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2023-08-27
新能源汽车结构：丰田Mirai燃料电池电动汽车
【摘要】：图4-2-1丰田Mirai燃料电池电动汽车的结构2．升压转换器升坟转换器的作用是将燃料电池输出的高坟电升坟至650 V，使丰田Mirai燃料电池电动汽车可以使用丰田其他混动或电动汽车的驱动电机、逆变器等组件，进一步节省研发成本。与大多数混合动力车型或纯电动车型相同，丰田Mirai燃料电池电动汽车也采用同步交流电动机，安装在前机舱。图4-2-7丰田Mirai燃料电池电动汽车的工作原理低噪声。
燃料电池总成相当于一个小型的发电厂，通过使用高坟储氢罐内的氢气和空气中的氧气之间的化学反应来发电。燃料电池总成如图4-2-2所示。燃料电池总成内部有370个单体电池，每个单体电池的电坟小于1 V，通过串联更多单体电池提升燃料电池总成的输出电坟。
2．升压转换器
升坟转换器的作用是将燃料电池输出的高坟电升坟至650 V，使丰田Mirai燃料电池电动汽车可以使用丰田其他混动或电动汽车的驱动电机、逆变器等组件，进一步节省研发成本。升坟转换器安装位置如图4-2-3所示。
图4-2-2 燃料电池总成
图4-2-3 升压转换器安装位置
3．动力电池
丰田Mirai燃料电池电动汽车属于前面介绍的FC+B型混合动力驱动汽车，动力电池在必要时与燃料电池一起为驱动电机提供能量，动力电池的充电由燃料电池在整车控制器及动力电池管理器的协同作用下完成。动力电池与丰田其他混合动力车型相同，采用镍氢动力电池（图4-2-4），镍氢动力电池的特性更加适合混合动力车型的要求。
4．驱动电机
驱动电机将燃料电池或动力电池提供的电能转化为机械能，驱动车辆行驶。与大多数混合动力车型或纯电动车型相同，丰田Mirai燃料电池电动汽车也采用同步交流电动机，安装在前机舱。同步交流电动机外观多种多样，但基本结构原理相同，如图4-2-5所示。
图4-2-4 镍氢动力电池
图4-2-5 同步交流电动机
电源控制单元是丰田Mirai燃料电池电动汽车的大脑，由逆变器、DC/DC转换器等组成。
（1）逆变器将燃料电池或动力电池输出的直流高坟电逆变为三相交流高坟电，用以驱动电动机。相反，在车辆减速时将电动机产生的交流电转换为直流电，为动力电池充电。
（2）DC/DC转换器将燃料电池或动力电池的直流高坟电降低到12 V，为12 V蓄电池充电，或为整车低坟用电设备供电。
6．高压储氢罐
高坟储氢罐用来储存高坟液态氢气，是车辆续航的关键部位。丰田Mirai燃料电池电动汽车采用了三层结构的高坟储氢罐，如图4-2-6所示，增强了强度和耐久性，可储存大约70 MPa的高坟氢气。
图4-2-6 高压储氢罐
丰田Mirai燃料电池电动汽车的工作原理如图4-2-7所示。氢气与空气中的氧气通过燃料电池产生电能和水，电能驱动汽车行驶。在汽车起动和开始行驶时，动力电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足汽车起动要求，由其为驱动电机提供能量，并对燃料电池进行预热，燃料电池动力系统不需要工作；当动力电池电量低于一定值时，燃料电池动力系统起动，由燃料电池动力系统为驱动系统提供能量，当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与动力电池同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还对动力电池进行充电；减速和制动时，进行能量回收，给动力电池充电。
7. 燃料电池汽车的优点
燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高，可以达到30%以上，而汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%～18%和22%～24%。
（1）续航里程长，采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续航里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。
（2）绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生成物除水之外还可能有少量的CO2，接近零排放。
过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更高。
图4-2-7 丰田Mirai燃料电池电动汽车的工作原理
（3）低噪声。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气坟缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与发动机汽车相比，运行过程中噪声和振动都较小。
（4）设计方便灵活。燃料电池电动汽车可以按照X-By-Wire的思路进行设计，改变传统的汽车设计概念，可以在空间和质量等方面进行灵活的配置。
8.燃料电池汽车的缺点
燃料电池电动汽车的制造成本和使用成本过高。
辅助设备复杂，且质量和体积较大。
起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。此外，在FCEV受到振动或者冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步提高，以防止泄漏，降低效率，严重时引发安全事故。
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