豐田Mirai氫燃料電池汽車(chē)解析（上）

◆文/北京 馮永忠

豐田Mirai四門(mén)轎車(chē)于2014年12月15日在日本正式上市是豐田汽車(chē)公司的第一款氫燃料電池汽車(chē)。豐田燃料電池系統(tǒng)將諸如燃料電池堆和高壓氫氣罐等混合動(dòng)力技術(shù)與燃料電池技術(shù)相結(jié)合。燃料電池汽車(chē)有效地將發(fā)電所需的氫氣和空氣輸送到燃料電池，產(chǎn)生電能，并利用電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的牽引電機(jī)。

高壓電零部件包括帶電機(jī)的燃料電池空氣壓縮機(jī)、空調(diào)電動(dòng)壓縮機(jī)、燃料電池逆變器、燃料電池堆、燃料電池冷卻水泵、燃料電池水泵與氫氣泵逆變器、帶電機(jī)的燃料電池汽車(chē)變速器和帶轉(zhuǎn)換器的逆變器供電。所有其他常規(guī)的汽車(chē)電氣，如前大燈、音響和儀表都是由一個(gè)單獨(dú)的12V輔助電池供電。在Mirai中設(shè)計(jì)了許多安全措施，以確保大約244.8V的燃料電池汽車(chē)鎳氫動(dòng)力蓄電池(NIMH)在事故中保持安全。

鎳氫動(dòng)力蓄電池中密封電池，類(lèi)似于一些電池供電工具和其他消費(fèi)品中使用的充電蓄電池。電解液被電池板吸收，即使電池破裂也不會(huì)正常泄漏。萬(wàn)一電解液確實(shí)泄漏，它很容易與稀硼酸溶液或醋中和。橙色絕緣層和電氣接頭識(shí)別的高壓電纜與車(chē)輛的金屬底盤(pán)絕緣。

根據(jù)不同的駕駛工況，這款燃料電池汽車(chē)的燃料電池堆和動(dòng)力蓄電池的電能，以最佳方式分配，實(shí)現(xiàn)了包括平穩(wěn)起步和加速等卓越的車(chē)輛性能。此外在減速期間，牽引電機(jī)作為再生制動(dòng)器操作，將制動(dòng)力轉(zhuǎn)化的電能，用于為動(dòng)力蓄電池充電或者為燃料電池空氣壓縮機(jī)電機(jī)等供電。

圖1所示為豐田Mirai如何在各種駕駛工況下工作。①在正常工況下，當(dāng)車(chē)輛開(kāi)始起步時(shí)，牽引電機(jī)由動(dòng)力蓄電池提供電能。②在平穩(wěn)駕駛期間，燃料電池堆的電能驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。③在加速過(guò)程中，來(lái)自燃料電池堆的電能增加，燃料電池轉(zhuǎn)換器的升壓比增大，并從動(dòng)力蓄電池提供額外的電能來(lái)加速車(chē)輛。④在減速過(guò)程中，利用通過(guò)車(chē)輪傳遞的驅(qū)動(dòng)力使?fàn)恳姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，用于給動(dòng)力蓄電池充電，或者用于燃料電池空壓機(jī)電機(jī)等運(yùn)轉(zhuǎn)。⑤當(dāng)車(chē)輛停止且動(dòng)力蓄電池充電狀態(tài)較低時(shí)，燃料電池堆將會(huì)發(fā)電，并為動(dòng)力蓄電池充電。

一、識(shí)別豐田Mirai

豐田Mirai是四門(mén)轎車(chē)，從車(chē)輛外部、內(nèi)部和發(fā)動(dòng)機(jī)艙可以進(jìn)行識(shí)別。包括15個(gè)字母數(shù)字字符的車(chē)輛識(shí)別碼(VIN)分別位于前擋風(fēng)玻璃罩板左側(cè)、前排座椅右下方和左側(cè)B柱上(圖2)。例如車(chē)輛識(shí)別碼JTDBVRBDA000101，豐田Mirai由前8個(gè)字母數(shù)字字符JTDBVRBD識(shí)別。

1.外部識(shí)別

后備箱和每個(gè)前翼子板上都有徽標(biāo)，位于左后側(cè)板上的氫燃料加注口蓋處也可以識(shí)別出豐田Mirai車(chē)型，如圖3所示。

圖3 外部識(shí)別

2.內(nèi)部識(shí)別

組合儀表的燃料電池(FC)系統(tǒng)指示燈、就緒(READY)指示燈和各種警告燈位于儀表板中間的組合儀表上。如圖4所示。如果關(guān)閉車(chē)輛電源開(kāi)關(guān)，儀表盤(pán)儀表將熄滅。

圖4 內(nèi)部識(shí)別

3.發(fā)動(dòng)機(jī)艙識(shí)別

逆變器塑料蓋上有燃料電池標(biāo)徽，如圖5所示。高壓動(dòng)力電纜顏色是橙色，如圖6所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)艙識(shí)別

