本田FCX Clarity燃料电池汽车的动力总成技术

◆文/吉林 刘志超

(作者刘志超工作单位：榆树市职业技术教育中心)

一、动力总成系统

如图1所示，本田FCX Clarity的动力总成由电驱动系统、燃料电池系统、锂离子电池系统和高压氢气供应系统组成。发电所必须的组件分散在整个车辆中。从燃料电池组开始，发电所需的每个组件都减小了尺寸,使动力总成的尺寸和重量同时减小，实现了重量输出密度和体积输出密度是FCX动力总成的两倍(图2)，从而实现了以前在传统往复式发动机车辆中无法实现的宽敞空间。

图1 FCX Clarity动力系统布局

图2 动力系统的发展

燃料电池组产生的高功率和锂离子电池所提供的电力辅助，使新的动力总成能够通过大功率电机输出强大的驱动力。电机扭矩是连续的，无换挡，实现从起步到高速整个行驶范围内，车辆平稳、动力强劲，且可连续扩展加速度，从而帮助驾驶者实现独特的驾驶感觉。

二、电动系统

为了实现强大的加速度、最高车速以及更大的车辆紧凑性，FCX Clarity研发了新的电驱动系统，包括驱动电机、减速箱和动力驱动单元(PDU)，表1列出了FCX Clarity与FCX驱动电机性能的对比。FCX Clarity驱动电机转子中的磁铁采用了独特的形状和定位。在定子中使用低损耗磁芯，可降低高速时的损耗，对槽的形状进行了优化，可增加其层压系数，从而降低导线的电阻。这些创新实现了高功率、高扭矩、高速度和高效率。电动机的最大功率已从80kW增加到100kW，此输出水平可以使车辆保持高速，且可提供舒适的加速度(图3)。另外，FCX Clarity的驱动电机和减速箱采用同轴结构，并且电机已与PDU集成在一起，从而使电机的长度减小了162mm，高度减小了240mm。这些变化使FCX Clarity实现了大胆而时尚的短鼻子和倾斜鼻子设计以及宽敞的空间。

表1 驱动电机性能比较

图3 输出和扭矩特性曲线

三、燃料电池系统

FCX Clarity重新研发了燃料电池系统的结构，以实现仅在燃料电池车辆中可用的座舱类型。先前的FC电池组采用了氢和氧横向流入电池的结构。在新的配置中使用的V flow FC电池组，氢气和氧气垂直流动(图4),这使系统能够利用重力顺利地排出在发电表面上产生的水。排水能力的提高使流动通道的高度降低了17%，有助于减轻重量和提高紧凑性。V Flow FC电池组采用波流通道分离器，以确保氢、氧和冷却剂能均匀供应到发电表面的内部。冷却剂水平地流过氢气和空气，通过氢气和空气的垂直流通通道(图5)。该方法实现了发电表面的均匀冷却，使每个电池所需的冷却层数量减少了一半。系统内部结构的演变，使得以前的两个箱体结构可以由一个箱体代替。因此，电池组的大小和重量都比以前减小了，使其达到最大100kW的功率。新的燃料电池组的体积输出密度比以前的燃料电池组高50%，重量输出密度比以前的燃料电池组高67%，此外新的燃料电池组更轻、更紧凑(图6)。

图4 氢气流量比较

图5 波流通道分离器的细节

图6 燃料电池组的演变

上述各部件尺寸和重量的减小，使热容减小了约40%。这使得车辆的预热性能得到增强，车辆低温启动能力得到提高。在–20℃时启动，FCX Clarity达到 50%输出功率所需的时间是FCX所需时间的四分之一，并且FCX Clarity还可以在–30℃下启动(图7)。

FCX的两组箱体的电池组已在FCX Clarity中集中为一组箱体，从而使连接电池组的组件被简化或剔除。此外，使用一体式配置可以使氢气供应系统、加湿系统和接触器纵向集成在一起，进而使燃料电池系统箱的体积比以前的型号减少65%。这使燃料电池系统可以被放置在中央通道，从而有助于实现宽敞的座舱、低地板和较低的座舱高度(图8)。

图7 冷启动性能

图8 动力总成的比较

四、锂离子电池系统

FCX Clarity中锂离子电池系统已被用作辅助电源，以增强辅助性能，提高系统的能量回收率，并有助于实现重量减轻和体积压缩。通过采用液压蓄能式协作制动系统，进行控制再生制动和液压制动的分配，使制动过程中再生能量的回收率比FCX提高了11%，使总制动能量的回收率(LA-4模式)达到57%。与以前的FCX中采用的超级电容器相比，FCX Clarity中锂离子电池系统能够在最大功率下为燃料电池组的输出提供辅助(图9)。FCX Clarity使用侧流系统冷却电池，电池组和ECU都采用单箱体结构，与FCX中使用的超级电容器相比，该结构的重量减轻了40%，体积减小了50%。因此，可以将锂离子电池系统安装在后排座椅下方。这有助于实现宽敞舒适的后排空间，较低的地板和较低的整体座舱高度以及宽大的行李箱空间(图10)。

图9 辅助动力特性图

10 辅助电池比较

五、高压氢气供应系统

为了增加后排乘坐的舒适度，并实现宽敞的行李箱空间，FCX Clarity使用一个高压氢气罐代替了之前的两个罐。此外，包括截止阀、调节器、压力传感器和其他组件，经过重新设计和压缩可作为内置模块使用，这使得高压供氢系统中使用的零件数量减少了74%。因此，罐的容积增加了，空间效率提高了24%(图11)。结合第三个标题中讨论的锂离子电池系统，可以实现457L的行李箱空间，是FCX行李箱空间的3.4倍。

图11 氢气供应系统