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丰田Mirai燃料电池系统氢喷射器工作状态

发布日期: 2020-04-10
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供氢-回氢组件是车用燃料电池系统阳极氢供系统的重要组成部分,关系氢燃料电池发动机的燃料经济性、耐久性和水管理氢喷射器是车用燃料电池系统阳极供氢的重要组件。丰田汽车公司Mirai燃料电池系统供氢组件采用日本爱三工业源自压缩天然气(CNG)供气技术,将3支喷嘴并行组成氢喷射器,通过调节各喷嘴开启时间和频次调节氢气供给量。Mirai燃料电池系统氢喷射器中的三支喷嘴是如何分工和合作的呢?

丰田汽车公司第yi代Mirai搭载了以塑料内胆和纤维缠绕为特征的IV型储氢瓶、以氢喷射器、氢循环泵气液分离器为特征的供氢-回氢(阳极水管理)系统。Mirai携带容积总计122.4 L两支储氢瓶(前60 L,后62.4 L),瓶体总质量87.5 kg(前42.8 kg,后44.7 kg),峰值加注压力87.5 Mpa,正常工作压力70 Mpa,储氢密度5.7 wt%,加注时间3~5 min(加注时间受加注压力和环境温度影响)。储氢瓶采用树脂内胆、碳纤维强化树脂(CFRP)中层和玻璃纤维强化树脂外层结构。

丰田Mirai结构

燃料电池系统供氢-回氢组件的主要职能是调节燃料电池电堆阳极氢气压力(气量)、提高氢气利用率、改善电堆内部湿润度。丰田Mirai回氢组件-2叶罗茨氢循环泵大功率430 W,峰值转速6200 rpm,通过在空间上紧邻电堆强化电机散热性能。供氢部分采用3支喷嘴并行交替工作,通过电控策略实现Mirai电堆阳极氢气进气动态精确可调。本文将通过Mirai的实际启动和正常行驶等工况对Mirai燃料电池系统氢喷射器3支喷嘴的工作状态进行分析。

丰田Mirai燃料电池系统氢气供给示意

丰田Mirai氢喷射器

丰田Mirai行驶模式主要有停车怠速、启动发车、加速、正常行驶和减速(回收制动)五种,各模式下燃料电池电堆、动力电池组、逆变器和空压机等零部件的工作状态如下图所示。丰田Mirai燃料电池系统氢喷射器的分析测试位于波兰华沙,测试前该辆Mirai燃料电池汽车已累计行驶3000 km。

丰田Mirai行驶模式

启动工况

下图展示了Mirai燃料电池系统启动(按下启动键)后20 s内燃料电池电堆工作情况。2~3 s后,Mirai燃料电池堆电压升至315 V,电流为32 A。此时功率为315 V×32 A=10 kW,约为峰值功率(114 kW)的8.8%。10 s后,Mirai电堆电压升至40 A,功率增加到13 kW。上述过程中,Mirai仅使用了氢喷射器中一个喷嘴。为维持上述过程,氢循环泵转速从1500 rpm升至1800 rpm,且氢气喷射器工作频率变高。注意,上述过程氢气供应压力为122 kPa,空气供应压力为100 kPa。

启动状态下燃料电池参数(Mirai静止)

行驶工况

此次测试主要对丰田Mirai在四种行驶工况(Route)下的表现进行分析。下图比较了丰田Mirai燃料电池汽车测试的四个行驶工况。工况1、2和3大行驶速度相近,约为50 km/h,工况4的主要特点是行驶速度增加。工况1、2和3中,Mirai静止时间也相近,约占50%左右。工况1、2和3持续时间有所不同,范围从160~330 s。路线1、2和3在恒定速度下的时间密度高达10%,加速和减速下的时间密度约为20%。注意,下图时间密度(时间占比)将Mirai静止时间除外

丰田Mirai测试行驶工况a):车速;b):加速时间密度

下图显示了工况1下加速期间Mirai燃料电池堆的高性能表现。Mirai加速期间用时3.5 s左右即可达到峰值功率。氢喷射器三支喷嘴根据功率需求逐渐开启工作,氢喷射器3(或称喷嘴3)在燃料电池堆功率到达70 kW后才开启。加速期间,电堆电流逐渐增加,电压逐渐降低。该期间,Mirai电堆大电流468 A@244 V,此时车速仅40 km/h左右

丰田Mirai工况1下氢气供应情况(三个喷射器)

四种行驶工况下的氢喷射器工作状态分析如下图所示。对不同车速和加速度(加速踏板位置)的每次测试运行,均记载了各氢喷射器的工作状态,并以此为基础,评估了喷射器的使用状况。假定该值与电驱推进系统载荷成比例。对0%、0-25%、25-50%、50-75%和75-100%几个加速踏板位置进行了分析从获取数据看,主要使用了两个氢喷射器,喷油器3仅在加速踏板位置的末端范围使用。

各工况下丰田Mirai氢喷射器状态

 

各工况下加速踏板在不同位置丰田Mirai氢喷射器工作时间占比

此外,还总结了车速和载荷对燃料电池系统中氢喷射器的工作状态影响。每种测试车速下喷射器1和喷射器2均运行,0~100%载荷范围内喷射器1和喷射器2均运行仅当电堆载荷超过60%(对应车速25~130 km/h)时氢喷射器3才介入。

车速和载荷对Mirai氢喷射器的影响

燃料电池和镍氢电池

丰田Mirai燃料电池系统使用类似混合动力汽车的升压转换器来提高输出电压,Mirai搭载的DC-DC升压转换器可将燃料电池电堆电压从大315 V增加到650 V,使Mirai驱动电机功率倍增。Mirai燃料电池系统运行期间获取上述电压的工作状态如下图所示。

Mirai燃料电池电堆升压工作状态

显然,车辆加速期间升压转换器的输入电压达到峰值(约315 V),输出电压超过600 V。此外,为在加速过程中辅助燃料电池电堆,高压镍氢电池组放电(正电流值),并在制动情况下给电池组充电。尽管驾驶条件各异,但镍氢电池组容量仍可保持在52–62%。高压电池组工作状态如下图所示,充电状态下镍氢电池组电压可高达315 V。高压电池组长时间充电可采用50 A的小充电电流,但大值可超过120 A。

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