丰田Mirai燃料电池系统氢喷射器工作状态分析

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、氢循环泵和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=10 kW，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。