日本氫燃料電池車“未來”行駛時的舒適性

楊慶敏

摘? 要：氫燃料電池汽車以減少對石油資源的依賴、優化交通能源的構成、行駛中零污染排放、驅動系統噪音低、能量轉換效率高等優勢而成為汽車企業關注的焦點。但用于燃料電池汽車的氫能的制、存、運過程中的種種問題及加氫站的普及等都是影響氫燃料電池汽車推廣的主要障礙。該文通過文獻研究法，對“未來”行駛時車內舒適性進行了梳理，并淺析了其原因。

關鍵詞：日本氫燃料電池車? 加速平穩? 加速踏板反應靈敏? 轉彎穩定

中圖分類號：U473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（a）-0074-02

氫燃料電池汽車以能減少對石油資源的依賴、優化交通能源的構成、行駛中零污染排放、驅動系統噪音低、能量轉換效率高等成為汽車企業關注的焦點。但研究表明，雖然氫燃料電池汽車有很多優點，但也存在尚待攻克的技術難點。

“用于燃料電池汽車的氫能的制、存、運過程中存在的種種問題以及加氫站的普及都是影響氫燃料電池汽車推廣的主要障礙。”“氫能的主要來源應該是可再生能源，只有這樣氫能才真正具有戰略意義。”“燃料電池組作為氫燃料電池車的技術核心，是所有技術中難度最高的部分。由于燃料電池技術不完備和造價太高，所以市場發展比較緩慢。”

豐田經過20多年的潛心研發，在燃料電池技術方面已經實現全球領先，“未來”的量產上市證明了豐田在燃料電池動力的成本優化上有了突破性的進展。該文通過文獻研究法，從“未來”行駛時的車內舒適性這一側面進行了梳理，并淺析了其原因。

1? 加速平穩，沒有頓挫感

“未來”加速時，加速力幾乎是一定的，沒有變速頓挫感。和普通的燃油汽車相比，加速力大且平穩。這是發動機和電動機輸出特性不同所致。

發動機和電動機輸出特性有本質不同。發動機的扭矩，停止時為零，旋轉速度越高扭矩越大。但電動機的扭矩，停止時理論上為無限大，旋轉速度越高扭矩越小。

實際上，電動機使用是有限制的，停止時的扭矩不會變得無限大。因為為了防止出現故障，電動機的電流被控制在一定的范圍內了。

從輸出特性來講，和發動機相比，電動機更適合做汽車的動力源，因為驅動扭矩在汽車啟動時最大，而高速行駛時則比啟動時要小。

用發動機驅動的燃油車，須按照驅動所需的輸出特性進行變速（改變轉速比，改變扭矩），不變速的話，啟動扭矩不夠，高速行駛時會過多消耗燃料。

手動擋車加速時變速器會逐級變速，切換時會產生變速頓挫感，車身會前后振動，影響乘坐舒適性。自動擋車不會像手動擋車那樣產生大的變速頓挫感，但在用扭矩變速器逐級變速型自動擋車中有時也會有頓挫感。只是近年來搭載無級變速器（CVT）的自動擋車增多，駕駛員幾乎感知不到變速頓挫感了。

無級變速器能夠連續改變變速比，日本的燃油車中常用的金屬傳送帶式變速器，是通過傳送帶連接的兩個滑輪工作直徑的變化而改變減速比的。和使用扭矩變換器相比更容易傳遞動力，能降低耗油量，近年來使用無級變速器的車輛增多。

但只用電動機驅動的燃料電池車及電動車等不需要變速。曾經也有過搭載變速器的電動車，現在已經沒有了。電動機的動力傳遞到車輪時，使用齒輪減速，其減速比是固定的。

隨著電動機及控制技術的提高，從停止到高速運轉，能以高轉速保持大扭矩，即在維持近似于電動機最大扭矩的狀態下能夠加速。“未來”加速時，會有被一種相同力度的力量在背后一直推著的感覺。以前為了使扭矩保持一定，需要逐級切換電流回路進行控制，現在，由于逆變器技術的發展可以連續控制，不會產生切換時的沖擊了。因此，現在像“未來”那樣只用電動機驅動的車加速時非常平穩，沒有頓挫感。

