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豐田燃料動(dòng)力電池技術(shù)深度剖析

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1011次  |  2020年07月17日  

不加油、不充電、不排放尾氣,唯一排放的廢物是純凈水!會(huì)有這樣的車存在嗎?答案是肯定的!豐田Mirai就是這樣一輛車。那么這一切都是如何實(shí)現(xiàn)的呢?


隨著石油資源的不斷消耗,傳統(tǒng)燃料汽車在未來(lái)將被新能源取代已成定局。而要說(shuō)到在新能源汽車領(lǐng)域誰(shuí)最有發(fā)言權(quán),相信不少人都同筆者相同第一個(gè)想到的便是豐田;已經(jīng)量產(chǎn)并推出了數(shù)代的普銳斯雖然依然在燒油,但不可否認(rèn)其關(guān)于新能源車研發(fā)的意義是相當(dāng)巨大。而此次豐田為我們帶來(lái)的Mirai氫燃料動(dòng)力電池車則是將未來(lái)汽車直接具象化的呈現(xiàn)在了我們的眼前。


與目前國(guó)內(nèi)炙手可熱的純電動(dòng)汽車相比,氫燃料動(dòng)力電池具有能量密度更高(單位體積下約為傳統(tǒng)電池的7倍)、加注更快捷等優(yōu)勢(shì)。而且從我國(guó)目前的發(fā)電結(jié)構(gòu)來(lái)看,氫燃料動(dòng)力電池關(guān)于環(huán)境保護(hù)的意義更是遠(yuǎn)不止減少一輛車的碳排放這么簡(jiǎn)單。


說(shuō)回Mirai,作為一款量產(chǎn)的氫燃料動(dòng)力電池車,它與我們之前所見(jiàn)到的氫動(dòng)力車又有什么差別呢?其實(shí)這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單,氫燃料動(dòng)力電池車是通過(guò)氫來(lái)出現(xiàn)電能,最終驅(qū)動(dòng)車輛的是電動(dòng)機(jī);而之前亮相過(guò)的氫動(dòng)力車(如BMW7系氫動(dòng)力版)則是通過(guò)以氫為燃料的內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛。


了解了Mirai出現(xiàn)的意義,那么這臺(tái)車到底是怎么工作的呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),Mirai的驅(qū)動(dòng)方式就是通過(guò)氫與氧在燃料動(dòng)力電池堆發(fā)生反應(yīng),出現(xiàn)出電能來(lái)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī),最終驅(qū)動(dòng)車輛行駛。聽(tīng)起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單?相信你在了解這套系統(tǒng)的各部分構(gòu)成后就不會(huì)這么想了。


因?yàn)闅浞肿芋w積小,可以透過(guò)薄膜的微小孔洞游離到對(duì)面去,但是在穿越孔洞的過(guò)程中,電子被從分子上剝離,只留下帶正電的氫質(zhì)子通過(guò),氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)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(fù)電)和電子,電子在電極板之間形成電流,兩個(gè)氫離子和一個(gè)氧離子結(jié)合成為純水,是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來(lái)講,整個(gè)運(yùn)行過(guò)程就是發(fā)電過(guò)程。


豐田2008年燃料動(dòng)力電池


豐田Mirai的燃料動(dòng)力電池創(chuàng)新


豐田Mirai搭載的燃料動(dòng)力電池堆棧是由370片薄片燃料動(dòng)力電池組成的,因此被稱為“堆棧”,一共可以輸出114千瓦的發(fā)電功率。此前我們也分析了大眾集團(tuán)的燃料動(dòng)力電池技術(shù),結(jié)構(gòu)基本類似。豐田的燃料動(dòng)力電池堆棧經(jīng)歷了十幾年的技術(shù)優(yōu)化,形成了自己的特色結(jié)構(gòu),比如3D立體微流道技術(shù),通過(guò)更好地排出副產(chǎn)物水,讓更多空氣流入,有效改善了發(fā)電效率。所以整個(gè)堆棧的發(fā)電效率達(dá)到了世界先進(jìn)水平,達(dá)到了3.1千瓦/升,比2008年豐田的技術(shù)整整提升了2.2倍。


作為氫燃料動(dòng)力電池車,首先要考慮的肯定是氫燃料的存儲(chǔ)安全。我們可以看到在這方面豐田確實(shí)下了很大的功夫,兩個(gè)特制的儲(chǔ)氣罐最大可承受70兆帕的壓力;而碳纖維+凱夫拉(防彈衣面料)外殼的使用足以抵擋輕型武器的攻擊,當(dāng)然相信也很少有人會(huì)對(duì)Mirai下此毒手。


儲(chǔ)氫罐被設(shè)計(jì)成四層結(jié)構(gòu),鋁合金的罐體內(nèi)部襯有塑料內(nèi)膽,外面包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)層,保護(hù)層外側(cè)再新增一層玻璃纖維材料的減震保護(hù)層,并且每一層的纖維紋路都根據(jù)所處罐身位置不同而做了額外的優(yōu)化,使纖維順著壓力分布的方向,提升保護(hù)層的效果。


在新一代燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)中,發(fā)出的電能還要經(jīng)過(guò)升壓變頻器的升壓才能供給電動(dòng)機(jī)使用,最終輸出電壓由2008年款燃料動(dòng)力電池的250V上升到了650V。從其發(fā)電功率來(lái)看,正好可以滿足電動(dòng)機(jī)的最大輸出需求。


最大功率113kW、峰值扭矩335N·m的電動(dòng)機(jī)來(lái)自雷克薩斯RX450h,這套動(dòng)力總成帶動(dòng)Mirai超過(guò)1.8噸的車身雖然算不上很充沛,但絕對(duì)能滿足日常使用;而試想一下,真正購(gòu)買這臺(tái)車的車主,又有幾個(gè)會(huì)開(kāi)著它進(jìn)行激烈駕駛呢?


