伍慶龍 張天強

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞： Mirai車輛 燃料電池汽車 動力系統 總成技術 零排放

1 引言

隨著國家新能源汽車戰略地位的不斷提升，新能源汽車的研發受到了越來越多汽車產商的關注與推動[1]。燃料電池汽車具有零排放、續駛里程長、燃料加注快和噪聲低等優勢，有關該類新能源汽車的研發逐步成為熱點，氫燃料可以通過多種一次性的能源進行生產，將來也有望成為常規性的燃料之一。現如今有很多國家已經將氫燃料電池汽車推動到產業化的發展階段，以日本豐田、本田和韓國現代為代表的汽車制造商已經開始量產燃料電池汽車[2]，例如現代ix35 FCV、豐田Mirai以及本田Clarity燃料電池汽車均已量產上市，而奔馳、寶馬和奧迪等汽車產商也推出了量產技術。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

Mirai是豐田第一款量產的氫燃料電池汽車，運用了豐田燃料電池電堆和高壓氫儲存技術。該燃料電池系統相比于傳統內燃機具有更高的能效，而且可實現CO2零排放。豐田Mirai車輛的氫燃料加注只需約3 min，加滿后的續駛里程可以達到500 km以上，在保證了足夠多的續駛里程前提下，同時相比于傳統的燃油車又具有更好的便利性，因此該款車輛一經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，其整車相關參數如表1所示。

3 動力系統構型方案

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-電混合的動力系統構型，如圖2所示。豐田將這套系統稱之為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，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

圖2 Mirai動力系統基本構型

Mirai車輛沒有傳統的燃油發動機，也沒有變速器，發動機艙內部是驅動電機及其控制單元。動力系統的布置方案如圖3所示，其中驅動電機布置于車輛前艙區域，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動力系統布置概況[3]

4 動力系統運行分析

4.1 動力系統能量流分析

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發生反應，利用化學反應產生出的電能來帶動驅動電機，最終驅動車輛行駛，同時反應產生的其他剩余電能可以存入儲能動力電池組內。

Mirai車輛的動力系統能量流向路徑如圖4所示，具體的步驟如下。

圖4 動力系統能量流路徑

（1）氧氣從車輛前進氣格柵進入燃料電池內，將與氫氣發生反應；

（2）儲氫罐中的氫氣進入燃料電池內，將與氧氣發生反應；

（3）氫氣和氧氣在燃料電池中發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，燃料電池內反應產生的水排出車輛外，整個過程實現了無污染零排放。

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]。氫氣和氧氣持續且分別地供給電池的2個電極，并在電極處發生反應。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，電子經外電路流向負極，從而產生出了電能，在負極處，正離子和氧結合產生的反應物為水。

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 動力系統關鍵總成

Mirai燃料電池汽車動力系統關鍵總成包括驅動電機系統、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

Mirai車輛的動力驅動系統主要為驅動電機系統，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，并可以實現策略優化，提高經濟性。

驅動電機位于車輛前艙區域，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量，總體上可減小系統的體積和重量，降低成本并提高系統的可靠性，最終實現燃料電池系統的輕量化和小型化。

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電給動力電池充電，動力電池把燃料電池堆產生的剩余電能儲存起來，供后續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，兩者聯合向驅動電機供電，實現雙重供電滿足動力需求。當車輛減速行駛的時候，驅動電機轉化為發電機來回收動能，電能直接回饋輸送到動力電池組內儲存起來。

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所處罐身位置的不同而做了額外的優化，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，同時整車可以實現二氧化碳的零排放。

當前，發展氫燃料電池汽車有著十分明顯的優勢，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，未來要大規模發展，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展也需要政府和企業之間的共同努力，需要不斷強化示范運行，并適當探尋全新的商業運營模式。