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丰田燃料电池系统演变

因关键材料技术进步、核心零部件性能提升和技术路线更新,车载燃料电池系统架构和控制方法也在变化。丰田汽车公司自1992年开始研发燃料电池汽车,在1996年首次推出FCHV-1后发布过FCHV系列燃料电池车。本文分享丰田汽车公司历史上具有代表性的三款FCV燃料电池系统


丰田FCHV-4系统原理

丰田FCHV-4搭载质子交换膜燃料电池堆峰值功率90 kW,动力电池采用容量6.5 Ah风冷镍氢电池。燃料电池系统空气侧采用涡旋式压缩机,峰值流量为3500 NL/min@6000 rpm。永磁同步电机峰值功率80 kW,冷却方式采用强制水冷。


丰田FCHV-4混动系统

通常,燃料电池汽车的混合动力系统由燃料电池系统、二次电源、DC/DC转换器、牵引电机及逆变器等组成。丰田FCHV-4的行驶模式包括:纯电动(低负荷工况仅由镍氢电池提供电力)、燃料电池(中间负荷仅由燃料电池堆提供电力)、混合动力(高负荷和加速工况下由电堆和镍氢电池提供电力)和回收制动四种模式。上述四种模式下,当镍氢电池组SOC降低到限值时由燃料电池堆提供电力和充电。


丰田FCHV-4混动控制系统框图
上图展示了丰田FCHV-4燃料电池、纯电和混合动力控制系统框图。首先,在纯电控制单元中,油门踏板等传感器确定目标功率,指令发送至混合动力控制单元。接受指令后,混合动力控制单元计算该时间点的可用电堆最大功率和镍氢电池最大功率,并控制在指定工作状态下驱动电动机。此外,混合动力单元将目标电流发送至FC控制单元,其中目标电流由电机工作需求和燃料电池工作特性确定(极化曲线或Map图受温度和气体供应影响,需定期调整以提高Map图准确性;温度、压力等操作参数变化时,Map图也被周期性修正或补偿)。同时,燃料电池工况点由DC/DC转换器持续控制,燃料电池辅助系统的工作状态由燃料电池控制单元根据燃料电池目标电流来控制。


丰田FCHV-adv系统图


为防止燃料电池系统零部件在低温环境下冷凝结冰影响工作,丰田汽车公司将低温下存在水冻结现象的系统组件放在电堆模块内,如氢气循环泵、电控喷氢和空气背压阀,以保证在-30℃低温环境工作时系统组件温度维持在零度以上。


丰田FCHV-adv电堆模块组件布局


为最大限度降低氢氧互渗带来载体腐蚀(氢空界面),电堆进出口设置截止阀以形成良好密封,降低氧气向阳极的渗透量。密闭电堆阴极腔体也可阻止氮气等惰性气体进入阳极,以维持下一次启动期间的高氢气纯度。基于成本、体积、低温环境适应性和压损考虑,丰田FCHV-adv空气侧截止阀采用气动锥阀,即借助压缩空气驱动的阀门。压缩机即给电堆提供压缩空气,又通过压缩空气驱动阀门。此外,为降低入堆空气湿度,阴极侧设置了旁通阀,调节电堆水平衡

FCHV-adv空气系统阀门

丰田FCHV-adv搭载的电堆首次使用金属直流道极板取代之前的石墨板,开启丰田金属板电堆首秀。直流道金属电堆由400片厚度1.68 mm、质量166 g的单体并排两列层叠组成。官方数据显示,电堆峰值功率90 kW,体积64 L、质量108 kg,体积和质量功率密度分别为1.4 kW/L、0.83 kW/kg。由38个模组组成的镍氢电池包电压达274 V(7.2 V×38),每个模组重量2.2磅,电池包总重100磅。

丰田FCHV-adv电堆


为提升系统效率,相比前一代燃料电池车,在维持电堆性能不变前提下丰田FCHV-adv降低了阴极侧进气压力经过对上一代涡旋式空压机持续改进,FCHV-adv空压机仍沿用涡旋式。此外,为提升续航里程,FCHV-adv首次采用70 Mpa高压气态储氢瓶。通过降低储氢瓶阀门体积和提高氢瓶直径,FCHV-adv气瓶体积从上一代148 L提升到156 L。



丰田FCHV-adv结构
丰田Mirai系统简图
相比FCHV和FCHV-adv等丰田燃料电池车FC系统摆放位置,丰田第一代Mirai燃料电池系统的车载布局位置发生了根本性变化。基于降低重心和改善行驶稳定性等考虑,高集成度燃料电池系统安放在底盘。Mirai燃料电池系统进一步简化,可靠性进一步提升,系统关键零部件最大改进部分主要包括自增湿(取消增湿器)、改变空压机类型(涡旋式变六叶罗茨式)、取消氢气稀释器减少储氢瓶个数(由4减少到2)、阀门模组化(空进三通阀和背压调节阀)和取消电堆模块内氢气传感器等。

丰田Mirai燃料电池系统位置示意

丰田第一代Mirai电堆由370片厚度1.34 mm、质量102 g的钛单体串联组成。官方数据显示,电堆峰值功率114 kW,体积37 L、质量56 kg,体积和质量功率密度分别为3.1 kW/L、2 kW/kg。动力电池组采用34组镍氢电池模组,输出电压244.8 V(7.2 V×34),容量1.6 kW·h。永磁交流同步驱动电机峰值功率113 kW,最大扭矩输出335 N·m。燃料电池四相DC/DC升压转换器体积为13 L,最高输出电压650 V。车载外部电力峰值输出功率9 kW,容量近60 kW·h。

两支IV型高压气态存储氢瓶体积总计122.4 L(前60 L+后62.4 L),质量总计87.5 kg(前42.8 kg+后44.7 kg),峰值加注压力87.5 MPa,正常工作压力70 MPa,储氢密度5.7 %(IV型储氢瓶内层),加注时间3~5分钟(IV型储氢瓶结构:树脂内胆、碳纤维强化树脂(CFRP)中层和玻璃纤维强化树脂外层)。

丰田Mirai系统图

燃料电池系统阴极侧空压机为罗茨式结构,采用六叶螺旋扭转凸缘转子,最大功率20 kW,峰值转速12500 rpm。燃料电池系统阳极侧氢气循环泵为罗茨式结构,采用两叶直列凸缘转子,最大功率430 W,峰值转速6200 rpm。冷却系统主副散热器尺寸分别为800×400×48 mm、300×300×27 mm,两个冷却风扇采用500 W无刷电机。水泵工作电压244 V,峰值流量165 L/min。

丰田Mirai冷却系统