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    豐田Mirai燃料電池系統氫噴射器工作狀態

    發布日期: 2020-04-10
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    供氫-回氫組件是車用燃料電池系統陽極氫供系統的重要組成部分,關系氫燃料電池發動機的燃料經濟性、耐久性和水管理。氫噴射器是車用燃料電池系統陽極供氫的重要組件。豐田汽車公司Mirai燃料電池系統供氫組件采用日本愛三工業源自壓縮天然氣(CNG)供氣技術,將3支噴嘴并行組成氫噴射器,通過調節各噴嘴開啟時間和頻次調節氫氣供給量。Mirai燃料電池系統氫噴射器中的三支噴嘴是如何分工和合作的呢?

    豐田汽車公司第yi代Mirai搭載了以塑料內膽和纖維纏繞為特征的IV型儲氫瓶、以氫噴射器、氫循環泵氣液分離器為特征的供氫-回氫(陽極水管理)系統。Mirai攜帶容積總計122.4 L兩支儲氫瓶(前60 L,后62.4 L),瓶體總質量87.5 kg(前42.8 kg,后44.7 kg),峰值加注壓力87.5 Mpa,正常工作壓力70 Mpa,儲氫密度5.7 wt%,加注時間3~5 min(加注時間受加注壓力和環境溫度影響)。儲氫瓶采用樹脂內膽、碳纖維強化樹脂(CFRP)中層和玻璃纖維強化樹脂外層結構。

    豐田Mirai結構

    燃料電池系統供氫-回氫組件的主要職能是調節燃料電池電堆陽極氫氣壓力(氣量)、提高氫氣利用率、改善電堆內部濕潤度。豐田Mirai回氫組件-2葉羅茨氫循環泵大功率430 W,峰值轉速6200 rpm,通過在空間上緊鄰電堆強化電機散熱性能。供氫部分采用3支噴嘴并行交替工作,通過電控策略實現Mirai電堆陽極氫氣進氣動態精確可調。本文將通過Mirai的實際啟動和正常行駛等工況對Mirai燃料電池系統氫噴射器3支噴嘴的工作狀態進行分析。

    豐田Mirai燃料電池系統氫氣供給示意

    豐田Mirai氫噴射器

    豐田Mirai行駛模式主要有停車怠速、啟動發車、加速、正常行駛和減速(回收制動)五種,各模式下燃料電池電堆、動力電池組、逆變器和空壓機等零部件的工作狀態如下圖所示。豐田Mirai燃料電池系統氫噴射器的分析測試位于波蘭華沙,測試前該輛Mirai燃料電池汽車已累計行駛3000 km。

    豐田Mirai行駛模式

    啟動工況

    下圖展示了Mirai燃料電池系統啟動(按下啟動鍵)后20 s內燃料電池電堆工作情況。2~3 s后,Mirai燃料電池堆電壓升至315 V,電流為32 A。此時功率為315 V×32 A=10 kW,約為峰值功率(114 kW)的8.8%。10 s后,Mirai電堆電壓升至40 A,功率增加到13 kW。上述過程中,Mirai僅使用了氫噴射器中一個噴嘴。為維持上述過程,氫循環泵轉速從1500 rpm升至1800 rpm,且氫氣噴射器工作頻率變高。注意,上述過程氫氣供應壓力為122 kPa,空氣供應壓力為100 kPa。

    啟動狀態下燃料電池參數(Mirai靜止)

    行駛工況

    此次測試主要對豐田Mirai在四種行駛工況(Route)下的表現進行分析。下圖比較了豐田Mirai燃料電池汽車測試的四個行駛工況。工況1、2和3大行駛速度相近,約為50 km/h,工況4的主要特點是行駛速度增加。工況1、2和3中,Mirai靜止時間也相近,約占50%左右。工況1、2和3持續時間有所不同,范圍從160~330 s。路線1、2和3在恒定速度下的時間密度高達10%,加速和減速下的時間密度約為20%。注意,下圖時間密度(時間占比)將Mirai靜止時間除外。

    豐田Mirai測試行駛工況a):車速;b):加速時間密度

    下圖顯示了工況1下加速期間Mirai燃料電池堆的高性能表現。Mirai加速期間用時3.5 s左右即可達到峰值功率。氫噴射器三支噴嘴根據功率需求逐漸開啟工作,氫噴射器3(或稱噴嘴3)在燃料電池堆功率到達70 kW后才開啟。加速期間,電堆電流逐漸增加,電壓逐漸降低。該期間,Mirai電堆大電流468 A@244 V,此時車速僅40 km/h左右。

    豐田Mirai工況1下氫氣供應情況(三個噴射器)

    四種行駛工況下的氫噴射器工作狀態分析如下圖所示。對不同車速和加速度(加速踏板位置)的每次測試運行,均記載了各氫噴射器的工作狀態,并以此為基礎,評估了噴射器的使用狀況。假定該值與電驅推進系統載荷成比例。對0%、0-25%、25-50%、50-75%和75-100%幾個加速踏板位置進行了分析。從獲取數據看,主要使用了兩個氫噴射器,噴油器3僅在加速踏板位置的末端范圍使用。

    各工況下豐田Mirai氫噴射器狀態

     

    各工況下加速踏板在不同位置豐田Mirai氫噴射器工作時間占比

    此外,還總結了車速和載荷對燃料電池系統中氫噴射器的工作狀態影響。每種測試車速下噴射器1和噴射器2均運行,0~100%載荷范圍內噴射器1和噴射器2均運行。僅當電堆載荷超過60%(對應車速25~130 km/h)時氫噴射器3才介入。

    車速和載荷對Mirai氫噴射器的影響

    燃料電池和鎳氫電池

    豐田Mirai燃料電池系統使用類似混合動力汽車的升壓轉換器來提高輸出電壓,Mirai搭載的DC-DC升壓轉換器可將燃料電池電堆電壓從大315 V增加到650 V,使Mirai驅動電機功率倍增。Mirai燃料電池系統運行期間獲取上述電壓的工作狀態如下圖所示。

    Mirai燃料電池電堆升壓工作狀態

    顯然,車輛加速期間升壓轉換器的輸入電壓達到峰值(約315 V),輸出電壓超過600 V。此外,為在加速過程中輔助燃料電池電堆,高壓鎳氫電池組放電(正電流值),并在制動情況下給電池組充電。盡管駕駛條件各異,但鎳氫電池組容量仍可保持在52–62%。高壓電池組工作狀態如下圖所示,充電狀態下鎳氫電池組電壓可高達315 V。高壓電池組長時間充電可采用50 A的小充電電流,但大值可超過120 A。

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