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丰田Mirai二代储氢系统开发揭秘
2021-04-07 10:28:42· 来源：燃料电池百科 作者：鲤琨
今天和大家一起来学习一下丰田Mirai二代车载储氢系统有哪些技术研发亮点，以及其如何做到储氢系统成本的降低。概述丰田Mirai二代的车载储氢系统相较于Mirai一代
今天和大家一起来学习一下丰田Mirai二代车载储氢系统有哪些技术研发亮点，以及其如何做到储氢系统成本的降低。
概述
丰田Mirai二代的车载储氢系统相较于Mirai一代来说，具有更好的性能和更低的造价。Mirai二代更好的利用了整车的空间，具有三个储氢瓶，储氢量增加5.6Kg。
从氢瓶的整体布置来看，有两个氢瓶呈“T”形布置在车厢底部，另外一个氢瓶布置在车厢尾部，且三个氢瓶的体积根据车辆的空间需求而不同，其中纵向氢瓶比两个横向氢瓶长度要长。三个氢瓶都通过圆形支架固定在车底板。
从下面整个车载储氢系统的原理图上看，整套储氢系统主要分两级，一级是从氢瓶到减压阀，另一级是从减压阀到氢喷射器。高压氢气通过四通管路，从加氢口流向三个氢瓶；再通过一个四通管路将三个氢瓶中的氢气通向减压阀。整套车载储氢系统中具有三个压力传感器，分别位于两个四通管路以及减压阀后，并在每个氢瓶中各设有一个温度传感器。每个氢瓶上都配有高压瓶阀。
Miriai二代储氢系统的研发亮点
Mirai二代储氢系统的研发亮点主要体现在氢瓶的研发方面。
如下图，高压氢瓶由塑料衬里、碳纤维加强塑料层（CFRP, carbon fiber reinforced plastic），防护层组成。塑料衬里主要用于氢气的密封，同时使用CFRP层承受高压。氢瓶的两端都有Boss，其中一端的用于配合固定高压阀。
氢瓶的研发亮点主要体现在容积效率（Volume Efficiency）的提高、最大程度提高了储氢量、衬里的优化、氢瓶温度分布的优化。
1、提高了容积效率。
Mirai二代较Miari一代在氢瓶碳纤维强度上提高了约4%，从而实现了目前世界上最高储氢瓶容积效率。
2、最大程度提高了储氢量。
Mirai二代在氢瓶方面充分考虑了车辆纵向氢瓶的安全性，以及较长氢瓶带来的功能性与耐久性。在纵向氢瓶尾部采用了喉箍固定结构，很大程度上增加了纵向对氢瓶的约束力，保证了纵向氢瓶的安全性。
3、衬里的优化。
氢瓶中的压力变化，会带来其中气体的温度发生变化，进而影响到衬里在不同温度下的应力变化。该应力变化随着氢瓶的长度增长而更加明显，Mirai二代采用了CAE仿真对优化的衬里进行了仿真，可以看到优化后衬里最大应力减小了约30%。
4、氢瓶温度分布的优化。
在加氢过程中会导致氢瓶内温度分布不均，为了更好的布置瓶阀上的温度传感器与充氢角度，Mirai二代进行了针对最大氢瓶的最大气量在不同充氢角度下的CAE仿真，可以看到充氢角度的不同会直接影响到氢瓶内的温度分布。
Miriai二代储氢系统的成本降低
Mirai二代主要依靠采用新的材料和成型方法来缩短零件的加工时间，进而降低整套储氢系统的成本。储氢系统成本的降低主要围绕氢瓶、高压瓶阀、减压阀来开展。
• 氢瓶
Mirai二代采用了比Mirai一代缩短2/3成型时间的工艺，这种工艺会提高材料的浸泡温度（soaking temperature）进而促进衬里表面的氧化降解，这种情况通过整个成型过程中在氮气环境里改变压力来避免。
• 高压瓶阀
Mirai二代的瓶阀采用了“近终形锻造”（Near Net Shape Forging）技术，成材率（material yield）比Mirai一代提高约20%。瓶阀的加工采用了金属粉末注射成型（metal Injection Molding），进而使瓶阀总的加工时间及成本较Mirai一代降低了3/4。
• 减压阀
减压阀中滑动部件的加工需要达到微米级的精度，Mirai二代通过引入高刚度车床来实现。另外，减压阀的活塞密封组件从Mirai一代的三层简化为了两层。最终使减压阀成本方面降低了约1/3.
