本田FCX Clarity燃料電池汽車的動力總成技術

◆文/吉林 劉志超

(作者劉志超工作單位：榆樹市職業技術教育中心)

一、動力總成系統

如圖1所示，本田FCX Clarity的動力總成由電驅動系統、燃料電池系統、鋰離子電池系統和高壓氫氣供應系統組成。發電所必須的組件分散在整個車輛中。從燃料電池組開始，發電所需的每個組件都減小了尺寸,使動力總成的尺寸和重量同時減小，實現了重量輸出密度和體積輸出密度是FCX動力總成的兩倍(圖2)，從而實現了以前在傳統往復式發動機車輛中無法實現的寬敞空間。

圖1 FCX Clarity動力系統布局

圖2 動力系統的發展

燃料電池組產生的高功率和鋰離子電池所提供的電力輔助，使新的動力總成能夠通過大功率電機輸出強大的驅動力。電機扭矩是連續的，無換擋，實現從起步到高速整個行駛范圍內，車輛平穩、動力強勁，且可連續擴展加速度，從而幫助駕駛者實現獨特的駕駛感覺。

二、電動系統

為了實現強大的加速度、最高車速以及更大的車輛緊湊性，FCX Clarity研發了新的電驅動系統，包括驅動電機、減速箱和動力驅動單元(PDU)，表1列出了FCX Clarity與FCX驅動電機性能的對比。FCX Clarity驅動電機轉子中的磁鐵采用了獨特的形狀和定位。在定子中使用低損耗磁芯，可降低高速時的損耗，對槽的形狀進行了優化，可增加其層壓系數，從而降低導線的電阻。這些創新實現了高功率、高扭矩、高速度和高效率。電動機的最大功率已從80kW增加到100kW，此輸出水平可以使車輛保持高速，且可提供舒適的加速度(圖3)。另外，FCX Clarity的驅動電機和減速箱采用同軸結構，并且電機已與PDU集成在一起，從而使電機的長度減小了162mm，高度減小了240mm。這些變化使FCX Clarity實現了大膽而時尚的短鼻子和傾斜鼻子設計以及寬敞的空間。

表1 驅動電機性能比較

圖3 輸出和扭矩特性曲線

三、燃料電池系統

FCX Clarity重新研發了燃料電池系統的結構，以實現僅在燃料電池車輛中可用的座艙類型。先前的FC電池組采用了氫和氧橫向流入電池的結構。在新的配置中使用的V flow FC電池組，氫氣和氧氣垂直流動(圖4),這使系統能夠利用重力順利地排出在發電表面上產生的水。排水能力的提高使流動通道的高度降低了17%，有助于減輕重量和提高緊湊性。V Flow FC電池組采用波流通道分離器，以確保氫、氧和冷卻劑能均勻供應到發電表面的內部。冷卻劑水平地流過氫氣和空氣，通過氫氣和空氣的垂直流通通道(圖5)。該方法實現了發電表面的均勻冷卻，使每個電池所需的冷卻層數量減少了一半。系統內部結構的演變，使得以前的兩個箱體結構可以由一個箱體代替。因此，電池組的大小和重量都比以前減小了，使其達到最大100kW的功率。新的燃料電池組的體積輸出密度比以前的燃料電池組高50%，重量輸出密度比以前的燃料電池組高67%，此外新的燃料電池組更輕、更緊湊(圖6)。

圖4 氫氣流量比較

圖5 波流通道分離器的細節

圖6 燃料電池組的演變

上述各部件尺寸和重量的減小，使熱容減小了約40%。這使得車輛的預熱性能得到增強，車輛低溫啟動能力得到提高。在–20℃時啟動，FCX Clarity達到 50%輸出功率所需的時間是FCX所需時間的四分之一，并且FCX Clarity還可以在–30℃下啟動(圖7)。

FCX的兩組箱體的電池組已在FCX Clarity中集中為一組箱體，從而使連接電池組的組件被簡化或剔除。此外，使用一體式配置可以使氫氣供應系統、加濕系統和接觸器縱向集成在一起，進而使燃料電池系統箱的體積比以前的型號減少65%。這使燃料電池系統可以被放置在中央通道，從而有助于實現寬敞的座艙、低地板和較低的座艙高度(圖8)。

圖7 冷啟動性能

圖8 動力總成的比較

四、鋰離子電池系統

FCX Clarity中鋰離子電池系統已被用作輔助電源，以增強輔助性能，提高系統的能量回收率，并有助于實現重量減輕和體積壓縮。通過采用液壓蓄能式協作制動系統，進行控制再生制動和液壓制動的分配，使制動過程中再生能量的回收率比FCX提高了11%，使總制動能量的回收率(LA-4模式)達到57%。與以前的FCX中采用的超級電容器相比，FCX Clarity中鋰離子電池系統能夠在最大功率下為燃料電池組的輸出提供輔助(圖9)。FCX Clarity使用側流系統冷卻電池，電池組和ECU都采用單箱體結構，與FCX中使用的超級電容器相比，該結構的重量減輕了40%，體積減小了50%。因此，可以將鋰離子電池系統安裝在后排座椅下方。這有助于實現寬敞舒適的后排空間，較低的地板和較低的整體座艙高度以及寬大的行李箱空間(圖10)。

圖9 輔助動力特性圖

10 輔助電池比較

五、高壓氫氣供應系統

為了增加后排乘坐的舒適度，并實現寬敞的行李箱空間，FCX Clarity使用一個高壓氫氣罐代替了之前的兩個罐。此外，包括截止閥、調節器、壓力傳感器和其他組件，經過重新設計和壓縮可作為內置模塊使用，這使得高壓供氫系統中使用的零件數量減少了74%。因此，罐的容積增加了，空間效率提高了24%(圖11)。結合第三個標題中討論的鋰離子電池系統，可以實現457L的行李箱空間，是FCX行李箱空間的3.4倍。

圖11 氫氣供應系統