深度解析第二代丰田 Mirai：燃料电池车的能效、氢耗与排放核心数据_化学_燃料电池_汽车_电子_电机_材料_传动

深度解析第二代丰田 Mirai：燃料电池车的能效、氢耗与排放核心数据

燃料电池电动汽车（FCEVs）作为传统内燃机汽车（ICEVs）的理想替代方案，相比电池电动汽车（BEVs）续航更长，且温室气体排放更低、车载能源利用率更高。本文以丰田 Mirai II（第二代 Mirai）为研究对象，通过台架试验，对其能耗、功率平衡、尾气排放等关键性能指标展开评估，分析了不同行驶工况和能量需求下的车辆响应，涵盖动力总成的电气参数、冷却回路及尾气等多方面变量，深入剖析了能量转换过程与燃料电池系统性能。研究发现，低功率需求时燃料电池堆低位发热值（LHV）效率峰值约 70%，接近最大输出功率（130 kWe）时降至 54%；系统层面效率则分别为 62% 和 46%。WLTC 行驶循环中氢耗为 0.8 kgH₂/100 km，稳态功率需求下氢吹扫量占总燃料使用量的 0.8%-2.4%，为可持续交通解决方案提供了数据支撑。

引言

结合低碳制氢技术的聚合物电解质膜燃料电池电动汽车（FCEVs），在客运、货运、重型道路运输及非道路、海运、铁路运输领域，均是降低全球温室气体（GHG）排放的重要选择。尽管 FCEVs 从制氢到机械动能输出的整体效率仅为电池电动汽车的 1/2-1/3，但车辆效率与氢耗仍是评估其环境影响的核心指标。氢排放间接影响全球变暖，不同时间跨度下其全球变暖潜能值（GWP）差异较大，且尾气中因阳极吹扫会释放氢，现有研究对该排放数据的报道有限。此外，氢在生产、加工、运输、分配全价值链中均存在排放，需精准量化各阶段排放。目前燃料电池汽车台架测试研究多聚焦氢耗与效率，本文通过丰田 Mirai II 的台架试验，补充了该车型的性能数据，同时分析了热损失、氢排放及空气回路等关键参数，填补了现有研究空白。与第一代车型相比，Mirai II 在燃料电池堆紧凑性、性能、行驶表现、续航里程及空气动力学方面均有提升，但台架试验无法完全模拟真实驾驶环境，且未考虑不同加氢站的氢质差异。

车辆介绍与测试方案

2.1 动力总成布局与电气测量设备

丰田 Mirai II 以 128 kW 燃料电池堆为主要动力源，搭配 1.24 kWh 高压锂离子电池辅助应对瞬态负载及实现再生制动，通过三个 IV 型氢罐存储 5.6 kg 氢气。测试中安装了多个钳式电流传感器，监测高压电池输出、转换器输出等关键电气参数，采用 Hioki PW3390 功率分析仪采集数据。动力总成辅助系统（BoP）包含空气回路电动压缩机（eCompressor）、氢泵、冷却泵等组件，其功耗通过台架测量与车载诊断数据结合计算，其中 eCompressor 是功耗最高的辅助设备。受安全限制，未采用氢质量流量计，转而通过燃料电池电流法和储罐压力法测量氢耗。

2.2 尾气排放测量设备

车辆排气系统连接台架排放监测系统，通过皮托管流量计测量空气质量流量，采用三个传感器监测氢排放。传感器 1（热导式，响应时间 < 1 s）用于量化氢吹扫量，传感器 3（响应时间 < 0.5 s）用于检测吹扫事件，传感器 2 因响应时间过长未用于精准测量。热导式传感器对氧气存在交叉敏感性，需结合两种传感器数据修正。测试中还监测了水蒸气、二氧化碳、氧气等多种气体，涵盖欧 6 标准管控与非管控气体。

2.3 空气回路测量设备

空气回路由空气过滤器、压缩机和水冷中冷器（CAC）组成，无外部加湿器。在压缩机进出口、燃料电池堆入口三个位置监测空气压力与温度，同时记录实验室环境参数，通过 CoolProp 库计算空气热力学性质（如水分饱和度），为分析阴极化学计量比和压缩机效率提供数据。

2.4 冷却回路测量设备

Mirai II 包含两条冷却回路：高温回路（HT，工作温度约 333 K，高功率时达 363 K）用于冷却燃料电池堆，低温回路（LT，工作温度约 303 K，最高 318 K）用于冷却功率电子设备及电动压缩机。在冷却回路关键位置监测压力、温度和体积流量，通过 coolant 密度、比热容与温度的关系计算热交换量，两条回路共用一个前部风扇散热，牵引电机则通过独立油路冷却（本研究未涉及）。

2.5 车载诊断数据

借助丰田 GTS TechStream 软件从控制器局域网（CAN）采集 55 个信号，包括堆进气流量、冷却剂温度、压缩机功率、堆电压电流等关键参数。由于 DC/DC 升压转换器与燃料电池堆集成，无法直接测量堆输出电流，需通过 CAN 数据获取。CAN 数据采样频率（4 Hz）低于台架数据（10 Hz），经交叉相关与重采样处理后整合使用。

2.6 氢耗测量方法

基于燃料电池电化学反应原理，通过堆电流计算氢质量流量（优先采用的瞬时测量方法）；同时参考 ISO 23828 和 SAE J2572 标准，利用储罐压力、温度数据（结合红外读数与 CAN 数据）及仪表盘显示信息估算氢耗。WLTC 循环中，电流法测量值与厂家公布值的相对误差为 4.5%，是最精准的瞬时测量方法，储罐压力法（红外读数）误差最大（28.8%）。

