氢云链,还给人类一个清洁的“粮食-水-能源”
 找回密码
 立即注册

手机号码,快捷登录

氢云报告:丰田Mirai燃料电池系统氢喷射器工作状态

氢云链| 2020-4-10 08:39 阅读 5967 评论 0

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?

丰田汽车公司第一代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叶罗茨氢循环泵最大功率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=10kW,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最大行驶速度相近,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电堆最大电流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最大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,但最大值可超过120 A。

作者:燃料电池博士,来源:燃料电池干货

文章数 5079 获赞数 6
关注氢能行业、新能源汽车、燃料电池汽车、数字经济等新兴行业

7*24h 快讯

  • 瑞松科技:2020年实现营收7.99亿元 同比增

    瑞松科技发布年报,公司2020年营收7.99亿元,同比增长9.33%;归母净利润4993.99万元,
    2021-04-26
  • 人社部发布一季度100个最缺工职业,“快递

    与2020年第四季度相比,本期“排行”有以下特点:一是招聘需求和求职人数环比均明显上
    2021-04-26
  • 中国半导体协会受邀赴中国汽车工业协会座谈

    4月25日,中国半导体协会(简称“中半协”)副秘书长任振川一行受中国汽车工业协会(简称
    2021-04-26
  • 日本丰田2022年应届生技术岗位招聘半数为IT

    日本丰田汽车公司26日透露,有关日本本土2022年春季本科和研究生院应届毕业生的技术岗
    2021-04-26
  • 中国华电与华为签署战略合作协议 将在能源

    4月26日消息,近期,中国华电集团有限公司(下称中国华电)与华为技术有限公司(下称华为
    2021-04-26
  • 诺安基金:核心资产阶段性反弹 结构性机会

    诺安基金发表市场观点指出,近期以来由业绩驱动的核心资产出现阶段性反弹。后续可持续
    2021-04-26
  • 2021上海合作组织国际投资贸易博览会在青岛

    4月26日,2021上海合作组织国际投资贸易博览会暨上海合作组织地方经贸合作青岛论坛在
    2021-04-26
  • 虎都:附属公司与阿里巴巴子公司订立合作意

    虎都在港交所公告称,洪高科技与阿里巴巴(中国)网络技术有限公司的全资子公司浙江一
    2021-04-26
  • 中原证券:建议短期超配电力设备及新能源、

    中原证券指出,目前国内经济复苏态势较好,政策窗口正在临近,海外疫情急剧扩散,市场
    2021-04-26
  • 外交部副部长谢锋会见美国工商界人士:望积

    4月22日,外交部副部长谢锋会见上海美国商会主席雷蒙、会长季恺文一行,就中美关系以
    2021-04-26
浏览更多