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丰田第二代Mirai燃料电池堆防撞设计
2020-12-07 11:19:25· 来源：燃料电池干货
丰田第二代Mirai燃料电池堆及其系统采取前置方案(集成在发动机舱)，降低前方碰撞对电堆及升压转换器的损伤成为丰田工程师开发第二代Mirai过程中的重要事项。与第
丰田第二代Mirai燃料电池堆及其系统采取前置方案(集成在发动机舱)，降低前方碰撞对电堆及升压转换器的损伤成为丰田工程师开发第二代Mirai过程中的重要事项。
与第一代Mirai将燃料电池堆及系统布置在车辆底盘不同，丰田第二代Mirai因采用全新GA-L后驱平台和提升高续航等原因将燃料电池堆及系统集成在发动机舱内 。其中，支撑平台上体积功率密度高达4.4 kW/L的燃料电池堆及升压转换器是发动机舱内体积占比较大的两个重要部件，如下图所示。 追尾是交通事故中的高发案件 ，追尾导致的外部冲击给发动机舱内燃料电池零部件损坏带来潜在的损坏风险，尤其是成本较高的燃料电池堆。 因此，如何从结构上设计电堆的防撞保护是丰田工程师的重要课题 。
现代NEXO前部碰撞
丰田第二代Mirai电堆和升压转换器实物
首先，第二代Mirai燃料电池堆的防撞设计从防撞梁开始。通常，为减少撞击力对车身纵梁损害并起到保护车辆作用，车辆前端设置有防撞梁和吸能盒(注意与电堆支撑平台的碰撞吸能盒区分开)，并用螺栓连接在车体纵梁上。吸能盒可在车辆发生碰撞时变形有效吸收碰撞能量，减少对纵梁伤害。当吸能盒完全变形后，随着外部碰撞和冲击力的持续，电堆面临直接冲击。
丰田第二代Mirai防撞梁和吸能盒
在保护车辆纵梁的吸能盒完全变形后，第二代Mirai燃料电池堆的防撞设计从电堆支撑平台上的碰撞吸能盒开始，如下图所示。首先我们来看下第二代Mirai发动机的空间结构：第二代Mirai电堆安装于支撑平台上，呈倾斜状态(公共歧管排水)；碰撞吸能盒与电堆支撑平台前侧连接，向前方突出；散热器的风扇电机与碰撞吸能盒正对分离；电堆支撑平台通过2根前支座和2根后支座固定在车架上；离子交换器位于散热风扇与电堆间，安装在电堆壳体上，具备高刚度的盖部和低刚度的筒状部。
丰田第二代Mirai发动机舱主要部件示意
第二代Mirai电堆支撑平台的碰撞吸能盒示意
第二代Mirai电堆支撑平台的碰撞吸能盒实物
在保护车辆纵梁的吸能盒完全变形后且冲击载荷较小时，散热器因外部障碍物继续挤压向离子交换器移动，直到风扇电机与支撑平台碰撞吸能盒接触。散热器从初始位置移动到第二位置，如下图所示。
丰田第二代Mirai散热器第二位置示意
当冲击载荷变大，散热器和风扇电机进一步移动至第三位置，如下图所示。此时，风扇电机挤压支撑平台碰撞吸能盒使之变形，通过碰撞吸能盒的变形来缓冲来自车辆前方侧散热器的冲击载荷。
丰田第二代Mirai散热器第三位置示意
当冲击载荷进一步变大并且碰撞吸能盒的变形无法吸收冲击载荷，散热器的移动使得离子交换器的筒状部开始变形，利用筒状部缓冲吸收散热器的冲击载荷，如下图所示。注意，散热器在向后移动时，离子交换器的筒状部先于支撑平台的前支架与散热器接触。
丰田第二代Mirai散热器第四位置示意
当冲击载荷继续变大，散热器进一步后移至第五位置，离子交换器的筒状部变形已至轴线，如下图所示。因离子交换器的盖部刚度较大，此时筒状部基本不再进一步变形。冲击载荷经由离子交换器的安装部向后方按压燃料电池堆。来自燃料电池堆的冲击载荷传递至支撑平台和前后支座后，支撑平台于车架脱离，燃料电池堆和升压转换器处于自由状态，从而避免散热器的冲击载荷直接作用于燃料电池堆。
丰田第二代Mirai散热器第五位置示意
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