伍慶龍 張?zhí)鞆?qiáng)

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

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

1 引言

隨著國(guó)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(lái)越多汽車產(chǎn)商的關(guān)注與推動(dòng)[1]。燃料電池汽車具有零排放、續(xù)駛里程長(zhǎng)、燃料加注快和噪聲低等優(yōu)勢(shì)，有關(guān)該類新能源汽車的研發(fā)逐步成為熱點(diǎn)，氫燃料可以通過(guò)多種一次性的能源進(jìn)行生產(chǎn)，將來(lái)也有望成為常規(guī)性的燃料之一?，F(xiàn)如今有很多國(guó)家已經(jīng)將氫燃料電池汽車推動(dòng)到產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展階段，以日本豐田、本田和韓國(guó)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(shù)。本文選取豐田Mirai燃料電池汽車進(jìn)行技術(shù)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(yùn)用了豐田燃料電池電堆和高壓氫儲(chǔ)存技術(shù)。該燃料電池系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)具有更高的能效，而且可實(shí)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(dá)到500 km以上，在保證了足夠多的續(xù)駛里程前提下，同時(shí)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(guān)注。Mirai燃料電池汽車外形如圖1所示，其整車相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案

Mirai車輛采用了燃料電池和動(dòng)力電池2種能量來(lái)源相結(jié)合的組合方式，屬于電-電混合的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)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(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池通過(guò)轉(zhuǎn)換器與電路總線相連接，動(dòng)力電池與燃料電池之間經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化后將電能輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

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(dòng)力系統(tǒng)基本構(gòu)型

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

圖3 Mirai動(dòng)力系統(tǒng)布置概況[3]

4 動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行分析

4.1 動(dòng)力系統(tǒng)能量流分析

Mirai車輛通過(guò)燃料電池總成輸送電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)方式是通過(guò)氫氣與氧氣在燃料電池堆內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生出的電能來(lái)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終驅(qū)動(dòng)車輛行駛，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的其他剩余電能可以存入儲(chǔ)能動(dòng)力電池組內(nèi)。

Mirai車輛的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)能量流路徑

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

（2）儲(chǔ)氫罐中的氫氣進(jìn)入燃料電池內(nèi)，將與氧氣發(fā)生反應(yīng)；

（3）氫氣和氧氣在燃料電池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水和電能；

（4）生成的電能供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用；

（5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)利用電能驅(qū)動(dòng)車輛；

（6）最后，燃料電池內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的水排出車輛外，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)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(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移來(lái)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(gè)電極，并在電極處發(fā)生反應(yīng)。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(fù)極，從而產(chǎn)生出了電能，在負(fù)極處，正離子和氧結(jié)合產(chǎn)生的反應(yīng)物為水。

因?yàn)闅浞肿芋w積小，可以透過(guò)薄膜的微小孔洞游離到對(duì)面去，但是在穿越孔洞的過(guò)程中，電子從分子上被剝離出，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過(guò)，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)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(fù)電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個(gè)氫離子和一個(gè)氧離子結(jié)合成為水。即通過(guò)氫氣和氧氣結(jié)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(yùn)行原理[5]

5 動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵總成

Mirai燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵總成包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、燃料電池電堆、燃料電池升壓器、高壓儲(chǔ)氫罐和動(dòng)力電池，各總成在車輛上的分布如圖6所示。

5.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

Mirai車輛的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，包括電機(jī)本體及其動(dòng)力控制單元，整車的動(dòng)力需求由動(dòng)力控制單元計(jì)算后分配到車輛驅(qū)動(dòng)輪上。在不同的行駛工況條件下，利用動(dòng)力控制單元可以控制動(dòng)力電池的充放電，并可以實(shí)現(xiàn)策略優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)性。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)力相當(dāng)于2.0 L自然吸氣的汽油機(jī)水平，大扭矩輸出保證了其良好的中低速響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由燃料電池和動(dòng)力電池組聯(lián)合供電，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪。

5.2 燃料電池電堆

圖6 Mirai動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)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(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)，燃料電池借助于電化學(xué)過(guò)程，將內(nèi)部燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。另外，燃料電池的電壓與反應(yīng)中釋放的能量和轉(zhuǎn)移的電子數(shù)密切相關(guān)。

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

5.3 燃料電池升壓器

Mirai車輛的燃料電池是由370個(gè)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(guò)300 V，為了更好地給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，還需要一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器將電壓進(jìn)行提升。Mirai車輛配置了一個(gè)緊湊且高效的大容量升壓器，能夠?qū)⑷剂想姵刈罱K輸出的電壓進(jìn)行提升，以滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出需求。該升壓轉(zhuǎn)換器體積為13 L，可以將燃料電池提供的電壓等級(jí)從250 V提高至650 V。

燃料電池的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，經(jīng)過(guò)升壓轉(zhuǎn)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(shí)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?fù)?/p>

5.4 動(dòng)力電池總成

Mirai車輛配置了1.6 kW·h的動(dòng)力電池組，與燃料電池分別起著不同的作用，在整車負(fù)載低的時(shí)候可以單獨(dú)用動(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，帶動(dòng)車輛前進(jìn)，而燃料電池堆棧也可以通過(guò)發(fā)電給動(dòng)力電池充電，動(dòng)力電池把燃料電池堆產(chǎn)生的剩余電能儲(chǔ)存起來(lái)，供后續(xù)車輛急加速使用和車載用電器使用。

當(dāng)車輛有較大的加速動(dòng)力需求的時(shí)候，動(dòng)力電池輔助燃料電池總成，兩者聯(lián)合向驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)雙重供電滿足動(dòng)力需求。當(dāng)車輛減速行駛的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)來(lái)回收動(dòng)能，電能直接回饋輸送到動(dòng)力電池組內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)。

5.5 高壓儲(chǔ)氫罐

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

儲(chǔ)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(chǔ)氫罐體結(jié)構(gòu)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(yīng)，中間層采用熱塑性碳纖維增強(qiáng)塑料，外層采用玻璃纖維增加聚合物材料。每一個(gè)保護(hù)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(jìn)一步提升保護(hù)層的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

豐田Mirai燃料電池汽車自上市以來(lái)便引起了極大的關(guān)注，同時(shí)也取得了較為可觀的市場(chǎng)銷量。對(duì)于豐田公司而言，普銳斯Prius打造出了混合動(dòng)力汽車時(shí)代，而Mirai開辟了高效的氫燃料汽車時(shí)代，作為未來(lái)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(shí)間，基本上解決了續(xù)駛里程和充電時(shí)間這兩個(gè)純電動(dòng)車輛需要面對(duì)的問(wèn)題，同時(shí)整車可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。

當(dāng)前，發(fā)展氫燃料電池汽車有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)，而且氫燃料電池汽車的相關(guān)技術(shù)已有實(shí)質(zhì)性突破，政策也在不斷加大引導(dǎo)。但是，仍存在一些制約因素，未來(lái)要大規(guī)模發(fā)展，氫燃料電池汽車除了核心技術(shù)仍需提升之外，更關(guān)鍵在于加快完善基礎(chǔ)設(shè)施，比如建立多個(gè)加氫站點(diǎn)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(qiáng)化示范運(yùn)行，并適當(dāng)探尋全新的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。