#丰田#汽车公司是第一家在市场上销售燃料电池乘用车的汽车制造商。根据数据显示，到2019年1月，丰田已经在加州销售了超过4700辆燃料电池汽车。丰田不仅在销量上领导着FCV（燃料电池车）市场，它在燃料电池基础研究研究和FCV技术开发方面也处于领先的地位。根据研究分析，丰田拥有最多的涉及燃料电池技术的专利。基于1998 - 2018年的专利数据，以“氢、车辆、燃料电池”为关键词检索，丰田拥有923项专利，这几乎是排名第二的本田汽车公司相关专利数量的两倍。
在系统分析了丰田发表的一系列研究报告后，归纳了他们的FCV研究路线。在早期阶段，丰田对FCV的研究主要集中在车辆的一般性能方面，如功率输出，效率和运行能力等。随后他们主要解决了运行环境范围和效率等可靠性问题。在近期的研究中，又转向关注耐久性、成本控制等问题。丰田的燃料电池汽车研究和开发始于1992年，到了十年后的2002年，其首个面向市场的燃料电池汽车“TOYOTA-FCHV”获得了认证，并开始在日本和美国进行限量销售。这种混合动力燃料电池汽车基本上奠定了Mirai的基础。它使用了最大功率为90 kW的PEM电池堆以及镍氢二次电池。通过混合动力控制优化和再生制动技术，可实现瞬态响应性能和燃油经济性的平衡。基于测试结果，与内燃机汽车相比，该燃料电池汽车具有相同的加速性能和三倍的能量效率。
耐久性与水热管理
丰田在其研究中强调了燃料电池系统的水热管理问题对耐久性的重要影响。燃料电池汽车耐久性的限制，主要来自于PEM燃料电池系统中的几个关键部件，包括质子交换膜、催化剂层（CL）、气体扩散层（GDL）、双极板（BP）和空压机等。在过去的十几年间，以丰田为代表的燃料电池汽车制造商，研究了多项技术，提升水热管理能力，进而提高电池系统总体耐久性。这些技术包括“低电势运行”、“自增湿系统”、“三维流场结构”等。
丰田燃料电池汽车新型水热管理技术
下图所示的是丰田的“自增湿系统”示意图，这一系统旨在提高水热管理性能，它是FCV商业化道路上的重要创新。因为它不仅提高了燃料电池系统的耐久性，还降低了成本并提高了动力性能。其工作原理可以解释为以下四个方面。
首先，氢气与空气流动方向相反，加上更薄的质子交换膜设计，促进了水的均匀分布。因此，加湿的氢气出口可以保护空气入口免于干燥。其次，在进气口处加宽流场和设计了三维精细网状结构，这样可以降低流速减少湍流，因此阴极空气入口处的水分蒸发较少。第三，增加阴极空气入口处的冷却，因温度降低从而进一步减少蒸发。第四，将猝光剂加入MEA中以促进其抗中毒性能。因此，尽管在低湿度操作下会产生更多的羟基自由基等污染物，但MEA可以不受污染物的影响。
自动增湿系统示意图
下图所示是丰田发明的三维精细网状阴极流场结构，这是他们的另一项FCV重要发明。它通过优化的水热管理以最低的成本提高了耐用性。为了解释其工作原理和优势，我们将其与其它流场设计进行了比较。如下图（a）所示是直流场，它的优点包括结构简单、制造方便等。然而，这种类型的设计问题在于它倾向于导致阴极中的水淹，因此容易阻碍反应气体供给，导致电压损失。
第二种是多孔金属流场，一般由金属泡沫制成，如下图（c）所示。它们通过毛细压力可以有效地排出水，从而减少GDL和CL中的水分积累。但是这种结构制造较为困难，量产时难以保证生产质量稳定，并且结构本身也容易导致较高的压力损失。
第三个是三维精细网状流场结构，如下图（e）所示。流场的三维结构提供了挡板，可以有效引导空气流向GDL和MEA，从而促进空气扩散和向阴极催化剂层的对流效果。该结构还提供了与空气流场分开的空隙，因此工作生成的水可以从GDL中抽出并通过孔排出，而不会阻挡空气传输。此外，三维结构可以缓解入口湍流，从而减轻膜干燥的情况。这对于自增湿系统也很重要。
三维网状流场结构示意图及其与其它结构的比较
燃料电池堆内的核心反应过程为氢氧电化学反应产生电、热、水。电堆冷却采用与传统发动机相同的冷却方式—液冷，即电动水泵输出的冷却液供应至燃料电池堆，电堆下游的冷却水控制阀改变流经散热器和旁通散热器的冷却水比例，通过控制冷却液温度以控制燃料电池堆在70-80℃附近温度高效率发电。电动水泵控制供水，燃料电池堆进出口的冷却液温差成为控制目标值。因此，作为热管理系统中温度控制的关键组件，电动水泵和水控阀在控制电堆目标温度起着重要作用。
丰田Mirai动力系统
