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本田Clarity燃料电池汽车的 创新技术与架构

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放大字体  缩小字体    发布日期:2017-06-13  
核心提示:SAE International - 国际自动机工程师学会一个封装的奇迹:本田表示,Clarity Fuel Cell是世界首款将燃料电池系统(包括燃料电池堆栈)完全封装进发动机盖下的轿车。在我们准备给全新2017款本田ClarityFuel Cell燃料电池汽车以10,153psi (700巴)的压强加氢时,让我们感到一丝小兴奋、小激动,最起码有点小冒险的感觉。但事

SAE International -  国际自动机工程师学会

一个封装的奇迹:本田表示,Clarity Fuel Cell是世界首款将燃料电池系统(包括燃料电池堆栈)完全封装进发动机盖下的轿车。

 

在我们准备给全新2017款本田ClarityFuel Cell燃料电池汽车以10,153psi (700巴)的压强加氢时,让我们感到一丝小兴奋、小激动,最起码有点小冒险的感觉。

 

但事实上,我们所处的加氢站上方笼罩着一个有型的半透明遮阳天棚,整体造型非常符合本田的期望:那就是与加油站难以分辨。现阶段来说,南加州共有26个投入使用的公共加氢站。

 

Clarity燃料电池汽车的加氢时长甚至都与汽车加油很接近,加满141L(37.3 gal)的双储氢罐大约需要5到6分钟时间。这也就是说,只需五分钟,你就可以驾驶着这辆宽敞、舒适的新能源轿车飞驰366英里(589公里)左右。我们高速行驶在加州的高速公路,又伴着微风穿过弯弯曲曲的乡村道路,周围的一切是如此安静,如果我们闭上眼睛,肯定会以为乘坐的是本田已量产多年的雅阁(Accord)全电动汽车。根据美国环保署(EPA)估计,Clarity Fuel Cell的综合燃料经济性为68 mpg(3.5 L/100 km)。

 

那么,燃料电池汽车还能有什么让人们不喜欢的地方呢?

 

为了精简动力系统的尺寸,2017款Clarity Fuel Cell燃料电池汽车采用了多项创新技术,主要集中在燃料电池堆栈和交流同步推进电机方面

 

技术难题已经解决

 

2017款Clarity Fuel Cell的首席工程师与开发主管Kiyoshi Shimizu自1997年即开始领导本田燃料电池动力开发部门的工作。他坚信,全新Clarity完全可以胜任“日常用车”的角色,根本不需要任何理由。从1998年仅能乘坐“1个半人”的小货车(他羞涩地称为“轮子上的化学工厂”)到今天成功将整个动力系统(包括燃料电池堆栈、驱动单元及所有相关动力、控制元件)完美封装进发动机舱的Clarity Fuel Cell,本田对燃料电池技术的研发追求已经持续了几十年。值得一提的是,与本田3.5L V6发动机相比,Clarity完整推进系统所需的安装空间甚至还会更小。

 

本田称,Clarity的整洁封装技术为世界首创。目前,世界上唯一一款量产的燃料电池轿车为丰田(Toyota)Mirai,而Mirai是将燃料电池堆栈安装在乘客舱的地板下方,这点与Clarity Fuel Cell的前款,即1998年推出的FCX Clarity相同。此外,另外一款已经公开发售的燃料电池汽车是现代汽车(Hyundai)的Tucson 燃料电池汽车。不过,现代最近发布了一款采用第四代燃料电池技术的概念跨界车,并许诺将作为一款2018年车型公开上市,为用户提供800km (497 mi)的续航里程。

 

正如Clarity Fuel Cell几乎不可思议的封装所展示的一样,本田新一代燃料电池汽车几乎在各个方面都较前款有显著的提升。

 

从封装方面来看,通过多个方面的努力配合与进步,Clarity所采用的新动力系统的电机高度缩小34%,更重要的是电池单体的数量减少了30%。此外,新电池单体自身的厚度也降低了20%。在这样的支持之下,新的电池系统得以水平安装,而非一定要垂直安装了。

 

尽管电池数量有所减少,但每个电池单体的输出均增加了1.5倍总功率达103kW,按照每个堆栈33L的容量,也就是所每个堆栈的功率密度为3.1kW。很显然,电池的输出电压更高,牵引电机可以使用的功率就越大。

