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丰田Mirai氢燃料电池汽车解析｜一文读懂燃料电池汽车

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来源 | 期刊-《汽车维修与保养》

丰田Mirai四门轿车于2014年12月15日在日本正式上市是丰田汽车公司的第一款氢燃料电池汽车。丰田燃料电池系统将诸如燃料电池堆和高压氢气罐等混合动力技术与燃料电池技术相结合。燃料电池汽车有效地将发电所需的氢气和空气输送到燃料电池，产生电能，并利用电能驱动汽车的牵引电机。

高压电零部件包括带电机的燃料电池空气压缩机、空调电动压缩机、燃料电池逆变器、燃料电池堆、燃料电池冷却水泵、燃料电池水泵与氢气泵逆变器、带电机的燃料电池汽车变速器和带转换器的逆变器供电。所有其他常规的汽车电气，如前大灯、音响和仪表都是由一个单独的1 2V辅助电池供电。在Mirai中设计了许多安全措施，以确保大约244．8VA,匀燃料电池汽车镍氢动力蓄(NIMH)在事故中保持安全。

镍氢动力蓄电池中密封电池，类似于一些电池供电工具和其他消费品中使用的充电蓄电池。电解液被电池板吸收，即使电池破裂也不会正常泄漏。万一电解液确实泄漏，它很容易与稀硼酸溶液或醋中和。橙色绝缘层和电气接头识别的高压电缆与车辆的金属底盘绝缘。

根据不同的驾驶工况，这款燃料电池汽车的燃料电池堆和动力蓄电池的电能，以最佳方式分配，实现了包括平稳起步和加速等卓越的车辆性能。此外在减速期间，牵引电机作为再生制动器操作，将制动力转化的电能，用于为动力蓄电池充电或者为燃料电池空气压缩机电机等供电。

图1所示为丰田Mirai如何在各种驾驶工况下工作。d在正常工况下，当车辆开始起步时，牵引电机由动力蓄电池提供电能。在平稳驾驶期间，燃料电池堆的电能驱动牵引电机。在加速过程中，来自燃料电池堆的电能增加，燃料电池转换器的升压比增大，并从动力蓄电池提供额外的电能来加速车辆。在减速过程中，利用通过车轮传递的驱动力使牵引电机旋转，将动能转换为电能，用于给动力蓄电池充电，或者用于燃料电池空压机电机等运转。当车辆停止且动力蓄电池充电状态较低时，燃料电池堆将会发电，并为动力蓄电池充电。

图1 Mirai驾驶工况

识别丰田Mirai

丰田Mirai是四门轿车，从车辆外部、内部和发动机舱可以进行识别。包括1 5个字母数字字符的车辆识别码(VIN)分别位于前挡风玻璃罩板左侧、前排座椅右下方和左侧B柱上f图2)。例如车辆识别码JTDBVRBDA000101，丰田Mirai由前8个字母数字字符JTDBVRBD识别。

图2 VIN码位置

1.外部识别

后备箱和每个前翼子板上都有徽标，位于左后侧板上的氢燃料加注口盖处也可以识别出丰田Mirai车型,如图3所示。

图3 外部识别

2.内部识别

组合仪表的燃料电池（FC）系统指示灯、就绪（READY）指示灯和各种警告灯位于仪表板中间的组合仪表上。如图4所示。如果关闭车辆电源开关，仪表盘仪表将熄灭。

图4 内部识别

3.发动机舱识别

逆变器塑料盖上有燃料电池徽标，如图5所示。高压动力电缆颜色是橙色，如图6所示。

图5 发动机舱识别

图6 橙色高压电缆

氢燃料电池汽车运行

一旦组合仪表中的就绪指示灯亮起，就可以驾驶车辆。起步和停止时，内置在燃料电池电堆中的燃料电池主继电器和安装在氢气罐上的氢罐阀被激活，这时会听到操作声音。

必须识别和理解组合仪表中提供的就绪指示灯。当就绪灯点亮时，它会通知驾驶员车辆正在运行，即使发动机舱处于静音状态。不要仅仅因为发动机舱静音就认为车辆已经停止运行。始终查找就绪指示灯状态，当就绪指示灯熄灭时，说明车辆已经停止运行，如图7所示。

