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豐田燃料電池系統(tǒng)演變

發(fā)布時間：2020-05-13 作者：本站 瀏覽量：356

因關(guān)鍵材料技術(shù)進(jìn)步、核心零部件性能提升和技術(shù)路線更新，車載燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)和控制方法也在變化。豐田汽車公司自1992年開始研發(fā)燃料電池汽車，在1996年首次推出FCHV-1后發(fā)布過FCHV系列燃料電池車。本文分享豐田汽車公司歷史上具有代表性的三款FCV燃料電池系統(tǒng)


豐田FCHV-4系統(tǒng)原理

豐田FCHV-4搭載質(zhì)子交換膜燃料電池堆峰值功率90 kW，動力電池采用容量6.5 Ah風(fēng)冷鎳氫電池。燃料電池系統(tǒng)空氣側(cè)采用渦旋式壓縮機(jī)，峰值流量為3500 NL/min@6000 rpm。永磁同步電機(jī)峰值功率80 kW，冷卻方式采用強(qiáng)制水冷。


豐田FCHV-4混動系統(tǒng)

通常，燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)由燃料電池系統(tǒng)、二次電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、牽引電機(jī)及逆變器等組成。豐田FCHV-4的行駛模式包括：純電動(低負(fù)荷工況僅由鎳氫電池提供電力)、燃料電池(中間負(fù)荷僅由燃料電池堆提供電力)、混合動力(高負(fù)荷和加速工況下由電堆和鎳氫電池提供電力)和回收制動四種模式。上述四種模式下，當(dāng)鎳氫電池組SOC降低到限值時由燃料電池堆提供電力和充電。


豐田FCHV-4混動控制系統(tǒng)框圖
上圖展示了豐田FCHV-4燃料電池、純電和混合動力控制系統(tǒng)框圖。首先，在純電控制單元中，油門踏板等傳感器確定目標(biāo)功率，指令發(fā)送至混合動力控制單元。接受指令后，混合動力控制單元計(jì)算該時間點(diǎn)的可用電堆最大功率和鎳氫電池最大功率，并控制在指定工作狀態(tài)下驅(qū)動電動機(jī)。此外，混合動力單元將目標(biāo)電流發(fā)送至FC控制單元，其中目標(biāo)電流由電機(jī)工作需求和燃料電池工作特性確定(極化曲線或Map圖受溫度和氣體供應(yīng)影響，需定期調(diào)整以提高M(jìn)ap圖準(zhǔn)確性；溫度、壓力等操作參數(shù)變化時，Map圖也被周期性修正或補(bǔ)償)。同時，燃料電池工況點(diǎn)由DC/DC轉(zhuǎn)換器持續(xù)控制，燃料電池輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)由燃料電池控制單元根據(jù)燃料電池目標(biāo)電流來控制。


豐田FCHV-adv系統(tǒng)圖


為防止燃料電池系統(tǒng)零部件在低溫環(huán)境下冷凝結(jié)冰影響工作，豐田汽車公司將低溫下存在水凍結(jié)現(xiàn)象的系統(tǒng)組件放在電堆模塊內(nèi)，如氫氣循環(huán)泵、電控噴氫和空氣背壓閥，以保證在-30℃低溫環(huán)境工作時系統(tǒng)組件溫度維持在零度以上。


豐田FCHV-adv電堆模塊組件布局


為最大限度降低氫氧互滲帶來載體腐蝕(氫空界面)，電堆進(jìn)出口設(shè)置截止閥以形成良好密封，降低氧氣向陽極的滲透量。密閉電堆陰極腔體也可阻止氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)入陽極，以維持下一次啟動期間的高氫氣純度?；诔杀?、體積、低溫環(huán)境適應(yīng)性和壓損考慮，豐田FCHV-adv空氣側(cè)截止閥采用氣動錐閥，即借助壓縮空氣驅(qū)動的閥門。壓縮機(jī)即給電堆提供壓縮空氣，又通過壓縮空氣驅(qū)動閥門。此外，為降低入堆空氣濕度，陰極側(cè)設(shè)置了旁通閥，調(diào)節(jié)電堆水平衡。

