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豐田第二代Mirai電堆結構

 更新時間:2021-10-19    點擊量:2716

為提高安裝便利性及車輛舒適性,豐田第二代Mirai燃料電池堆放置于車輛前部發(fā)動機安裝位置(發(fā)動機艙)。因此,有必要小型化電堆尺寸、重新設計安裝結構并提高防沖擊性能。

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豐田第二代Mirai系統(tǒng)搭載圖


豐田新型Mirai燃料電池堆和升壓轉換器(DC/DC)安裝在發(fā)動機艙支架上,如下圖所示。其中,升壓轉換器位于電堆上殼體的上方。支架下方安裝有離心式電動壓縮機、冷卻水泵、氫循環(huán)泵和空調(diào)壓縮機。高度集成化的新型Mirai燃料電池系統(tǒng)通過安裝支架固定在車架的懸掛上,通過使其安裝方法類似傳統(tǒng)發(fā)動機,實現(xiàn)出色的舒適性和機動性。


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豐田第二代Mirai燃料電池系統(tǒng)布局

01

電芯防護

第二代Mirai電堆由330節(jié)發(fā)電單元組成,反應氣體通過電池內(nèi)PEN材質密封件粘接密封,冷卻劑通過電池間EPDM材質接觸密封。為了保證高壓電安全和氫安全,減少外部沖擊下電堆內(nèi)部電池間偏移(或錯位)進而降低密封失效發(fā)生顯得尤為必要。Mirai電堆內(nèi)部電芯由電堆殼體(包括端板)施加的組裝力、下殼體反作用力和單電池間摩擦力保持。

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豐田燃料電池堆結構



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豐田代Mirai電堆外部約束示意


對于代Mirai,當外部沖擊超過摩擦約束力時,慣性力使電堆殼體內(nèi)電芯動態(tài)改變位置。通過優(yōu)化電芯和殼體間距、電芯接觸殼體的反作用力大小將電池間偏差降低到規(guī)定值以下。新型Mirai電堆澤采用了豐田新開發(fā)的填充外約束結構,填充物為高度填充固體顆粒的硅橡膠,位于電芯和殼體之間。

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豐田代和第二代Mirai電堆殼體結構


與普通橡膠相比,第二代Mirai搭配的填充物隨外部沖擊速度變化彈性模量更大。在組裝時以壓縮狀態(tài)填充電芯和殼體間隙,外部沖擊輸入時可支撐電芯從而抑制電池偏移。與代相比,第二代Mirai電堆的抗沖擊性能提升了1.6倍,有效抵御外部碰撞。


02

電堆小型化

為了設計填充物抵抗外部沖擊,除了獲取填充物的力學特性外,還需優(yōu)化電堆殼體的硬度、殼體和電芯間隙。電堆殼體被法向上呈壓縮狀態(tài)的電芯支撐,以便殼體向膜電極和電池密封件施加接觸壓力。

代Mirai殼體采用低成本的壓鑄鋁,具有單向的拔模角(方便脫模),因此電芯和殼體間隙不均勻,難以控制反作用力特性。代Mirai電堆結構中采用下殼體蓋板來封閉,因此增加了填充來支撐電芯的慣性力。針對上述問題,第二代Mirai電堆殼體采用上下殼體壓鑄后攪拌摩擦焊接方法連接,并通過形成封閉截面來確保電池單體和殼體距離的均勻性和小型化。

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第二代殼體制造方法示意


除此之外,相比代Mirai采用手動方式堆疊,第二代Mirai自動化堆疊時間降低了80%。第二代Mirai采用外限位堆疊,裝配后通過激光位移計自動掃描測量電池位置監(jiān)控電池間偏移量。

文章來源:燃料電池干貨公眾號  侵刪
作者:燃料電池博士

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