图7 组合仪表READY指示灯

1. 动力蓄电池

丰田Mirai配备了一个高电压镍氢动力蓄电池，其中包含蜜蜂的镍氢电池模块。动力蓄电池封装在一个金属外壳内，并牢固地安装在后座靠背的行李箱内。金属外壳与高电压绝缘，并在行李箱中用织物罩遮住，如图8所示。

图8 动力蓄电池

动力蓄电池由34个7.2V的低电压镍氢电池模块串联而成，约244.8V。每个镍氢电池模块都不能溢出，全部封装在一个金属外壳中。在镍氢电池模块中使用的电解液是氢氧化钾和氢氧化钠的践行混合物。电解液被吸收到蓄电池极板中，即使发生碰撞，通常也不会泄露。动力蓄电池可以循环使用。

2. 12V蓄电池

丰田Mirai还包含一个密封的12V铅酸蓄电池。该12V辅助蓄电池为车辆电气系统提供累死于传统车辆的电能。与其他传统车辆一样，辅助蓄电池接地到车辆的金属地盘上。辅助蓄电池位于车辆行李箱右后，用右后侧围板的织物罩板遮盖，如图9所示。

图9 12V蓄电池

3.燃料电池（FC）系统

丰田Mirai燃料电池汽车采用与混合动力汽车相同的电机驱动方式，使用200~650V高电压驱动电机，该车电机由氢燃料与空气中的氧发生化学反应产生的电力驱动。燃料电池汽车配备燃料电池堆、氢气泵、燃料电池水泵、燃料电池水泵于氢气泵逆变器、燃料电池升压转换器以及燃料电池空气压缩机等专门的高电压零部件。为使用氢气发电，燃料电池汽车配备有染了电池堆、氢气罐以及氢气管道等氢气系统零部件。如图10所示。

图10 零部件位置图

4. 氢气的安全性

氢气可以从除石油以外的许多一次能源中生产，例如天然气或乙醇中可以生产出氢气。此外，太阳能或风能也可以从水中生产出氢气。

与汽油相比，氢气具有分子量小和易泄露等缺点。氢气无色无味无害，氢气是可燃气体，在4%~74.5%浓度时可燃。由于点火温度高，不易自然，不易爆炸，除非与氧气一起限制在封闭空间内。氢气很容易扩散，少量氢气泄露会迅速消散到无法点燃的浓度。在氢气发生泄露时，安装在车辆上的氢气检测器检测出氢气泄露，并通过氢气罐上的电磁阀切断关闭氢气供应，以防止氢气大量泄露。此外，与氢气相关的零部件安装在驾驶室外部，以使泄露的氢气易于扩散。环境温度在15℃时，氢气罐内储存氢气的最高气压可达到70Mpa,高压氢气管道上的一些绝缘层涂成红色。

如果车辆发生碰撞，则切断氢气供应，以防止由于车辆损坏而导致的大量泄露。有关氢气相关部件安装位置的详细信息，请参考该车辆的零部件位置图。

5. 燃料电池堆

燃料电池堆是通过氢气和氧气的化学反应发电的装置，安装在地板下面。利用氢气罐提供的氢气和从车外吸入的空气中的氧气，产生200V或更高的电压。燃料电池组使用单体电池发电，单体电池由一个电解质膜夹在隔板中组成，几百个单体电池连在一起产生高电压。

单体电池装在金属壳体内，不易接触。在发电过程中，通过氢气和氧气的化学反应生成水，水通过排水口排出。燃料电池堆如图11所示。

图11 燃料电池堆

6. 氢气罐

环境温度在15℃时，氢气罐内储存氢气的最高气压可达到70MPa，这些氢气输送燃料电池堆。氢气罐由碳纤维增强塑料制成，位于地板下方。用于检测氢气泄露的氢气探测器位于氢气罐附近。如果检测到规定浓度的氢气泄露，燃料电池系统将切断氢气供应。每个氢气罐配有一个热减压阀，车辆发生故障时，防止氢气温度太高发生爆炸。温度在大约220℃时将会打开热减压阀，把氢气罐中的氢气释放到车辆外部。一辆汽车会安装多个氢气罐，如图12所示。