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豐田燃料電池系統演變

因關鍵材料技術進步、核心零部件性能提升和技術路線更新,車載燃料電池系統架構和控制方法也在變化。豐田汽車公司自1992年開始研發燃料電池汽車,在1996年首次推出FCHV-1后發布過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


豐田FCHV-4系統原理

豐田FCHV-4搭載質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風冷鎳氫電池。燃料電池系統空氣側采用渦旋式壓縮機,峰值流量為3500 NL/[email protected] rpm。永磁同步電機峰值功率80 kW,冷卻方式采用強制水冷。


豐田FCHV-4混動系統

通常,燃料電池汽車的混合動力系統由燃料電池系統、二次電源、DC/DC轉換器、牽引電機及逆變器等組成。豐田FCHV-4的行駛模式包括:純電動(低負荷工況僅由鎳氫電池提供電力)、燃料電池(中間負荷僅由燃料電池堆提供電力)、混合動力(高負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框圖。首先,在純電控制單元中,油門踏板等傳感器確定目標功率,指令發送至混合動力控制單元。接受指令后,混合動力控制單元計算該時間點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下驅動電動機。此外,混合動力單元將目標電流發送至FC控制單元,其中目標電流由電機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影響,需定期調整以提高Map圖準確性;溫度、壓力等操作參數變化時,Map圖也被周期性修正或補償)。同時,燃料電池工況點由DC/DC轉換器持續控制,燃料電池輔助系統的工作狀態由燃料電池控制單元根據燃料電池目標電流來控制。


豐田FCHV-adv系統圖


為防止燃料電池系統零部件在低溫環境下冷凝結冰影響工作,豐田汽車公司將低溫下存在水凍結現象的系統組件放在電堆模塊內,如氫氣循環泵、電控噴氫和空氣背壓閥,以保證在-30℃低溫環境工作時系統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),電堆進出口設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氣等惰性氣體進入陽極,以維持下一次啟動期間的高氫氣純度?;诔杀?、體積、低溫環境適應性和壓損考慮,豐田FCHV-adv空氣側截止閥采用氣動錐閥,即借助壓縮空氣驅動的閥門。壓縮機即給電堆提供壓縮空氣,又通過壓縮空氣驅動閥門。此外,為降低入堆空氣濕度,陰極側設置了旁通閥,調節電堆水平衡。

FCHV-adv空氣系統閥門

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、質量166 g的單體并排兩列層疊組成。官方數據顯示,電堆峰值功率90 kW,體積64 L、質量108 kg,體積和質量功率密度分別為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降低了陰極側進氣壓力。經過對上一代渦旋式空壓機持續改進,FCHV-adv空壓機仍沿用渦旋式。此外,為提升續航里程,FCHV-adv首次采用70 Mpa高壓氣態儲氫瓶。通過降低儲氫瓶閥門體積和提高氫瓶直徑,FCHV-adv氣瓶體積從上一代148 L提升到156 L。



豐田FCHV-adv結構
豐田Mirai系統簡圖
相比FCHV和FCHV-adv等豐田燃料電池車FC系統擺放位置,豐田第一代Mirai燃料電池系統的車載布局位置發生了根本性變化?;诮档椭匦暮透纳菩旭偡€定性等考慮,高集成度燃料電池系統安放在底盤。Mirai燃料電池系統進一步簡化,可靠性進一步提升,系統關鍵零部件最大改進部分主要包括自增濕(取消增濕器)、改變空壓機類型(渦旋式變六葉羅茨式)、取消氫氣稀釋器、減少儲氫瓶個數(由4減少到2)、閥門模組化(空進三通閥和背壓調節閥)和取消電堆模塊內氫氣傳感器等。

豐田Mirai燃料電池系統位置示意

豐田第一代Mirai電堆由370片厚度1.34 mm、質量102 g的鈦單體串聯組成。官方數據顯示,電堆峰值功率114 kW,體積37 L、質量56 kg,體積和質量功率密度分別為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。永磁交流同步驅動電機峰值功率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型高壓氣態存儲氫瓶體積總計122.4 L(前60 L+后62.4 L),質量總計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型儲氫瓶內層),加注時間3~5分鐘(IV型儲氫瓶結構:樹脂內膽、碳纖維強化樹脂(CFRP)中層和玻璃纖維強化樹脂外層)。

豐田Mirai系統圖

燃料電池系統陰極側空壓機為羅茨式結構,采用六葉螺旋扭轉凸緣轉子,最大功率20 kW,峰值轉速12500 rpm。燃料電池系統陽極側氫氣循環泵為羅茨式結構,采用兩葉直列凸緣轉子,最大功率430 W,峰值轉速6200 rpm。冷卻系統主副散熱器尺寸分別為800×400×48 mm、300×300×27 mm,兩個冷卻風扇采用500 W無刷電機。水泵工作電壓244 V,峰值流量165 L/min。

豐田Mirai冷卻系統

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