]

表1 Mirai燃料電池汽車參數(shù)

圖2 Mirai動力系統(tǒng)基本構型

Mirai車輛沒有傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機，也沒有變速器，發(fā)動機艙內(nèi)部是驅動電機及其控制單元。動力系統(tǒng)的布置方案如圖3所示，其中驅動電機布置于車輛前艙區(qū)域，燃料電池布置于前排座椅下方，動力電池布置于座椅后方，兩個儲氫罐布置于后排座椅下方。

圖3 Mirai動力系統(tǒng)布置概況[3]

4 動力系統(tǒng)運行分析

4.1 動力系統(tǒng)能量流分析

Mirai車輛通過燃料電池總成輸送電能給驅動電機，其驅動方式是通過氫氣與氧氣在燃料電池堆內(nèi)發(fā)生反應，利用化學反應產(chǎn)生出的電能來帶動驅動電機，最終驅動車輛行駛，同時反應產(chǎn)生的其他剩余電能可以存入儲能動力電池組內(nèi)。

Mirai車輛的動力系統(tǒng)能量流向路徑如圖4所示，具體的步驟如下。

圖4 動力系統(tǒng)能量流路徑

（1）氧氣從車輛前進氣格柵進入燃料電池內(nèi)，將與氫氣發(fā)生反應；

（2）儲氫罐中的氫氣進入燃料電池內(nèi)，將與氧氣發(fā)生反應；

（3）氫氣和氧氣在燃料電池中發(fā)生化學反應生成水和電能；

（4）生成的電能供給驅動電機使用；

（5）驅動電機利用電能驅動車輛；

（6）最后，燃料電池內(nèi)反應產(chǎn)生的水排出車輛外，整個過程實現(xiàn)了無污染零排放。

4.2 氫燃料電池原理分析

在氫燃料電池中，是利用氫氧化學反應過程中的電荷轉移來形成電流的[4]。氫氣和氧氣持續(xù)且分別地供給電池的2個電極，并在電極處發(fā)生反應。氫氣供給正極，在該電極處需要依靠催化劑，將電子從氫氣中釋放。在2電極電位差作用下，電子經(jīng)外電路流向負極，從而產(chǎn)生出了電能，在負極處，正離子和氧結合產(chǎn)生的反應物為水。

因為氫分子體積小，可以透過薄膜的微小孔洞游離到對面去，但是在穿越孔洞的過程中，電子從分子上被剝離出，只留下帶正電的氫質子通過，氫質子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。電解質薄膜兩側的電極板將氫氣拆分成氫離子（正電）和電子、將氧氣拆分成氧離子（負電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個氫離子和一個氧離子結合成為水。即通過氫氣和氧氣結合，產(chǎn)生出電能和水，電能供車輛使用，水排出車外，工作原理如圖5所示。

圖5 燃料電池運行原理[5]

5 動力系統(tǒng)關鍵總成

Mirai燃料電池汽車動力系統(tǒng)關鍵總成包括驅動電機系統(tǒng)、燃料電池電堆、燃料電池升壓器、高壓儲氫罐和動力電池，各總成在車輛上的分布如圖6所示。

5.1 驅動電機系統(tǒng)

Mirai車輛的動力驅動系統(tǒng)主要為驅動電機系統(tǒng)，包括電機本體及其動力控制單元，整車的動力需求由動力控制單元計算后分配到車輛驅動輪上。在不同的行駛工況條件下，利用動力控制單元可以控制動力電池的充放電，并可以實現(xiàn)策略優(yōu)化，提高經(jīng)濟性。

驅動電機位于車輛前艙區(qū)域，最大功率為113 kW，峰值扭矩為335 N?m，動力相當于2.0 L自然吸氣的汽油機水平，大扭矩輸出保證了其良好的中低速響應，驅動電機由燃料電池和動力電池組聯(lián)合供電，電機直接驅動車輪。

5.2 燃料電池電堆

圖6 Mirai動力系統(tǒng)關鍵總成[3]

