豐田Mirai燃料電池系統氫噴射器工作狀態

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，關係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採用日本愛三工業源自壓縮天然氣(CNG)供氣技術，將3支噴嘴並行組成氫噴射器，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？

豐田汽車公司第一代Mirai搭載了以塑料內膽和纖維纏繞為特徵的IV型儲氫瓶、以氫噴射器、氫循環泵和氣液分離器為特徵的供氫-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，後62.4 L)，瓶體總質量87.5 kg(前42.8 kg，後44.7 kg)，峰值加註壓力87.5 Mpa，正常工作壓力70 Mpa，儲氫密度5.7 wt%，加註時間3~5 min(加註時間受加註壓力和環境溫度影響)。儲氫瓶採用樹脂內膽、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、改善電堆內部溼潤度。豐田Mirai回氫組件-2葉羅茨氫循環泵最大功率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。供氫部分採用3支噴嘴並行交替工作，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於波蘭華沙，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)後20 s內燃料電池電堆工作情況。2~3 s後，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後，Mirai電堆電壓升至40 A，功率增加到

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最大行駛速度相近，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，約佔50%左右。工況1、2和3持續時間有所不同，範圍從160~330 s。路線1、2和3在恆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(時間佔比)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後才開啟。加速期間，電堆電流逐漸增加，電壓逐漸降低。該期間，Mirai電堆最大電流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，並以此為基礎，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範圍使用。

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氫噴射器工作時間佔比

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％載荷範圍內噴射器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最大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)，並在制動情況下給電池組充電。儘管駕駛條件各異，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採用50 A的小充電電流，但最大值可超過120 A。（來源：燃料電池乾貨）

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