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丰田第二代Mirai电堆结构

发布日期: 2021-10-19
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为提高安装便利性及车辆舒适性,丰田第二代Mirai燃料电池堆放置于车辆前部发动机安装位置(发动机舱)。因此,有必要小型化电堆尺寸、重新设计安装结构并提高防冲击性能

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丰田第二代Mirai系统搭载图


丰田新型Mirai燃料电池堆和升压转换器(DC/DC)安装在发动机舱支架上,如下图所示。其中,升压转换器位于电堆上壳体的上方。支架下方安装有离心式电动压缩机、冷却水泵、氢循环泵和空调压缩机。高度集成化的新型Mirai燃料电池系统通过安装支架固定在车架的悬挂上,通过使其安装方法类似传统发动机,实现出色的舒适性和机动性。


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丰田第二代Mirai燃料电池系统布局

01

电芯防护

第二代Mirai电堆由330节发电单元组成,反应气体通过电池内PEN材质密封件粘接密封,冷却剂通过电池间EPDM材质接触密封。为了保证高压电安全和氢安全,减少外部冲击下电堆内部电池间偏移(或错位)进而降低密封失效发生显得尤为必要。Mirai电堆内部电芯由电堆壳体(包括端板)施加的组装力、下壳体反作用力和单电池间摩擦力保持。

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丰田燃料电池堆结构



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丰田第一代Mirai电堆外部约束示意


对于第一代Mirai,当外部冲击超过摩擦约束力时,惯性力使电堆壳体内电芯动态改变位置。通过优化电芯和壳体间距、电芯接触壳体的反作用力大小将电池间偏差降低到规定值以下新型Mirai电堆泽采用了丰田新开发的填充外约束结构,填充物为高度填充固体颗粒的硅橡胶,位于电芯和壳体之间

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丰田第一代和第二代Mirai电堆壳体结构


与普通橡胶相比,第二代Mirai搭配的填充物随外部冲击速度变化弹性模量更大。在组装时以压缩状态填充电芯和壳体间隙,外部冲击输入时可支撑电芯从而抑制电池偏移。与第一代相比,第二代Mirai电堆的抗冲击性能提升了1.6倍,有效抵御外部碰撞。


02

电堆小型化

为了设计填充物抵抗外部冲击,除了获取填充物的力学特性外,还需优化电堆壳体的硬度、壳体和电芯间隙。电堆壳体被法向上呈压缩状态的电芯支撑,以便壳体向膜电极和电池密封件施加接触压力。

第一代Mirai壳体采用低成本的压铸铝,具有单向的拔模角(方便脱模),因此电芯和壳体间隙不均匀,难以控制反作用力特性。第一代Mirai电堆结构中采用下壳体盖板来封闭,因此增加了填充来支撑电芯的惯性力。针对上述问题,第二代Mirai电堆壳体采用上下壳体压铸后搅拌摩擦焊接方法连接,并通过形成封闭截面来确保电池单体和壳体距离的均匀性和小型化。

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第二代壳体制造方法示意


除此之外,相比第一代Mirai采用手动方式堆叠,第二代Mirai自动化堆叠时间降低了80%。第二代Mirai采用外限位堆叠,装配后通过激光位移计自动扫描测量电池位置监控电池间偏移量。

文章来源:燃料电池干货公众号  侵删
作者:燃料电池博士

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