作者：鲤琨
校对：楚轩，锦徽
参考文献：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
概述
丰田Mirai二代的车载储氢系统相较于Mirai一代来说，具有更好的性能和更低的造价。Mirai二代更好的利用了整车的空间，具有三个储氢瓶，储氢量增加5.6Kg。
从氢瓶的整体布置来看，有两个氢瓶呈“T”形布置在车厢底部，另外一个氢瓶布置在车厢尾部，且三个氢瓶的体积根据车辆的空间需求而不同，其中纵向氢瓶比两个横向氢瓶长度要长。三个氢瓶都通过圆形支架固定在车底板。
从下面整个车载储氢系统的原理图上看，整套储氢系统主要分两级，一级是从氢瓶到减压阀，另一级是从减压阀到氢喷射器。高压氢气通过四通管路，从加氢口流向三个氢瓶；再通过一个四通管路将三个氢瓶中的氢气通向减压阀。整套车载储氢系统中具有三个压力传感器，分别位于两个四通管路以及减压阀后，并在每个氢瓶中各设有一个温度传感器。每个氢瓶上都配有高压瓶阀。
Miriai二代储氢系统的研发亮点
Mirai二代储氢系统的研发亮点主要体现在氢瓶的研发方面。
如下图，高压氢瓶由塑料衬里、碳纤维加强塑料层（CFRP, carbon fiber reinforced plastic），防护层组成。塑料衬里主要用于氢气的密封，同时使用CFRP层承受高压。氢瓶的两端都有Boss，其中一端的用于配合固定高压阀。
氢瓶的研发亮点主要体现在容积效率（Volume Efficiency）的提高、最大程度提高了储氢量、衬里的优化、氢瓶温度分布的优化。
1、提高了容积效率。
Mirai二代较Miari一代在氢瓶碳纤维强度上提高了约4%，从而实现了目前世界上最高储氢瓶容积效率。
2、最大程度提高了储氢量。
Mirai二代在氢瓶方面充分考虑了车辆纵向氢瓶的安全性，以及较长氢瓶带来的功能性与耐久性。在纵向氢瓶尾部采用了喉箍固定结构，很大程度上增加了纵向对氢瓶的约束力，保证了纵向氢瓶的安全性。
3、衬里的优化。
氢瓶中的压力变化，会带来其中气体的温度发生变化，进而影响到衬里在不同温度下的应力变化。该应力变化随着氢瓶的长度增长而更加明显，Mirai二代采用了CAE仿真对优化的衬里进行了仿真，可以看到优化后衬里最大应力减小了约30%。
4、氢瓶温度分布的优化。
在加氢过程中会导致氢瓶内温度分布不均，为了更好的布置瓶阀上的温度传感器与充氢角度，Mirai二代进行了针对最大氢瓶的最大气量在不同充氢角度下的CAE仿真，可以看到充氢角度的不同会直接影响到氢瓶内的温度分布。
Miriai二代储氢系统的成本降低
Mirai二代主要依靠采用新的材料和成型方法来缩短零件的加工时间，进而降低整套储氢系统的成本。储氢系统成本的降低主要围绕氢瓶、高压瓶阀、减压阀来开展。
• 氢瓶
Mirai二代采用了比Mirai一代缩短2/3成型时间的工艺，这种工艺会提高材料的浸泡温度（soaking temperature）进而促进衬里表面的氧化降解，这种情况通过整个成型过程中在氮气环境里改变压力来避免。
• 高压瓶阀
Mirai二代的瓶阀采用了“近终形锻造”（Near Net Shape Forging）技术，成材率（material yield）比Mirai一代提高约20%。瓶阀的加工采用了金属粉末注射成型（metal Injection Molding），进而使瓶阀总的加工时间及成本较Mirai一代降低了3/4。
• 减压阀
减压阀中滑动部件的加工需要达到微米级的精度，Mirai二代通过引入高刚度车床来实现。另外，减压阀的活塞密封组件从Mirai一代的三层简化为了两层。最终使减压阀成本方面降低了约1/3.
作者：鲤琨
校对：楚轩，锦徽
参考文献：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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