导致丰田Mirai电堆冷却系统散热量是传统汽油驱动车辆的2~3倍主要有三方面原因：1.冷却水温度低；2.排气带走热量小；3.高负荷下效率降低，产热量增加。下图展示了丰田Mirai使用的主散热器(800×400×48 mm)、副散热器(300×300×27 mm)和300 W无刷电动机(共两个)，其中电机作用为将冷却空气吸入主散热器。为发挥Mirai散热器散热性能，丰田汽车公司已将Mirai开口设计得尽可能大，冷却风扇尽可能提速使流经散热器的空气流速增大。保证散热能力对于燃料电池汽车至关重要。
丰田Mirai冷却系统
冷却液在高压燃料电池堆运行时处于流动状态，如果冷却液电阻较低(电导率较高)，冷却液通过散热器等组件与车身连接，无法保证高压绝缘。因此，冷却液的低电阻特性需要持续保证。丰田Mirai专用冷却液因包含防锈剂和PH调节剂具备高电阻值。此外，冷却回路中存在离子从冷却系统组件析出至冷却液中造成冷却液电阻降低的情况，因此为确保绝缘性在回路中采用了离子交换。
丰田Mirai冷却系统部件
燃料电池热管理与水管理联系密不可分。目前通用的燃料电池类型是聚合物电解质燃料电池(PEFC)，电解质膜仅在湿润状态下才具有高质子传导性，因此必须充分润湿。另一方面，如果水过多，则供给氧气和氢气的气体流路会被阻塞，从而难以供给氧气和氢气，降低了发电效率。因此一方面有必要精确控制排放到燃料电池外部的水量以确保燃料电池内部的水量保持在适当的状态，另一方面也可通过控制燃料电池堆的温度来控制水量。
丰田Mirai燃料电池车热管理技术
丰田Mirai燃料电池汽车在其冷却回路中配备了电加热器，如何降低源自于电加热器的电能消耗是增加纯电续航里程的关键。对于没有发动机废热的纯电动汽车，必须消耗电池电量产生热量以加热乘员舱。众所周知，电池电量对行驶里程有着很大的影响。例如，当外部环境温度为0°C时，大约需要3 kW的热量来加热乘员舱，如果所有的电能均由电加热器提供，则纯电动汽车的行驶里程将减少大约40％。丰田Mirai在JC08模式下可达到650 km的续航里程，但Mirai空调系统的开发目标是在包括空调在内的氢耗测量条件下实现500 km的续航里程和空调性能。
燃料电池汽车具有类似汽油车和混合动力汽车发动机的余热(waste heat)形式，其可作为热源加热其他部件。但废热并不总是能够提供加热所需的能量，可使用的废热量受到负载限制。如下图所示，在行驶负荷较高情况下(车速高)，能够通过燃料电池堆余热来满足加热所需能量；当行驶负荷较低时(车速低或空转时)，燃料电池堆产生的废热量较少，可用于加热的能量会受到很大限制。因此需要一种不会因为废热对燃料电池堆温度产生不利影响的冷却系统。
目标加热性能和电堆废热
丰田汽车公司为Mirai开发了电堆余热利用技术(有效利用燃料电池电堆余热进行空调制热的能量系统)，可同时满足空调性能和实际巡航里程。如下图所示，在场景①中，尚无法使用燃料电池堆废热，例如在汽车起步或行驶早期阶段，该阶段使用电加热器进行空调温度调节。场景①经过一段时间进入场景②，当燃料电池堆水温高于某个水平时，空调热回路和燃料电池冷却回路连接，可以减少电加热器的功耗。注意避免因空调热回路冷却水流入燃料电池冷却回路导致燃料电池水温突然变化降低燃料电池系统效率。在高速运行的场景③中，仅用电堆废热空调热回路，无需电加热器介入。
丰田Mirai冷却系统
为延长续航里程，丰田Mirai空调系统还采取了其他措施来减少热量耗散。通常，汽车空调制热模式下从加热器吸收到汽车内部的热量除了使乘员舱变暖之外，一部分会耗散到汽车外部，其中，换风造成的损失高达25%。因此有必要增加乘员舱内部空气流通，但同时也容易发生窗雾。因此，丰田汽车公司对Mirai乘员舱内湿度进行测量和调节，以减少热损失和避免车窗起雾。此外，丰田汽车公司还对Mirai空调进行操作模式改进。通常，汽车一般提供可一定程度抑制功率输出的ECO模式，但Mirai增加了ECO空调模式可供客户选择，可进一步降低空调功耗。丰田汽车公司开发的电堆余热利用技术可在满足空调性能目标的同时有效降低供暖功率，并实现500公里的续航里程。
丰田纯电动车电池热管理系统的发展
丰田从第一代纯电动车到目前的最新纯电动车，在电池热管理方面有何不同？
RAV4EV
由于这款车型当时只在美国销售，同时生命周期比较短，所以国内相关的信息并不多。就已有信息来说，了解到当时的热管理系统采用的是液冷技术。