 

动力传动系统:更高功率、更低噪声

 

尽管工程师希望可以提高系统的功率和效率,但他们也同样希望降低噪音,无论是燃料电池的“进气口”部分,还是驱动单元本身。

 

首先,氧气的供应至关重要的,充足的氧气才能保证燃料电池堆栈的正常运行;Clarity还采用了一款新型电驱动两级空气压缩器为燃料电池堆栈提供输送氧气,无论技术还是NVH性能方面均有较大提升。所搭载的ICE型涡轮增压器的噪声更低,同时一款更简单的消音器能够消除更高频率的噪声(相较于之前的罗茨压缩器),而且还可以输送1.7倍空气。此外,压缩机的体积也缩小了40%左右。

 

尽管如此,我们必须说明的是,这款安静、强大的电动涡轮增压器需要消耗大量能量。首席工程师Shimizu告诉《汽车工程》,这款增压器的功率需求通常在1-2kW之间但由于新型燃料电池堆栈的能量密度更高,可以为电机提供所需的功率,这是本田与一家供应商的联合开发成果。不过,Shimizu微笑着拒绝向我们透露这家供应商的具体信息。

 

此外,Clarity 燃料电汽车的动力系统还同时采用了一款“燃料电池电压控制单元”,这是一部大约4英寸厚的增压器(也是打开引擎盖时第一个看到的组件),可以通过一种碳化硅功率半导体材料将燃料电池的功率输出提高至500V,从而极大地提高开关频率,且可以采用一个体积更小的散热器,而非传统的纯硅材料半导体散热器。

 

之前,FCX Clarity燃料电池堆栈最高可向交流同步电机输出为330V电压,而升级后的输出高达500V,这意味着电机的功率输出将提升30%达到174hp,而扭矩也从之前的189lb·ft (256 N·m)提高至 221 lb·ft (300 N·m)。此外,电机的最高转速也从之前的12,500转提高至13,000转,最高时速则从4mph上升至103mph(166km/h)。

 

这款电机本身也经过了一系列精细调整,以减少噪音。目前,电机转子已经被分为四部分,而非之前的两部分。本田表示,这种设计可以降低转矩波动,而经过优化的定子则可以减少震动,电机外壳也增加了结构性支撑条的数量。根据本田的计算,车辆加速度为0.2g时,电机传送至车厢的噪声可降低25%

 

安静电机与电动涡轮增压器设计的完美配合仍需面临一个困扰大多数燃料电池汽车的NVH问题:压缩机噪音和电机“呜咽”。《国际汽车工程》记者在启动Clarity时(车内信息娱乐系统已经关闭的情况下)还是可以听到一阵小声的尖声“呜咽”传入车舱。另外,在高速公路上将油门踩到底全速飞驰时的情况也一样。

 

2017款Clarity基于本田全新专用电动汽车平台设计,采用了车舱空间最大化的“直线型车架”配置,可以便利车辆的封装,据称还可以提供更好的碰撞性能。此外,本田的全新平台还经过专门设计,配合Clarity的双储氢罐设计。

 

新的基础、大量优化创新

 

2017款Clarity燃料电池汽车的尖端动力传动系统离不开本田的一个全新平台。这个平台似乎没有特别的名字,但采用了“直线型车架”结构,可以最大化车舱空间、减少重量并为这款燃料电池汽车提供更加优化的行驶动力表现(纯电动/混合电动Calrity系列产品,尚待定)。与现行版混动雅阁相比,这款全新平台的重心降低了4 in (10 cm) ,经过专门设计,可以支撑铝制内衬碳纤维/玻璃纤维储氢罐(世界第一)的重量。

 

此外,车辆的四轮独立悬架系统采用了几种巧妙的轻量化技术:系统的前支柱采用了锻造铝材料的下悬挂臂,重量较常用的压制钢材料轻30%,而且可以减少10%的转向节。车辆后方的多连杆均采用了全铝材料(与钢材相比重量降低40%),横拉杆则采用了本田口中的世界首创高强度锻造铝材料,成功为该部件减重20%。

 

Clarity Fuel Cell还有另一项世界首创:一款空心的压铸铝材前副车架。这种设计可以减少需要焊接的部位数量,并降低20%的重量;此外,这种借鉴于摩托车的车架设计还能同时为车辆提供一个异常强劲的刚性结构。