2? 加速踏板反應靈敏

“未來”加速踏板的反應比燃油車好，因為加速踏板的位置移動是通過電傳導的，這和其他燃料電池車及電動車具有共性。

燃油汽車的加油踏板的位置移動不是用電傳導的，不能馬上影響發動機扭矩的變化，這和發動機產生扭矩的構造有關。

發動機把被稱作混合氣體的汽油和空氣混合氣體送進氣缸，使其爆炸，利用爆炸時的體積膨脹產生扭矩。如果踩踏加速踏板，混合氣體中的汽油比例增高，產生的扭矩就會加大。但是，比例變化后的混合氣體到達氣缸需要時間，加速踏板的位置移動到影響發動機扭矩的變化，這期間會產生時差。

另外，只用電動機驅動的燃料電池車及電動車等新能源車，加油踏板的位置移動能瞬間影響到電動機扭矩的變化。踩踏加速踏板，其位置移動通過電傳導傳遞給動力控制單元，輸入電動機的電受到控制。也就是說，全部是用電瞬間傳導，所以和燃油車相比，反應靈敏。

加速踏板的位置移動反應到扭矩的變化的應答時間，電極比發動機明顯要短得多。相對于發動機的數百毫秒，電動機只需要數毫秒，兩者之間相差兩位數。也就是說，電動機比發動機的應對速度要快兩位數。

但加速踏板的位置移動并不是直接反應至電動機的旋轉，兩者之間還有動力控制單元，受控于動力控制單元。

3? 轉彎時車身穩定

“未來”轉彎時能夠保持車身穩定，和動力傳動系有關。燃料電池車及電動車等沒有像燃油車那樣的發動機，能夠實現接近理想狀態的重量平衡。因此，能實現包括轉彎穩定性在內的駕駛穩定性。

汽車高速通過急轉彎時，急轉轉向盤易引發車輛側滑或側翻事故。在轉彎處行駛不穩定是因為偏航慣性矩導致的車輛向水平方向的轉向困難，轉彎行駛時產生以車輛重心位置為中心阻止調轉方向的慣性力。因此，偏航慣性矩越大行駛越不安定。

普通的燃油車（FF車）在轉彎處偏航慣性矩容易增大，沉重的發動機在偏離重心位置前部的引擎內，容易把車身前半部分牽引至彎道外側。

為了減小在轉彎處產生的偏航慣性矩，就要調整好車輛整體的前后重量平衡。但這在燃油車中很難實現，燃油車中發動機的位置確定后，一般來講，傳動箱等的排列位置自然就決定了。也就是說，動力傳動系中的各個部件的排列受到很大限制，很難使重量平衡達到理想狀態。

作為解決此問題的實例，有一種被稱作重心調整的設計方法，但用得不多。所謂的重心調整，就是為了減小偏航慣性矩，把發動機放置在接近重心的位置，這在賽車、跑車中早有應用。但因其構造特殊、造價高，并沒有在一般燃油車中應用。

燃料電池車和電動車等，不僅僅是沒有沉重的發動機，還因為不像燃油車那樣動力傳動系的零部件排列受到限制，所以能實現接近理想狀態的重心設定和重量平衡。偏航慣性矩也因此變小，轉彎時也變得穩定。

“未來”靈活運用了這些特征，在動力傳動系的排列上下功夫，使重心位置和重量平衡處于最佳狀態，致力于低重心化。在重心位置的附近，把包含燃料電池的FC燃料電池堆等的比較重的零部件配置在較低的位置。

另外，“未來”提高了車身扭曲剛性和空力性能，提高了車身整體的駕駛安定性。所謂的扭曲剛性，是車身的抗扭曲變形能力，抗扭曲力越強，振動和噪聲等就越小，轉彎就變得更容易。“未來”采用了比一般車高出約1.6倍的扭曲剛性的高剛性車身。

4? 結語

和氫燃料電池汽車駕駛時的舒適性相比，更應該關注氫燃料電池汽車的核心部件，燃料電池組作為氫燃料電池車的技術核心，是所有技術中難度最高的部分。由于燃料電池技術不完備和造價太高，我國氫燃料電池總體上處于工程化開發階段，功率特性、冷啟動、可靠性等主要技術性能指標與世界標桿產品比還有很大差距，致使氫燃料電池汽車市場發展比較緩慢。期盼中國車企在解決核心技術問題的前提下，生產出舒適、耐用的氫燃料電池汽車。

參考文獻

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[2] 日本鐘情氫燃料電池汽車究竟為哪般？[EB/OL].北極星電力新聞網，2018-02-05.

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