2.7 行驶循环

测试在 IFPEN 的 FCEV 专用滚筒台架上进行，环境温度控制在 10-35℃，采用欧洲 CE 认证的道路负载参数。测试涵盖 WLTC、US06、RDE 等多个行驶循环，以及恒速变坡度的稳态循环（如 120 km/h 下坡度 1.5%-8.5%，50 km/h 下坡度 0%-11.3%），生成约 100 个循环的数据库（含 100 万个运行点），用于评估不同工况下的燃料电池效率、辅助系统性能及瞬态响应。

燃料电池系统分析

3.1 燃料电池堆与系统效率

堆效率通过 CAN 获取的电压数据计算，低功率需求时 LHV 效率峰值约 70%，接近最大输出功率（130 kWe）时降至 54%；系统效率（考虑 BoP 功耗）则分别为 62% 和 46%。35 kW 系统功率时，升功率与降功率过程中系统效率存在 3.7% 的差异（57.5% vs 53.8%），堆效率基本稳定，表明效率受功率历史影响。最大系统输出功率 110 kW 仅能维持 50 s，随后降至 100 kW 以下。与现代 Nexo 和第一代 Mirai 相比，Mirai II 在低功率时系统效率略低，但高功率时效率更优（46.3% vs 48% vs 40%）。

3.2 动力总成辅助系统（BoP）

eCompressor 是功耗最高的 BoP 组件，稳态工况下最大功耗 14 kWe，瞬态时达 17 kWe；45 kWe 以上系统功率时，散热器风扇功耗稳定在 600 W 左右；冷却泵与氢循环泵在 110 kW 时总功耗 1.5 kW；加热器在 10℃以上工况无寄生功耗。燃料电池功率转换器（FCPC）效率随功率升高从 99% 降至 96%，其作用是将堆输出电压提升至车载高压网络水平（350-650 V）。

3.2.1 空气回路分析

堆最大压力 0.25 MPa，最大空气质量流量 96 g/s，阴极氧气化学计量比（λ_O₂）最低 1.2，40 kW 稳态功率时达 2.0。压缩机等熵效率在 90 kW 稳态功率时为 43%，110 kW 瞬态时达 51%，齿轮传动的机械损耗导致电机 - 压缩机综合效率偏低。40 kW 左右时化学计量比控制策略突变，升功率与降功率过程中分别稳定在 1.4 和 2.0。

3.2.2 阴极化学计量比

三种测量方法（CAN 数据、台架电气数据、尾气浓度）均显示，高功率区间（85-120 kWe）化学计量比偏低。Mirai II 无外部加湿器，通过优化气体通道设计提升氧气浓度，采用逆流式气流布局实现膜自加湿，低空气流量是维持膜 hydration 的关键。燃料电池电阻在 0.3 左右波动，高功率时电阻升高表明膜 hydration 难度增加，且存在滞后现象（降功率时电阻更高）。

3.3 堆级功率平衡

通过高温冷却回路测量堆的热损失，扣除水冷中冷器的热交换量后，得到电化学反应的能量损失。堆输出电能与热损失之和介于氢的 LHV 与 HHV 之间，中等功率（50 kWe）时约为 HHV 的 95%、LHV 的 105%，这与电化学反应中液态水和水蒸气共存有关。

3.4 系统级功率平衡

通过嵌套饼图分析不同功率点（42 kWe、105 kWe）的能量分布，从氢的发热值到牵引电机可用功率，涵盖电转换损失、冷却系统散热及空气焓变。考虑尾气冷凝后，系统能量平衡更接近 LHV，高功率时与 LHV 的偏差更小。WLTC 循环各阶段的氢耗修正系数（K_H₂）在 2.59-5.32 kgH₂/100Whe 之间，低温（10℃）时氢耗高于常温（23℃）。

行驶循环氢耗测量

丰田 Mirai II 在 WLTC 循环的认证氢耗为 0.81 kgH₂/100 km。测试中通过引入修正系数 K_H₂消除高压电池 SOC 变化对氢耗计算的影响，23℃时台架测量值比认证数据低 5%，误差源于电流法的测量不确定性及未计入氢吹扫损失。10℃低温工况下氢耗更高，不同行驶阶段的氢耗特征与工况强度相关。

尾气氢排放

阳极吹扫是去除氮气积累和液态水、维持堆性能的关键手段，但会导致氢损失。吹扫事件主要发生在加速高功率需求、高速行驶、减速无功率需求及稳态高功率（≥30 kW）工况。低温（10℃）时吹扫频率、强度及持续时间均高于常温（23℃）；80 kW 稳态功率下 200 s 后进入恒定吹扫状态，高功率需求时出现排放 “反弹” 现象。氢排放随功率升高而增加，33 kWe 时吹扫损失占氢耗的 0.8%（0.3 gH₂/kWh），105 kWe 时达 2.4%（1.3 gH₂/kWh），且降功率过程中排放高于升功率过程（滞后效应）。未来可通过改进膜材料和吹扫控制策略降低氢排放。

结论

本研究通过台架试验全面分析了丰田 Mirai II 的动力总成性能，补充了该车型的关键数据。堆效率在低功率时达 70%，系统效率 62%，高功率时分别降至 54% 和 46%；eCompressor 是主要能耗辅助设备，35 kW 功率时存在特殊的功耗与化学计量比滞后现象。堆电能与热损失之和介于氢的 LHV 与 HHV 之间，与液态水生成相关。氢排放随功率升高而增加，中等功率时损失约 1%，100 kW 时达 2%。研究数据可为生命周期评估（LCA）、车辆仿真模型开发提供支撑，建议后续开展真实驾驶工况下的氢耗与排放测试，并考虑加氢站氢质差异等实际因素。

来源：气瓶设计的小工程师

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