日本氢燃料电池车“未来”行驶时的舒适性

杨庆敏

摘  要：氢燃料電池汽车以减少对石油资源的依赖、优化交通能源的构成、行驶中零污染排放、驱动系统噪音低、能量转换效率高等优势而成为汽车企业关注的焦点。但用于燃料电池汽车的氢能的制、存、运过程中的种种问题及加氢站的普及等都是影响氢燃料电池汽车推广的主要障碍。该文通过文献研究法，对“未来”行驶时车内舒适性进行了梳理，并浅析了其原因。

关键词：日本氢燃料电池车  加速平稳  加速踏板反应灵敏  转弯稳定

中图分类号：U473                                   文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（a）-0074-02

氢燃料电池汽车以能减少对石油资源的依赖、优化交通能源的构成、行驶中零污染排放、驱动系统噪音低、能量转换效率高等成为汽车企业关注的焦点。但研究表明，虽然氢燃料电池汽车有很多优点，但也存在尚待攻克的技术难点。

“用于燃料电池汽车的氢能的制、存、运过程中存在的种种问题以及加氢站的普及都是影响氢燃料电池汽车推广的主要障碍。”“氢能的主要来源应该是可再生能源，只有这样氢能才真正具有战略意义。”“燃料电池组作为氢燃料电池车的技术核心，是所有技术中难度最高的部分。由于燃料电池技术不完备和造价太高，所以市场发展比较缓慢。”

丰田经过20多年的潜心研发，在燃料电池技术方面已经实现全球领先，“未来”的量产上市证明了丰田在燃料电池动力的成本优化上有了突破性的进展。该文通过文献研究法，从“未来”行驶时的车内舒适性这一侧面进行了梳理，并浅析了其原因。

1  加速平稳，没有顿挫感

“未来”加速时，加速力几乎是一定的，没有变速顿挫感。和普通的燃油汽车相比，加速力大且平稳。这是发动机和电动机输出特性不同所致。

发动机和电动机输出特性有本质不同。发动机的扭矩，停止时为零，旋转速度越高扭矩越大。但电动机的扭矩，停止时理论上为无限大，旋转速度越高扭矩越小。

实际上，电动机使用是有限制的，停止时的扭矩不会变得无限大。因为为了防止出现故障，电动机的电流被控制在一定的范围内了。

从输出特性来讲，和发动机相比，电动机更适合做汽车的动力源，因为驱动扭矩在汽车启动时最大，而高速行驶时则比启动时要小。

用发动机驱动的燃油车，须按照驱动所需的输出特性进行变速（改变转速比，改变扭矩），不变速的话，启动扭矩不够，高速行驶时会过多消耗燃料。

手动挡车加速时变速器会逐级变速，切换时会产生变速顿挫感，车身会前后振动，影响乘坐舒适性。自动挡车不会像手动挡车那样产生大的变速顿挫感，但在用扭矩变速器逐级变速型自动挡车中有时也会有顿挫感。只是近年来搭载无级变速器（CVT）的自动挡车增多，驾驶员几乎感知不到变速顿挫感了。

无级变速器能够连续改变变速比，日本的燃油车中常用的金属传送带式变速器，是通过传送带连接的两个滑轮工作直径的变化而改变减速比的。和使用扭矩变换器相比更容易传递动力，能降低耗油量，近年来使用无级变速器的车辆增多。

但只用电动机驱动的燃料电池车及电动车等不需要变速。曾经也有过搭载变速器的电动车，现在已经没有了。电动机的动力传递到车轮时，使用齿轮减速，其减速比是固定的。

随着电动机及控制技术的提高，从停止到高速运转，能以高转速保持大扭矩，即在维持近似于电动机最大扭矩的状态下能够加速。“未来”加速时，会有被一种相同力度的力量在背后一直推着的感觉。以前为了使扭矩保持一定，需要逐级切换电流回路进行控制，现在，由于逆变器技术的发展可以连续控制，不会产生切换时的冲击了。因此，现在像“未来”那样只用电动机驱动的车加速时非常平稳，没有顿挫感。

