豐田Mirai氫燃料電池汽車解析（上）

◆文/北京 馮永忠

豐田Mirai四門轎車于2014年12月15日在日本正式上市是豐田汽車公司的第一款氫燃料電池汽車。豐田燃料電池系統將諸如燃料電池堆和高壓氫氣罐等混合動力技術與燃料電池技術相結合。燃料電池汽車有效地將發電所需的氫氣和空氣輸送到燃料電池，產生電能，并利用電能驅動汽車的牽引電機。

高壓電零部件包括帶電機的燃料電池空氣壓縮機、空調電動壓縮機、燃料電池逆變器、燃料電池堆、燃料電池冷卻水泵、燃料電池水泵與氫氣泵逆變器、帶電機的燃料電池汽車變速器和帶轉換器的逆變器供電。所有其他常規的汽車電氣，如前大燈、音響和儀表都是由一個單獨的12V輔助電池供電。在Mirai中設計了許多安全措施，以確保大約244.8V的燃料電池汽車鎳氫動力蓄電池(NIMH)在事故中保持安全。

鎳氫動力蓄電池中密封電池，類似于一些電池供電工具和其他消費品中使用的充電蓄電池。電解液被電池板吸收，即使電池破裂也不會正常泄漏。萬一電解液確實泄漏，它很容易與稀硼酸溶液或醋中和。橙色絕緣層和電氣接頭識別的高壓電纜與車輛的金屬底盤絕緣。

根據不同的駕駛工況，這款燃料電池汽車的燃料電池堆和動力蓄電池的電能，以最佳方式分配，實現了包括平穩起步和加速等卓越的車輛性能。此外在減速期間，牽引電機作為再生制動器操作，將制動力轉化的電能，用于為動力蓄電池充電或者為燃料電池空氣壓縮機電機等供電。

圖1所示為豐田Mirai如何在各種駕駛工況下工作。①在正常工況下，當車輛開始起步時，牽引電機由動力蓄電池提供電能。②在平穩駕駛期間，燃料電池堆的電能驅動牽引電機。③在加速過程中，來自燃料電池堆的電能增加，燃料電池轉換器的升壓比增大，并從動力蓄電池提供額外的電能來加速車輛。④在減速過程中，利用通過車輪傳遞的驅動力使牽引電機旋轉，將動能轉換為電能，用于給動力蓄電池充電，或者用于燃料電池空壓機電機等運轉。⑤當車輛停止且動力蓄電池充電狀態較低時，燃料電池堆將會發電，并為動力蓄電池充電。

一、識別豐田Mirai

豐田Mirai是四門轎車，從車輛外部、內部和發動機艙可以進行識別。包括15個字母數字字符的車輛識別碼(VIN)分別位于前擋風玻璃罩板左側、前排座椅右下方和左側B柱上(圖2)。例如車輛識別碼JTDBVRBDA000101，豐田Mirai由前8個字母數字字符JTDBVRBD識別。

1.外部識別

后備箱和每個前翼子板上都有徽標，位于左后側板上的氫燃料加注口蓋處也可以識別出豐田Mirai車型，如圖3所示。

圖3 外部識別

2.內部識別

組合儀表的燃料電池(FC)系統指示燈、就緒(READY)指示燈和各種警告燈位于儀表板中間的組合儀表上。如圖4所示。如果關閉車輛電源開關，儀表盤儀表將熄滅。

圖4 內部識別

3.發動機艙識別

逆變器塑料蓋上有燃料電池標徽，如圖5所示。高壓動力電纜顏色是橙色，如圖6所示。

圖5 發動機艙識別

圖6 橙色高壓電纜

二、氫燃料電池汽車運行

一旦組合儀表中的就緒指示燈亮起，就可以駕駛車輛。起步和停止時，內置在燃料電池堆中的燃料電池主繼電器和安裝在氫氣罐上的氫罐閥被激活，這時會聽到操作聲音。

必須識別和理解組合儀表中提供的就緒指示燈。當就緒燈點亮時，它會通知駕駛員車輛已經正在運行，即使發動機艙處于靜音狀態。不要僅僅因為發動機艙靜音就認為車輛已經停止運行。始終查找就緒指示燈狀態，當就緒指示燈熄滅時，說明車輛已經停止運行，如圖7所示。

圖7 組合儀表READY指示燈

1.動力蓄電池

豐田Mirai配備了一個高電壓鎳氫動力蓄電池，其中包含密封的鎳氫電池模塊。動力蓄電池封裝在一個金屬外殼內，并牢固地安裝在后座靠背的行李箱內。金屬外殼與高電壓絕緣，并在行李箱中用織物罩遮住，如圖8所示。

圖8 動力蓄電池

動力蓄電池由34個7.2V的低電壓鎳氫電池模塊串聯而成，約244.8V。每個鎳氫電池模塊都不能溢出，全都密封在一個金屬外殼中。在鎳氫電池模塊中使用的電解液是氫氧化鉀和氫氧化鈉的堿性混合物。電解液被吸收到蓄電池極板中，即使發生碰撞，通常也不會泄漏。動力蓄電池可以循環使用。

2.12V蓄電池

豐田Mirai還包含一個密封的12V鉛酸蓄電池。該12V輔助蓄電池為車輛電氣系統提供類似于傳統車輛的電能。與其他傳統車輛一樣，輔助蓄電池接地到車輛的金屬底盤上。輔助蓄電池位于車輛行李箱右后，用右后側圍板的織物罩板遮蓋，如圖9所示。

圖9 12V蓄電池

3.燃料電池(FC)系統

豐田Mirai燃料電池汽車采用與混合動力汽車相同的電機驅動方式，使用200～650V高電壓驅動電機，該車電機由氫燃料與空氣中的氧發生化學反應產生的電力驅動。燃料電池汽車配備燃料電池堆、氫氣泵、燃料電池水泵、燃料電池水泵與氫氣泵逆變器、燃料電池升壓轉換器以及燃料電池空氣壓縮機等專用的高電壓零部件。為使用氫氣發電，燃料電池汽車配備有燃料電池堆、氫氣罐以及氫氣管道等氫氣系統零部件。如圖10所示。

圖10 零部件位置圖

4.氫氣的安全性

氫氣可以從除石油以外的許多一次能源中生產，例如天然氣或乙醇中可以生產出氫氣。此外，太陽能或風能也可以從水中生產出氫氣。

與汽油相比，氫氣具有分子量小和易泄漏等缺點。氫氣無色無味無害，氫氣是可燃氣體，在4%～74.5%濃度時可燃。由于點火溫度高，不易自燃，不易爆炸，除非與氧氣一起限制在封閉空間內。氫氣很容易擴散，少量氫氣泄漏會迅速消散到無法點燃的濃度。在氫氣發生泄漏時，安裝在車輛上的氫氣檢測器檢測出氫氣泄漏，并通過氫氣罐上的電磁閥切斷關閉氫氣供應，以防止氫氣大量泄漏。此外，與氫氣相關的零部件安裝在駕駛室外部，以使泄漏的氫氣易于擴散。環境溫度在15℃時，氫氣罐內儲存氫氣的最高氣壓可達到70MPa，高壓氫氣管道上的一些絕緣層涂成紅色。

如果車輛發生碰撞，則切斷氫氣供應，以防止由于車輛損壞而導致的大量泄漏。有關氫氣相關部件安裝位置的詳細信息，請參考該車輛的零部件位置圖。