圖6 橙色高壓電纜

二、氫燃料電池汽車(chē)運(yùn)行

一旦組合儀表中的就緒指示燈亮起，就可以駕駛車(chē)輛。起步和停止時(shí)，內(nèi)置在燃料電池堆中的燃料電池主繼電器和安裝在氫氣罐上的氫罐閥被激活，這時(shí)會(huì)聽(tīng)到操作聲音。

必須識(shí)別和理解組合儀表中提供的就緒指示燈。當(dāng)就緒燈點(diǎn)亮?xí)r，它會(huì)通知駕駛員車(chē)輛已經(jīng)正在運(yùn)行，即使發(fā)動(dòng)機(jī)艙處于靜音狀態(tài)。不要僅僅因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)艙靜音就認(rèn)為車(chē)輛已經(jīng)停止運(yùn)行。始終查找就緒指示燈狀態(tài)，當(dāng)就緒指示燈熄滅時(shí)，說(shuō)明車(chē)輛已經(jīng)停止運(yùn)行，如圖7所示。

圖7 組合儀表READY指示燈

1.動(dòng)力蓄電池

豐田Mirai配備了一個(gè)高電壓鎳氫動(dòng)力蓄電池，其中包含密封的鎳氫電池模塊。動(dòng)力蓄電池封裝在一個(gè)金屬外殼內(nèi)，并牢固地安裝在后座靠背的行李箱內(nèi)。金屬外殼與高電壓絕緣，并在行李箱中用織物罩遮住，如圖8所示。

圖8 動(dòng)力蓄電池

動(dòng)力蓄電池由34個(gè)7.2V的低電壓鎳氫電池模塊串聯(lián)而成，約244.8V。每個(gè)鎳氫電池模塊都不能溢出，全都密封在一個(gè)金屬外殼中。在鎳氫電池模塊中使用的電解液是氫氧化鉀和氫氧化鈉的堿性混合物。電解液被吸收到蓄電池極板中，即使發(fā)生碰撞，通常也不會(huì)泄漏。動(dòng)力蓄電池可以循環(huán)使用。

2.12V蓄電池

豐田Mirai還包含一個(gè)密封的12V鉛酸蓄電池。該12V輔助蓄電池為車(chē)輛電氣系統(tǒng)提供類(lèi)似于傳統(tǒng)車(chē)輛的電能。與其他傳統(tǒng)車(chē)輛一樣，輔助蓄電池接地到車(chē)輛的金屬底盤(pán)上。輔助蓄電池位于車(chē)輛行李箱右后，用右后側(cè)圍板的織物罩板遮蓋，如圖9所示。

圖9 12V蓄電池

3.燃料電池(FC)系統(tǒng)

豐田Mirai燃料電池汽車(chē)采用與混合動(dòng)力汽車(chē)相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，使用200～650V高電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該車(chē)電機(jī)由氫燃料與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)。燃料電池汽車(chē)配備燃料電池堆、氫氣泵、燃料電池水泵、燃料電池水泵與氫氣泵逆變器、燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器以及燃料電池空氣壓縮機(jī)等專(zhuān)用的高電壓零部件。為使用氫氣發(fā)電，燃料電池汽車(chē)配備有燃料電池堆、氫氣罐以及氫氣管道等氫氣系統(tǒng)零部件。如圖10所示。

圖10 零部件位置圖

4.氫氣的安全性

氫氣可以從除石油以外的許多一次能源中生產(chǎn)，例如天然氣或乙醇中可以生產(chǎn)出氫氣。此外，太陽(yáng)能或風(fēng)能也可以從水中生產(chǎn)出氫氣。

與汽油相比，氫氣具有分子量小和易泄漏等缺點(diǎn)。氫氣無(wú)色無(wú)味無(wú)害，氫氣是可燃?xì)怏w，在4%～74.5%濃度時(shí)可燃。由于點(diǎn)火溫度高，不易自燃，不易爆炸，除非與氧氣一起限制在封閉空間內(nèi)。氫氣很容易擴(kuò)散，少量氫氣泄漏會(huì)迅速消散到無(wú)法點(diǎn)燃的濃度。在氫氣發(fā)生泄漏時(shí)，安裝在車(chē)輛上的氫氣檢測(cè)器檢測(cè)出氫氣泄漏，并通過(guò)氫氣罐上的電磁閥切斷關(guān)閉氫氣供應(yīng)，以防止氫氣大量泄漏。此外，與氫氣相關(guān)的零部件安裝在駕駛室外部，以使泄漏的氫氣易于擴(kuò)散。環(huán)境溫度在15℃時(shí)，氫氣罐內(nèi)儲(chǔ)存氫氣的最高氣壓可達(dá)到70MPa，高壓氫氣管道上的一些絕緣層涂成紅色。

如果車(chē)輛發(fā)生碰撞，則切斷氫氣供應(yīng)，以防止由于車(chē)輛損壞而導(dǎo)致的大量泄漏。有關(guān)氫氣相關(guān)部件安裝位置的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考該車(chē)輛的零部件位置圖。