FCHV-adv空氣系統(tǒng)閥門

豐田FCHV-adv搭載的電堆首次使用金屬直流道極板取代之前的石墨板，開啟豐田金屬板電堆首秀。直流道金屬電堆由400片厚度1.68 mm、質(zhì)量166 g的單體并排兩列層疊組成。官方數(shù)據(jù)顯示，電堆峰值功率90 kW，體積64 L、質(zhì)量108 kg，體積和質(zhì)量功率密度分別為1.4 kW/L、0.83 kW/kg。由38個模組組成的鎳氫電池包電壓達(dá)274 V(7.2 V×38)，每個模組重量2.2磅，電池包總重100磅。

豐田FCHV-adv電堆


為提升系統(tǒng)效率，相比前一代燃料電池車，在維持電堆性能不變前提下豐田FCHV-adv降低了陰極側(cè)進(jìn)氣壓力。經(jīng)過對上一代渦旋式空壓機(jī)持續(xù)改進(jìn)，F(xiàn)CHV-adv空壓機(jī)仍沿用渦旋式。此外，為提升續(xù)航里程，F(xiàn)CHV-adv首次采用70 Mpa高壓氣態(tài)儲氫瓶。通過降低儲氫瓶閥門體積和提高氫瓶直徑，F(xiàn)CHV-adv氣瓶體積從上一代148 L提升到156 L。



豐田FCHV-adv結(jié)構(gòu)
豐田Mirai系統(tǒng)簡圖
相比FCHV和FCHV-adv等豐田燃料電池車FC系統(tǒng)擺放位置，豐田第一代Mirai燃料電池系統(tǒng)的車載布局位置發(fā)生了根本性變化?；诮档椭匦暮透纳菩旭偡€(wěn)定性等考慮，高集成度燃料電池系統(tǒng)安放在底盤。Mirai燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，可靠性進(jìn)一步提升，系統(tǒng)關(guān)鍵零部件最大改進(jìn)部分主要包括自增濕(取消增濕器)、改變空壓機(jī)類型(渦旋式變六葉羅茨式)、取消氫氣稀釋器、減少儲氫瓶個數(shù)(由4減少到2)、閥門模組化(空進(jìn)三通閥和背壓調(diào)節(jié)閥)和取消電堆模塊內(nèi)氫氣傳感器等。

豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)位置示意

豐田第一代Mirai電堆由370片厚度1.34 mm、質(zhì)量102 g的鈦單體串聯(lián)組成。官方數(shù)據(jù)顯示，電堆峰值功率114 kW，體積37 L、質(zhì)量56 kg，體積和質(zhì)量功率密度分別為3.1 kW/L、2 kW/kg。動力電池組采用34組鎳氫電池模組，輸出電壓244.8 V(7.2 V×34)，容量1.6 kW·h。永磁交流同步驅(qū)動電機(jī)峰值功率113 kW，最大扭矩輸出335 N·m。燃料電池四相DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器體積為13 L，最高輸出電壓650 V。車載外部電力峰值輸出功率9 kW，容量近60 kW·h。

兩支IV型高壓氣態(tài)存儲氫瓶體積總計(jì)122.4 L(前60 L+后62.4 L)，質(zhì)量總計(jì)87.5 kg(前42.8 kg+后44.7 kg)，峰值加注壓力87.5 MPa，正常工作壓力70 MPa，儲氫密度5.7 %(IV型儲氫瓶內(nèi)層)，加注時間3~5分鐘(IV型儲氫瓶結(jié)構(gòu)：樹脂內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹脂(CFRP)中層和玻璃纖維強(qiáng)化樹脂外層)。

豐田Mirai系統(tǒng)圖

燃料電池系統(tǒng)陰極側(cè)空壓機(jī)為羅茨式結(jié)構(gòu)，采用六葉螺旋扭轉(zhuǎn)凸緣轉(zhuǎn)子，最大功率20 kW，峰值轉(zhuǎn)速12500 rpm。燃料電池系統(tǒng)陽極側(cè)氫氣循環(huán)泵為羅茨式結(jié)構(gòu)，采用兩葉直列凸緣轉(zhuǎn)子，最大功率430 W，峰值轉(zhuǎn)速6200 rpm。冷卻系統(tǒng)主副散熱器尺寸分別為800×400×48 mm、300×300×27 mm，兩個冷卻風(fēng)扇采用500 W無刷電機(jī)。水泵工作電壓244 V，峰值流量165 L/min。

豐田Mirai冷卻系統(tǒng)