2  加速踏板反应灵敏

“未来”加速踏板的反应比燃油车好，因为加速踏板的位置移动是通过电传导的，这和其他燃料电池车及电动车具有共性。

燃油汽车的加油踏板的位置移动不是用电传导的，不能马上影响发动机扭矩的变化，这和发动机产生扭矩的构造有关。

发动机把被称作混合气体的汽油和空气混合气体送进气缸，使其爆炸，利用爆炸时的体积膨胀产生扭矩。如果踩踏加速踏板，混合气体中的汽油比例增高，产生的扭矩就会加大。但是，比例变化后的混合气体到达气缸需要时间，加速踏板的位置移动到影响发动机扭矩的变化，这期间会产生时差。

另外，只用电动机驱动的燃料电池车及电动车等新能源车，加油踏板的位置移动能瞬间影响到电动机扭矩的变化。踩踏加速踏板，其位置移动通过电传导传递给动力控制单元，输入电动机的电受到控制。也就是说，全部是用电瞬间传导，所以和燃油车相比，反应灵敏。

加速踏板的位置移动反应到扭矩的变化的应答时间，电极比发动机明显要短得多。相对于发动机的数百毫秒，电动机只需要数毫秒，两者之间相差两位数。也就是说，电动机比发动机的应对速度要快两位数。

但加速踏板的位置移动并不是直接反应至电动机的旋转，两者之间还有动力控制单元，受控于动力控制单元。

3  转弯时车身稳定

“未来”转弯时能够保持车身稳定，和动力传动系有关。燃料电池车及电动车等没有像燃油车那样的发动机，能够实现接近理想状态的重量平衡。因此，能实现包括转弯稳定性在内的驾驶稳定性。

汽车高速通过急转弯时，急转转向盘易引发车辆侧滑或侧翻事故。在转弯处行驶不稳定是因为偏航惯性矩导致的车辆向水平方向的转向困难，转弯行驶时产生以车辆重心位置为中心阻止调转方向的惯性力。因此，偏航惯性矩越大行驶越不安定。

普通的燃油车（FF车）在转弯处偏航惯性矩容易增大，沉重的发动机在偏离重心位置前部的引擎内，容易把车身前半部分牵引至弯道外侧。

为了减小在转彎处产生的偏航惯性矩，就要调整好车辆整体的前后重量平衡。但这在燃油车中很难实现，燃油车中发动机的位置确定后，一般来讲，传动箱等的排列位置自然就决定了。也就是说，动力传动系中的各个部件的排列受到很大限制，很难使重量平衡达到理想状态。

作为解决此问题的实例，有一种被称作重心调整的设计方法，但用得不多。所谓的重心调整，就是为了减小偏航惯性矩，把发动机放置在接近重心的位置，这在赛车、跑车中早有应用。但因其构造特殊、造价高，并没有在一般燃油车中应用。

燃料电池车和电动车等，不仅仅是没有沉重的发动机，还因为不像燃油车那样动力传动系的零部件排列受到限制，所以能实现接近理想状态的重心设定和重量平衡。偏航惯性矩也因此变小，转弯时也变得稳定。

“未来”灵活运用了这些特征，在动力传动系的排列上下功夫，使重心位置和重量平衡处于最佳状态，致力于低重心化。在重心位置的附近，把包含燃料电池的FC燃料电池堆等的比较重的零部件配置在较低的位置。

另外，“未来”提高了车身扭曲刚性和空力性能，提高了车身整体的驾驶安定性。所谓的扭曲刚性，是车身的抗扭曲变形能力，抗扭曲力越强，振动和噪声等就越小，转弯就变得更容易。“未来”采用了比一般车高出约1.6倍的扭曲刚性的高刚性车身。

4  结语

和氢燃料电池汽车驾驶时的舒适性相比，更应该关注氢燃料电池汽车的核心部件，燃料电池组作为氢燃料电池车的技术核心，是所有技术中难度最高的部分。由于燃料电池技术不完备和造价太高，我国氢燃料电池总体上处于工程化开发阶段，功率特性、冷启动、可靠性等主要技术性能指标与世界标杆产品比还有很大差距，致使氢燃料电池汽车市场发展比较缓慢。期盼中国车企在解决核心技术问题的前提下，生产出舒适、耐用的氢燃料电池汽车。

参考文献

[1] 川辺謙一.燃料電池自動車のメカニズム[N].講談社，2016-02-20.

[2] 日本钟情氢燃料电池汽车究竟为哪般？[EB/OL].北极星电力新闻网，2018-02-05.

[3] 海川.丰田为何开放燃料电池专利[J].新经济导刊，2015（3）：72-75.

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科学技术创新杂志社

2019-09-26