氫燃料動(dòng)力電池相比我們目前常見(jiàn)的純電動(dòng)汽車重要優(yōu)勢(shì)有兩個(gè):首先,其加注燃料的所需時(shí)間與普通汽油車加油差不多,比起電動(dòng)汽車充電可真的快了不是一點(diǎn)半點(diǎn)。第二,氫燃料動(dòng)力電池這種驅(qū)動(dòng)方式的續(xù)航水平明顯要強(qiáng)于搭載相同體積電池組的純電動(dòng)汽車。


Mirai還有一個(gè)獨(dú)門(mén)秘籍,那就是借助車上的電源插口,它可以瞬間變身大號(hào)的“充電寶”,而它充電的對(duì)象可不局限于那些電子產(chǎn)品,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),即便是家里停電了,借助它也能使各種家用電器保持一按時(shí)間的正常運(yùn)行。


作為一款商品,豐田Mirai除了諸多值得炫耀的“黑科技”,還有什么吸引潛在用戶的特點(diǎn)呢?其實(shí)單從一輛中型轎車的設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),它顯然已經(jīng)足夠吸引人們的眼球了。


豐田的設(shè)計(jì)師和工程師們或許是覺(jué)得氫燃料動(dòng)力電池車已經(jīng)不適用于傳統(tǒng)汽油車的平庸外形,所以決定在Mirai身上采用毫不妥協(xié)的前衛(wèi)設(shè)計(jì)。從細(xì)長(zhǎng)的頭燈開(kāi)始,就注定了它的不同凡響。懸浮式車型、左右連貫式尾燈等近來(lái)十分流行的設(shè)計(jì)元素都在Mirai身上一一呈現(xiàn)。單從外觀來(lái)說(shuō),這臺(tái)車可謂是“貌不驚人死不休”。


單看Mirai內(nèi)飾的任何一部分,恐怕熟悉豐田和雷克薩斯的朋友都能說(shuō)出這一部分是出自哪款傳統(tǒng)車型,但其設(shè)計(jì)的妙處就在于將這些熟悉的元素整合起來(lái)的同時(shí),展現(xiàn)了前所未有的新鮮感。當(dāng)然這種新鮮感也是為了襯托出這款氫燃料動(dòng)力電池車的與眾不同。


氫燃料通過(guò)氧化反應(yīng)釋放電能后,所出現(xiàn)的排放物是水;那么作為液態(tài)的排放物,解決“排在哪”的問(wèn)題也就成了工程師們要考慮的問(wèn)題之一。在這臺(tái)豐田Mirai的車內(nèi)我們看到了一個(gè)標(biāo)著“H2O”字樣的按鍵,按下它便可通過(guò)車尾的管路排出水,當(dāng)然我們也希望看到假如氫燃料能普及,在大街上能出現(xiàn)回收這些水的裝置。


豐田Mirai駕駛起來(lái)與一輛普通中級(jí)車差別不大,動(dòng)力部分的體驗(yàn)則與純電動(dòng)汽車比較類似。雖然它扣著諸多高科技的光環(huán),但真正駕駛的時(shí)候你會(huì)覺(jué)得它還是很平易近人的,所以完全不用因?yàn)槭切履茉窜嚲蛯?duì)它差別對(duì)待。


目前這款車已經(jīng)開(kāi)始在日本本土銷售,其售價(jià)約合人民幣38萬(wàn)元,減去各種減免的稅費(fèi),售價(jià)也達(dá)到了合人民幣26萬(wàn)元,與傳統(tǒng)的中型車甚至中大型車相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。而在氫燃料的花費(fèi)方面,目前日本本土燃料氫價(jià)格約為1000日元/千克,未來(lái)還有降低的可能性,可見(jiàn)其使用成本并不高昂;而實(shí)際上阻礙其發(fā)展的其實(shí)是稀少的加氫站數(shù)量。


總結(jié)


氫燃料動(dòng)力電池車的量產(chǎn)為我們打開(kāi)了一扇未來(lái)交通解決方法的大門(mén),與各大國(guó)內(nèi)廠商趨之若鶩的純電動(dòng)汽車相比,氫燃料動(dòng)力電池車的優(yōu)勢(shì)十分明顯;電動(dòng)汽車充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和續(xù)航里程過(guò)短這兩個(gè)短板都被氫燃料動(dòng)力電池車完美解決,而從這個(gè)角度來(lái)看,或許Mirai所展現(xiàn)的才是未來(lái)汽車真正的雛形。


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