Mirai車輛的燃料電池總成由燃料電池電堆、輔助元件（氫循環(huán)泵等）和升壓轉換器組成，是一套輕便、低成本的一體化燃料電池總成。類似于蓄電池的化學反應，燃料電池借助于電化學過程，將內(nèi)部燃料的化學能直接轉換為電能。另外，燃料電池的電壓與反應中釋放的能量和轉移的電子數(shù)密切相關。

作為整車能量供給的主要來源，燃料電池總成的能量密度達到了3.1 kW/L，可輸出功率114 kW，同時，它也是豐田第一個量產(chǎn)的燃料電池總成，具有小型化及高輸出的特點。

5.3 燃料電池升壓器

Mirai車輛的燃料電池是由370個電芯疊加組成在一起，由于燃料電池堆棧中每片電芯發(fā)電的電壓范圍約為0.6 V～0.8 V，整體未超過300 V，為了更好地給驅動電機供電，還需要一個升壓轉換器將電壓進行提升。Mirai車輛配置了一個緊湊且高效的大容量升壓器，能夠將燃料電池最終輸出的電壓進行提升，以滿足驅動電機的最大輸出需求。該升壓轉換器體積為13 L，可以將燃料電池提供的電壓等級從250 V提高至650 V。

燃料電池的升壓拓撲結構如圖7所示，經(jīng)過升壓轉換后提高了總體電壓的水平，減少了電池單元的數(shù)量，總體上可減小系統(tǒng)的體積和重量，降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性，最終實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的輕量化和小型化。

圖7 燃料電池升壓拓撲

5.4 動力電池總成

Mirai車輛配置了1.6 kW·h的動力電池組，與燃料電池分別起著不同的作用，在整車負載低的時候可以單獨用動力電池給驅動電機供電，帶動車輛前進，而燃料電池堆棧也可以通過發(fā)電給動力電池充電，動力電池把燃料電池堆產(chǎn)生的剩余電能儲存起來，供后續(xù)車輛急加速使用和車載用電器使用。

當車輛有較大的加速動力需求的時候，動力電池輔助燃料電池總成，兩者聯(lián)合向驅動電機供電，實現(xiàn)雙重供電滿足動力需求。當車輛減速行駛的時候，驅動電機轉化為發(fā)電機來回收動能，電能直接回饋輸送到動力電池組內(nèi)儲存起來。

5.5 高壓儲氫罐

Mirai車輛配置了2個氫儲存罐，容積分別為60 L和62.4 L，罐內(nèi)儲存著燃料電池反應所需要的氫氣，最大可承受70 MPa的壓力（約700個大氣壓），氫存儲量可以容納約為5.0 kg。

儲氫罐采用碳纖維和防彈衣面料制造，可以抵擋輕型槍械的攻擊。儲氫罐體結構分為3層，內(nèi)層采用高分子聚合物材料，與氫氣接觸不反應，中間層采用熱塑性碳纖維增強塑料，外層采用玻璃纖維增加聚合物材料。每一個保護層的纖維紋路都根據(jù)所處罐身位置的不同而做了額外的優(yōu)化，使纖維順著壓力分布的方向，進一步提升保護層的效果。

6 結束語

豐田Mirai燃料電池汽車自上市以來便引起了極大的關注，同時也取得了較為可觀的市場銷量。對于豐田公司而言，普銳斯Prius打造出了混合動力汽車時代，而Mirai開辟了高效的氫燃料汽車時代，作為未來新能源車型的方案之一，燃料電池汽車可以快速填充燃料，只需要3 min的時間，基本上解決了續(xù)駛里程和充電時間這兩個純電動車輛需要面對的問題，同時整車可以實現(xiàn)二氧化碳的零排放。

當前，發(fā)展氫燃料電池汽車有著十分明顯的優(yōu)勢，而且氫燃料電池汽車的相關技術已有實質性突破，政策也在不斷加大引導。但是，仍存在一些制約因素，未來要大規(guī)模發(fā)展，氫燃料電池汽車除了核心技術仍需提升之外，更關鍵在于加快完善基礎設施，比如建立多個加氫站點以提高加氫便利性，另外，燃料電池汽車的大力發(fā)展也需要政府和企業(yè)之間的共同努力，需要不斷強化示范運行，并適當探尋全新的商業(yè)運營模式。