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豐田第二代Mirai燃料電池堆防撞設計

2020-12-07 11:19:25·  來源：燃料電池干貨  
　
豐田第二代Mirai燃料電池堆及其系統(tǒng)采取前置方案(集成在發(fā)動機艙)，降低前方碰撞對電堆及升壓轉(zhuǎn)換器的損傷成為豐田工程師開發(fā)第二代Mirai過程中的重要事項。與第
豐田第二代Mirai燃料電池堆及其系統(tǒng)采取前置方案(集成在發(fā)動機艙)，降低前方碰撞對電堆及升壓轉(zhuǎn)換器的損傷成為豐田工程師開發(fā)第二代Mirai過程中的重要事項。
 
與第一代Mirai將燃料電池堆及系統(tǒng)布置在車輛底盤不同，豐田第二代Mirai因采用全新GA-L后驅(qū)平臺和提升高續(xù)航等原因?qū)⑷剂想姵囟鸭跋到y(tǒng)集成在發(fā)動機艙內(nèi) 。其中，支撐平臺上體積功率密度高達4.4 kW/L的燃料電池堆及升壓轉(zhuǎn)換器是發(fā)動機艙內(nèi)體積占比較大的兩個重要部件，如下圖所示。 追尾是交通事故中的高發(fā)案件 ，追尾導致的外部沖擊給發(fā)動機艙內(nèi)燃料電池零部件損壞帶來潛在的損壞風險，尤其是成本較高的燃料電池堆。 因此，如何從結(jié)構(gòu)上設計電堆的防撞保護是豐田工程師的重要課題 。
現(xiàn)代NEXO前部碰撞
 
豐田第二代Mirai電堆和升壓轉(zhuǎn)換器實物
 
首先，第二代Mirai燃料電池堆的防撞設計從防撞梁開始。通常，為減少撞擊力對車身縱梁損害并起到保護車輛作用，車輛前端設置有防撞梁和吸能盒(注意與電堆支撐平臺的碰撞吸能盒區(qū)分開)，并用螺栓連接在車體縱梁上。吸能盒可在車輛發(fā)生碰撞時變形有效吸收碰撞能量，減少對縱梁傷害。當吸能盒完全變形后，隨著外部碰撞和沖擊力的持續(xù)，電堆面臨直接沖擊。
豐田第二代Mirai防撞梁和吸能盒
 
在保護車輛縱梁的吸能盒完全變形后，第二代Mirai燃料電池堆的防撞設計從電堆支撐平臺上的碰撞吸能盒開始，如下圖所示。首先我們來看下第二代Mirai發(fā)動機的空間結(jié)構(gòu)：第二代Mirai電堆安裝于支撐平臺上，呈傾斜狀態(tài)(公共歧管排水)；碰撞吸能盒與電堆支撐平臺前側(cè)連接，向前方突出；散熱器的風扇電機與碰撞吸能盒正對分離；電堆支撐平臺通過2根前支座和2根后支座固定在車架上；離子交換器位于散熱風扇與電堆間，安裝在電堆殼體上，具備高剛度的蓋部和低剛度的筒狀部。
 
豐田第二代Mirai發(fā)動機艙主要部件示意
第二代Mirai電堆支撐平臺的碰撞吸能盒示意
 
第二代Mirai電堆支撐平臺的碰撞吸能盒實物
 
在保護車輛縱梁的吸能盒完全變形后且沖擊載荷較小時，散熱器因外部障礙物繼續(xù)擠壓向離子交換器移動，直到風扇電機與支撐平臺碰撞吸能盒接觸。散熱器從初始位置移動到第二位置，如下圖所示。
 
豐田第二代Mirai散熱器第二位置示意
 
當沖擊載荷變大，散熱器和風扇電機進一步移動至第三位置，如下圖所示。此時，風扇電機擠壓支撐平臺碰撞吸能盒使之變形，通過碰撞吸能盒的變形來緩沖來自車輛前方側(cè)散熱器的沖擊載荷。
 
豐田第二代Mirai散熱器第三位置示意
 
當沖擊載荷進一步變大并且碰撞吸能盒的變形無法吸收沖擊載荷，散熱器的移動使得離子交換器的筒狀部開始變形，利用筒狀部緩沖吸收散熱器的沖擊載荷，如下圖所示。注意，散熱器在向后移動時，離子交換器的筒狀部先于支撐平臺的前支架與散熱器接觸。
 
豐田第二代Mirai散熱器第四位置示意
 
當沖擊載荷繼續(xù)變大，散熱器進一步后移至第五位置，離子交換器的筒狀部變形已至軸線，如下圖所示。因離子交換器的蓋部剛度較大，此時筒狀部基本不再進一步變形。沖擊載荷經(jīng)由離子交換器的安裝部向后方按壓燃料電池堆。來自燃料電池堆的沖擊載荷傳遞至支撐平臺和前后支座后，支撐平臺于車架脫離，燃料電池堆和升壓轉(zhuǎn)換器處于自由狀態(tài)，從而避免散熱器的沖擊載荷直接作用于燃料電池堆。
 
豐田第二代Mirai散熱器第五位置示意
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