今天和大家一起來學(xué)習(xí)一下豐田Mirai二代車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)有哪些技術(shù)研發(fā)亮點(diǎn)，以及其如何做到儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本的降低。




概述

豐田Mirai二代的車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)相較于Mirai一代來說，具有更好的性能和更低的造價(jià)。Mirai二代更好的利用了整車的空間，具有三個(gè)儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫量增加5.6Kg。



從氫瓶的整體布置來看，有兩個(gè)氫瓶呈“T”形布置在車廂底部，另外一個(gè)氫瓶布置在車廂尾部，且三個(gè)氫瓶的體積根據(jù)車輛的空間需求而不同，其中縱向氫瓶比兩個(gè)橫向氫瓶長度要長。三個(gè)氫瓶都通過圓形支架固定在車底板。

從下面整個(gè)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的原理圖上看，整套儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要分兩級(jí)，一級(jí)是從氫瓶到減壓閥，另一級(jí)是從減壓閥到氫噴射器。高壓氫氣通過四通管路，從加氫口流向三個(gè)氫瓶；再通過一個(gè)四通管路將三個(gè)氫瓶中的氫氣通向減壓閥。整套車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)中具有三個(gè)壓力傳感器，分別位于兩個(gè)四通管路以及減壓閥后，并在每個(gè)氫瓶中各設(shè)有一個(gè)溫度傳感器。每個(gè)氫瓶上都配有高壓瓶閥。



Miriai二代儲(chǔ)氫系統(tǒng)的研發(fā)亮點(diǎn)

Mirai二代儲(chǔ)氫系統(tǒng)的研發(fā)亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在氫瓶的研發(fā)方面。

如下圖，高壓氫瓶由塑料襯里、碳纖維加強(qiáng)塑料層（CFRP, carbon fiber reinforced plastic），防護(hù)層組成。塑料襯里主要用于氫氣的密封，同時(shí)使用CFRP層承受高壓。氫瓶的兩端都有Boss，其中一端的用于配合固定高壓閥。



氫瓶的研發(fā)亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在容積效率（Volume Efficiency）的提高、最大程度提高了儲(chǔ)氫量、襯里的優(yōu)化、氫瓶溫度分布的優(yōu)化。

1、提高了容積效率。

Mirai二代較Miari一代在氫瓶碳纖維強(qiáng)度上提高了約4%，從而實(shí)現(xiàn)了目前世界上最高儲(chǔ)氫瓶容積效率。

2、最大程度提高了儲(chǔ)氫量。

Mirai二代在氫瓶方面充分考慮了車輛縱向氫瓶的安全性，以及較長氫瓶帶來的功能性與耐久性。在縱向氫瓶尾部采用了喉箍固定結(jié)構(gòu)，很大程度上增加了縱向?qū)淦康募s束力，保證了縱向氫瓶的安全性。



3、襯里的優(yōu)化。

氫瓶中的壓力變化，會(huì)帶來其中氣體的溫度發(fā)生變化，進(jìn)而影響到襯里在不同溫度下的應(yīng)力變化。該應(yīng)力變化隨著氫瓶的長度增長而更加明顯，Mirai二代采用了CAE仿真對(duì)優(yōu)化的襯里進(jìn)行了仿真，可以看到優(yōu)化后襯里最大應(yīng)力減小了約30%。



4、氫瓶溫度分布的優(yōu)化。

在加氫過程中會(huì)導(dǎo)致氫瓶內(nèi)溫度分布不均，為了更好的布置瓶閥上的溫度傳感器與充氫角度，Mirai二代進(jìn)行了針對(duì)最大氫瓶的最大氣量在不同充氫角度下的CAE仿真，可以看到充氫角度的不同會(huì)直接影響到氫瓶內(nèi)的溫度分布。



Miriai二代儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本降低

Mirai二代主要依靠采用新的材料和成型方法來縮短零件的加工時(shí)間，進(jìn)而降低整套儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本。儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本的降低主要圍繞氫瓶、高壓瓶閥、減壓閥來開展。

•  氫瓶

Mirai二代采用了比Mirai一代縮短2/3成型時(shí)間的工藝，這種工藝會(huì)提高材料的浸泡溫度（soaking temperature）進(jìn)而促進(jìn)襯里表面的氧化降解，這種情況通過整個(gè)成型過程中在氮?dú)猸h(huán)境里改變壓力來避免。



•  高壓瓶閥

Mirai二代的瓶閥采用了“近終形鍛造”（Near Net Shape Forging）技術(shù)，成材率（material yield）比Mirai一代提高約20%。瓶閥的加工采用了金屬粉末注射成型（metal Injection Molding），進(jìn)而使瓶閥總的加工時(shí)間及成本較Mirai一代降低了3/4。



•  減壓閥

減壓閥中滑動(dòng)部件的加工需要達(dá)到微米級(jí)的精度，Mirai二代通過引入高剛度車床來實(shí)現(xiàn)。另外，減壓閥的活塞密封組件從Mirai一代的三層簡化為了兩層。最終使減壓閥成本方面降低了約1/3.




作者：鯉琨
校對(duì)：楚軒，錦徽

參考文獻(xiàn)：Yahashi, H., Yamashita, A., Shigemitsu, N.,Goto, S. et al., “Development of High-Pressure Hydrogen StorageSystem for NewFCV,” SAE Technical Paper 2021-01-0741, 2021