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大家好,今天小編和大家一起來學習一下豐田Mirai二代車載儲氫系統有哪些技術研發亮點,以及其如何做到儲氫系統成本的降低。
概述
豐田Mirai二代的車載儲氫系統相較于Mirai一代來說,具有更好的性能和更低的造價。Mirai二代更好的利用了整車的空間,具有三個儲氫瓶,儲氫量增加5.6Kg。
從氫瓶的整體布置來看,有兩個氫瓶呈“T”形布置在車廂底部,另外一個氫瓶布置在車廂尾部,且三個氫瓶的體積根據車輛的空間需求而不同,其中縱向氫瓶比兩個橫向氫瓶長度要長。三個氫瓶都通過圓形支架固定在車底板。
從下面整個車載儲氫系統的原理圖上看,整套儲氫系統主要分兩級,一級是從氫瓶到減壓閥,另一級是從減壓閥到氫噴射器。高壓氫氣通過四通管路,從加氫口流向三個氫瓶;再通過一個四通管路將三個氫瓶中的氫氣通向減壓閥。整套車載儲氫系統中具有三個壓力傳感器,分別位于兩個四通管路以及減壓閥后,并在每個氫瓶中各設有一個溫度傳感器。每個氫瓶上都配有高壓瓶閥。
Miriai二代儲氫系統的研發亮點
Mirai二代儲氫系統的研發亮點主要體現在氫瓶的研發方面。
如下圖,高壓氫瓶由塑料襯里、碳纖維加強塑料層(CFRP, carbon fiber reinforced plastic),防護層組成。塑料襯里主要用于氫氣的密封,同時使用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。
氫瓶的研發亮點主要體現在容積效率(Volume Efficiency)的提高、最大程度提高了儲氫量、襯里的優化、氫瓶溫度分布的優化。
1、提高了容積效率。
Mirai二代較Miari一代在氫瓶碳纖維強度上提高了約4%,從而實現了目前世界上最高儲氫瓶容積效率。
2、最大程度提高了儲氫量。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構,很大程度上增加了縱向對氫瓶的約束力,保證了縱向氫瓶的安全性。
3、襯里的優化。
氫瓶中的壓力變化,會帶來其中氣體的溫度發生變化,進而影響到襯里在不同溫度下的應力變化。該應力變化隨著氫瓶的長度增長而更加明顯,Mirai二代采用了CAE仿真對優化的襯里進行了仿真,可以看到優化后襯里最大應力減小了約30%。
4、氫瓶溫度分布的優化。
在加氫過程中會導致氫瓶內溫度分布不均,為了更好的布置瓶閥上的溫度傳感器與充氫角度,Mirai二代進行了針對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直接影響到氫瓶內的溫度分布。
Miriai二代儲氫系統的成本降低
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間,進而降低整套儲氫系統的成本。儲氫系統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成型時間的工藝,這種工藝會提高材料的浸泡溫度(soaking temperature)進而促進襯里表面的氧化降解,這種情況通過整個成型過程中在氮氣環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,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),進而使瓶閥總的加工時間及成本較Mirai一代降低了3/4。
- 減壓閥
減壓閥中滑動部件的加工需要達到微米級的精度,Mirai二代通過引入高剛度車床來實現。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:楚軒,錦徽
參考文獻: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
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原文始發于:研學丨豐田Mirai二代儲氫系統開發揭秘