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丰田第二代Mirai电堆结构

2021-10-18 08:58:20·  来源：燃料电池干货  
　
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
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。



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。



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。

丰田燃料电池堆结构


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电堆泽采用了丰田最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。










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。

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。
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