深度剖析本田Clarity燃料電池汽車的創新技術與架構

文/Stuart Birch

深度剖析本田Clarity燃料電池汽車的創新技術與架構

文/Stuart Birch

本田表示,Clarity Fuel Cell是世界首款將燃料電池系統(包括燃料電池堆棧)完全封裝進發動機蓋下的轎車.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.根據美國環保署(EPA)估計,Clarity Fuel Cell的綜合燃料經濟性為3.5升/100公里.現階段,美國南加州共有26個投入使用的公共加氫站.

技術難題已經解決

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

本田稱,Clarity的整潔封裝技術為世界首創.目前,世界上唯一一款量產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,另外一款已經公開發售的燃料電池汽車是現代汽車的Tucson 燃料電池汽車.不過,現代最近發布了一款采用第四代燃料電池技術的概念跨界車,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步,Clarity所采用的新動力系統的電機高度縮小34%,更重要的是電池單體的數量減少了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,新的電池系統得以水平安裝,而非一定要垂直安裝.

盡管電池數量有所減少,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,牽引電機可以使用的功率就越大.

動力傳動系統:更高功率、更低噪聲

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

首先,氧氣的供應至關重要,充足的氧氣才能保證燃料電池堆棧的正常運行;Clarity還采用了一款新型電驅動兩級空氣壓縮器為燃料電池堆棧輸送氧氣,無論技術還是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,壓縮機的體積也縮小了40%左右.

盡管如此,這款安靜、強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,可以為電機提供所需的功率,這是本田與一家供應商的聯合開發成果.

此外,Clarity 燃料電汽車的動力系統還采用了一款"燃料電池電壓控制單元",這是一部大約4英寸厚的增壓器(也是打開發動機蓋時第一個看到的組件),可以通過一種碳化硅半導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頻率,且可以采用一個體積更小的散熱器,而非傳統的純硅材料半導體散熱器.

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

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

這款電機本身也經過了一系列精細調整,以減少噪音.電機轉子已經被分為四部分,而非之前的兩部分.本田表示,這種設計可以降低轉矩波動,而經過優化的轉子則可以減少震動,電機外殼也增加了結構性支撐條的數量.根據本田的計算,車輛加速度為0.2g時,電機傳送至車廂的噪聲可降低25%.

安靜電機與電動渦輪增壓器設計的完美配合仍需面臨一個困擾大多數燃料電池汽車的NVH問題:壓縮機噪音和電機"嗚咽".記者在啟動Clarity時(車內信息娛樂系統已經關閉的情況下)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、大量優化創新

2017款Clarity燃料電池汽車的尖端動力傳動系統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"結構,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化的行駛動力表現.與現行版混動雅閣相比,這款全新平臺的重心降低了10 厘米 ,經過專門設計,可以支撐鋁制內襯碳纖維/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采用了幾種巧妙的輕量化技術:系統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%的轉向節.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:一款空心的壓鑄鋁材前副車架.這種設計可以減少需要焊接的部位數量,并降低20%的重量;此外,這種借鑒于摩托車的車架設計還能同時為車輛提供一個異常強勁的剛性結構.

另外,本田為新款Clarity搭配了一款世界首創玻璃纖維增強塑料(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用.由于采用了鋁質車身板等其他先進輕質材料,據稱Clarity Fuel Cell的結構要比傳統的中型轎車更強,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、架構和車身的重量,2017款Clarity Fuel Cell采用了大量混合材料.根據介紹,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域的首次應用;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塑料(GFRP),據稱這也是CFRP材料在高沖擊區的首次應用

2017款Clarity基于本田全新專用電動汽車平臺設計,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,據稱還可以提供更好的碰撞性能.此外,本田的全新平臺還經過專門設計,配合Clarity的雙儲氫罐設計.

本文由SAE International - 國際自動機工程師學會之《國際汽車工程 (AEI)》雜志授權《車迷》發布,版權歸SAE International - 國際自動機工程師學會所有.原標題:"Clarity of purpose".更多汽車技術資訊,敬請關注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的中尺寸轎車(也許后備廂空間的確小了一些).但倡導環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,相當于用戶每月出不了多少錢.許多加州經銷商都有客戶訂購了這款車型.本田相關人士透露,Clarity Fuel Cell目前在日本櫪木生產,但最終的量產可能將交給其他工廠進行.

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的內部空間更加寬敞、加速性能相當干脆,完全讓人感覺不到這款車整備重量達到了1875千克

燃料和基礎設施怎么樣了?

事實上,大家對氫燃料電池汽車是否環保可能非常矛盾.批評人士表示,氫燃料的生產及后續的壓縮過程均非常消耗能量,而這會擴大氫燃料的碳足跡,但也有主流研究認為,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"能源效率優于混合電動汽車,并強調了燃料電池汽車不會產生任何尾氣排放的事實.

有關二氧化碳排放的爭論可能還將繼續,但幾乎沒人可以否認燃料電池汽車加料網絡缺乏的現實.目前,加氫站僅僅在加州的進行了部署,并"遵從了"加州的游戲規則.本田的替代燃料實現方面的老員工Stephen Ellis表示,快速的加氫時間、Clarity的長續航里程以及不斷完善的"氫高速公路"網絡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應該大可以和其他電池電動汽車好好比拼一下.

Clarity of Purpose