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本文2334字，阅读约需6分钟 摘 要：在第二代燃料电池汽车（FCV）“MIRAI”中，丰田通过改造燃料电池（FC）系统，实现了“成本减半”这一最终目标。在推动与混合动力汽车(HEV)的零部件共享化的同时，丰田也正在努力处理散热方面的问题。今后，与“bZ4X”等下一代电动汽车（EV）的联动将会变得很重要。 关键字：燃料电池汽车、MIRAI、燃料电池系统、散热管理、成本 将每一代的系统成本减半，是丰田对混合动力汽车采取的一条铁律。对于标榜“只有流行起来才是环保车”的丰田来说，这条铁律也是燃料电池汽车必须实现的目标。连续负责两代MIRAI开发的田中义和（丰田中型车公司的总工程师）自豪地表示：“从第一代开始，我们就能够将成本降到一半以下。” 据丰田称，包括燃料电池（FC）堆栈、氢气罐、辅机等在内的整个FC系统的成本与已经降低到第一代的1/3。为了大幅降低成本，丰田采取了两种措施：（1）简化专用部件的结构并提高量产能力；（2）与混合动力汽车共享部件。 FC专用部件大多位于前引擎盖下方（图1）。负责发电的FC堆栈对于降低成本非常重要，最明显的是FC堆栈中的单电池数量（表）。在将最大输出功率从第一代的114kW提高到128kW的同时，将单电池数量从370片减少到了330片。由此，堆叠单电池的工序减少了40道。在不牺牲性能的同时，将体积功率密度从3.5kW/L提高到了5.4kW/L。
图1 MIRAI的电气部件 燃料电池(FC)相关的专用部件一起位于前引擎盖下方。驱动电机、锂电池、PCU（动力控制单元）等多个部件都与丰田的混合动力汽车共用。 表 新旧MIRAI的性能对比
丰田还重新研究了单电池的结构。单电池由供氢气和空气中的氧气反应的MEA（膜电极组件），以及上下夹持该MEA的双极板组成，双极板上形成氢气和空气流路（气体流路）。 新型MIRAI的单电池的双极板数量从以往的3个减少到了2个（图2），减少的是空气极一侧。第一代MIRAI使用了两个钛（Ti）双极板。田中表示，新型单电池“仅需一块双极板就能够实现相同水平的空气扩散性。”
图2 将双极板的数量从3个减少到了2个 单电池结构中，使空气中的氧气和氢气发生反应的MEA被夹在两个双极板之间。过去，两个双极板安装在供气侧，一个安装在供氢侧。 丰田还改造了氢气罐。首先，丰田重新研究了CFRP（碳纤维增强树脂）层，它起到确保承受70MPa以上高压氢气强度的作用。氢气罐结构为在树脂内衬外缠绕CFRP。 这次，丰田通过改变CFRP的缠绕方法提高了强度。第一代MIRAI上安装的氢气罐有27层CFRP，但这次减少到了25层。通过使CFRP层变薄，提高了储氢性能。 据丰田的开发人员称，“通过改变CFRP的缠绕方式，生产率提高了3倍。”此外，通过使要安装的3个氢气罐的直径一致，统一了氢气罐的制造设备，有望降低包括CFRP的缠绕方法在内的氢气罐的设计开发成本。 堆叠在FC堆栈顶部的升压转换器在FC专用部件中是独一无二的，是提高FC堆栈发电电力的部件，能够将输出电压提高到650V。FC堆栈发电电力约为300V。将其提高到650V是为了使电压与丰田的混合动力系统相匹配。由此，可以使用用于混合动力汽车的现有零部件。 升压转换器采用SiC（碳化硅）的功率半导体元件等，因此价格比较昂贵，但尽管如此，丰田认为增加一个升压转换器用于连接会使整个系统更便宜。 储存发电电力的锂电池与混合动力汽车“雷克萨斯LS”中的相同。PCU（动力控制单元）广泛用于丰田的混合动力汽车。 驱动电机挪用自丰田FR（前置发动机、后轮驱动）混合动力汽车，不过需要花些工夫增加一项冷却功能。装载有电机和发动机的混合动力汽车在高速行驶时，其发动机将成为驱动力的主要来源。其原因是电机的效率会随着转速的增加而降低，而且过热也会导致电机劣化。 与混合动力汽车不同，燃料电池汽车仅以电机作为驱动源，因此即使在高速行驶时电机也不能停止。于是，丰田准备了2个驱动电机专用的油冷却器作为散热的对策（图3）。该冷却系统独立安装于后轮驱动单元。
图3 用于冷却驱动电机的油冷却器 仅用于冷却集成了驱动电机和减速器的电驱桥。 丰田对于FC专用部件也进行了散热对策方面的诸多努力，例如，FC系统上布满的各种管道（图4）。
图4 管道覆盖的FC系统 FC堆栈使用具有高绝缘性的专用冷却水（冷却剂）。位于FC堆栈上方的升压转换器由单独的冷却剂冷却。 与FC堆栈相连的管道中有一种无色透明的液体，这是一种可调节堆栈温度的冷却液（冷却剂）。丰田选择了具有绝缘性的冷却剂，以确保其能在电极之间流动。位于FC堆栈上方的升压转换器则流通另一种不同的冷却剂，采用红色管道，用于冷却升压转换器和PCU。 对冷却剂进行散热的散热器位于前格栅内部，为3层结构的大型散热器（图5）。除了使用两种冷却剂的散热器外，还布置有空调冷凝器。
图5 分别使用三种冷却剂/制冷剂 位于前格栅的散热器为三层结构。照片左侧的红色冷却剂用于冷却升压转换器和PCU。 散热管理已成为电动汽车的竞争焦点。在对电池、电机、FC堆栈等进行最佳温度管理的同时，在整个系统中有效地传递热直接关系到产品竞争力的提高。 在电动汽车的散热管理方面，以美国Tesla（特斯拉）为首，各厂商正在朝着集成化的方向发展。德国大众汽车公司（Volkswagen）也在追随此趋势，丰田在拆解研究大众的量产型电动汽车“ID.3”时也证实了这一点。为了提高电动汽车的效率并进一步降低成本，丰田也有必要引进一个集成化的热管理系统。 特别值得一提的是计划在2022年内发售的电动汽车“bZ4X”。据负责丰田电动汽车开发的丰岛浩二（丰田ZEV工厂总工程师）透露，“bZ4X通过充分利用各种散热管理技术实现了节能。” 本次拆解的MIRAI的散热管理系统分为FC系统和驱动系统两部分。在下一代燃料电池汽车上实现两者的集成化很可能是实现“将每一代的系统成本减半”这一最终目标的关键。 翻译：王宁愿 审校：刘 翔 李 涵 统稿：李淑珊 |
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