 

为了减轻悬挂、架构和车身的重量,2017款Clarity Fuel Cell采用了大量混合材料。根据介绍,上图中的红色和橘黄色部分分别代表高成型、高张力钢,这也是这些材料在汽车领域的首次应用;绿色部分代表混合塑料材料;车辆的后保杆采用玻璃纤维增强塑料(GFRP),据称这也是CFRP材料在高冲击区的首次应用

 

还想要更多世界第一吗?来看看ClarityFuel Cell的车身吧!本田为新款Clarity搭配了一款世界首创玻璃纤维增强塑料(GFRP)后保险杠,并将前部的钢制隔板也替换为一款“混合”塑料组件。本田表示,该汽车平台40%的组件均采用了超高张力钢材,且Clarity也是980 MPa级高成型钢首次登陆汽车应用。由于采用了铝质车身板等其他先进轻质材料,据称Clarity Fuel Cell的结构要比传统的中型轿车更强,但却更轻15%。

 

在尺寸和重量方面,Clarity Fuel Cell的轴距108.3-in (2750-mm),(雅阁为109.3-in),总长度为192.7 in (4895 mm) ,几乎与雅阁相同,而且从尺寸上也与丰田的Mirai很相似,但Carity为5座车,而Mirai为4座车。这款本田燃料电池轿车内部空间为102立方英尺(2.88立方米),而最宽敞的雅阁则最大可以为车上人员提供103.2立方英尺(2.92立方米)的空间。这款Clarity Fuel Cell重约4,134 lb (1,875 kg),比自动档雅阁要重700 lb (318 kg) 。

 

从体积和功能来看,2017款Clarity Fuel Cell一点也不输给任何一款传统的中尺寸轿车(好吧,也许后备箱空间的确小了一些)。但倡导环保的加州又给有意愿购买Clarity的车主更多福利。本田Clarity Fuel Cell的“租售”条件为$2,500元首付、$369月租(合同期限36个月),但考虑到加州提供的$5000立即返款和本田提供的价值$15000的加料卡,相当于用户每月出不了多少钱。许多加州经销商都有客户订购了这款车型。本田相关人士透露,Clarity Fuel Cell目前在日本枥木生产,但最终的量产可能在今年早些时候交给其他工厂进行(可能会是一家美国工厂?)。

 

与同尺寸的本田雅阁(Honda's Accord)中型轿车和竞争对手丰田Mirai相比,Clarity Fuel Cell的内部空间更加宽敞、加速性能相当干脆,完全让人感觉不到这款车整备重量达到了4134 lb

 

啊,燃料和基础设施怎么样了?

 

事实上,大家都氢燃料电池汽车环保型的观点可能非常矛盾。批评人士表示,氢燃料的生产及后续的压缩过程均非常消耗能量,而这会扩大氢燃料的碳足迹,但也有主流研究认为,氢燃料(天然气制成)电池汽车的“油井到车轮”排放仅为汽油车型的一半Clarity的首席工程师Shimizu告诉我们氢燃料(天然气制成)的“油井到车轮”能源效率优于混合电动汽车,并强调了燃料电池汽车不会产生任何尾气排放的事实

 

有关二氧化碳排放的争论可能还将继续,但几乎没人可以否认燃料电池汽车加料网络缺乏的现实。目前,加氢站仅仅在加州的进行了部署,并“遵从了”加州的游戏规则。本田的替代燃料实现方面的老员工Stephen Ellis表示,快速的加氢时间、Clarity的长续航里程、以及不断完善“氢高速公路”网络都将让氢燃料汽车成为一种切合可行的汽车选择。Ellis表示,我们可能很快就会等到有关在美国东北部建设加氢网络的消息,这些州都已经采用了加州的排放标准。

 

在经过一整天对2017款Clarity Fuel Cell的了解与体验后,我想很少有人会质疑这款燃料电池汽车为主流所接受的潜力。本田和其他燃料电池汽车的支持者并没有说错燃料电池汽车相较于纯电动汽车的优势。如果氢燃料的供给变得更加普及,Clarity Fuel Cell应该大可以和其他电池电动汽车好好比拼一下。

 

作者:Bill Visnic

来源:SAE《国际汽车工程(AEI)》杂志

 
 
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