所谓液冷就是把LLC冷却液作为冷却介质，通过对其温度的控制实现电池的温控平衡。对于液冷系统的工作原理来说，当电池ECU在接收到电池温度传感器检测到的温度信号后，控制冷却液方向控制电磁阀的开关，实现对冷却液温度的有效管理。当电池温度在正常区间内时，冷却液通往散热器的电磁阀打开，通往加热器的电磁阀关闭，在1号水泵的作用下，冷却液在散热器、电池之间循环；当电池温度高时，通往散热器和加热器的电磁阀全部关闭，此时冷却液在1号水泵的作用下流过空调蒸发箱与冷媒进行热交换进行降温，快速给电池进行降温。当电池温度低时，冷却管路的电磁阀全部关闭，此时冷却液在2号水泵的作用下流过加热器进行加热，之后对电池进行升温。
CH-REV
这款车的电池热管理系统和奕泽EV相同。技术核心是通过与空调系统联动的电池风冷系统以及电加热系统实现电池的降温与升温管理。简单的说，就是在动力电池鼓风机处安装一个独立用于电池冷却系统的蒸发箱，在冷媒蒸发过程中吸收电池内循环空气的热量，之后在鼓风机的作用下将冷却的空气输送到电池单元内进行电池降温。而加热系统就是采用12V铅蓄电池供电，通过电热丝发热原理对电池单元进行升温。
资料图片来源：燃料电池干货、电化学热物理实验室、易车
第二弹：丰田纯电动车电池热管理系统的发展之前介绍过关于CH-R EV电池热管理系统的原理，今天主要讲讲丰田纯电动汽车动力电池热管理系统的发展：液冷和风冷。
其实丰田进入电动车领域的时间还是比较早的，从2010年与特斯拉合作到2016年分道扬镳，期间丰田只发布过一款产品：RAV4 EV。时间回溯到2012年，那一年特斯拉发布了让其名声大噪的Model S。而丰田那一年也发布了RAV4 EV纯电车型，并在美国上市销售，直到2014年停产。分手后的丰田在纯电动车领域一直缄默不言，而是集中精力开发油电混合汽车并获得了巨大成功，至于后来发布的mirai氢能源汽车，也算是丰田在纯电动技术折戟后对于未来汽车能源发展方向的思考吧。
时至今日，汽车的电动化已然成为全球性趋势，特别是中国市场的电动化政策倾向和发展势头，让丰田也不得不重新审视市场。眼下，在中国市场，丰田已经推出了插电式混合动力新能源车型以及纯电动车。抛开混合动力汽车的电池热管理系统不谈，丰田从第一代纯电动车到目前的最新纯电动车，在电池热管理方面有何不同？
RAV4 EV
由于这款车型当时只在美国销售，同时生命周期比较短，所以国内相关的信息并不多。就已有信息来说，了解到当时的热管理系统采用的是液冷技术。
所谓液冷就是把LLC冷却液作为冷却介质，通过对其温度的控制实现电池的温控平衡。对于液冷系统的工作原理来说，当电池ECU在接收到电池温度传感器检测到的温度信号后，控制冷却液方向控制电磁阀的开关，实现对冷却液温度的有效管理。当电池温度在正常区间内时，冷却液通往散热器的电磁阀打开，通往加热器的电磁阀关闭，在1号水泵的作用下，冷却液在散热器、电池之间循环；当电池温度高时，通往散热器和加热器的电磁阀全部关闭，此时冷却液在1号水泵的作用下流过空调蒸发箱与冷媒进行热交换进行降温，快速给电池进行降温。当电池温度低时，冷却管路的电磁阀全部关闭，此时冷却液在2号水泵的作用下流过加热器进行加热，之后对电池进行升温。
CH-R EV
这款车的电池热管理系统和奕泽EV相同，之前的文章已经进行了介绍，所以不再赘述。技术核心是通过与空调系统联动的电池风冷系统以及电加热系统实现电池的降温与升温管理。简单的说，就是在动力电池鼓风机处安装一个独立用于电池冷却系统的蒸发箱，在冷媒蒸发过程中吸收电池内循环空气的热量，之后在鼓风机的作用下将冷却的空气输送到电池单元内进行电池降温。而加热系统就是采用12V铅蓄电池供电，通过电热丝发热原理对电池单元进行升温。
作为非专业人士，无法判断这两种电池热管理系统孰优孰劣。就我个人粗鄙的理解来看，不管是采用风冷技术还是电加热技术，效率应该是比较高的，得益于这些年半导体技术的发展以及丰田在混动领域积累的经验，在温控的稳定性方面相比液冷技术来说应该更加稳定。丰田放弃液冷技术，也许是因为曾经双方合作期间的技术专利归特斯拉所有，也许是丰田认为采用液冷技术在目前来说能耗较高，稳定性较差吧。
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