Toyota Miray – pierwszy samochód elektryczny oczyszczający powietrze

Wizja Toyoty zrównoważonego społeczeństwa wodorowego opiera się na dostrzeżeniu wartości wodoru jako optymalnego środka magazynowania i dystrybucji energii. Wodór ma potencjał, by przyspieszyć dekarbonizację transportu, nie tylko drogowego, lecz także kolejowego, morskiego i lotniczego. 

Toyota rozpoczęła prace rozwojowe nad elektrycznymi samochodami na wodorowe ogniwa paliwowe (FCEV) w 1992 roku. W efekcie w 2014 roku z sukcesem wprowadziła do sprzedaży sedana Mirai. To przełomowe osiągnięcie było możliwe dzięki doświadczeniom, jakie Toyota zebrała przy opracowywaniu, produkcji i sprzedaży samochodów hybrydowych. Napędy hybrydowe są bowiem kluczową technologią dla wszystkich rodzajów zelektryfikowanych napędów Toyoty.

Najważniejsze rozwiązania wypracowane podczas prac badawczo-rozwojowych nad napędami hybrydowymi znalazły zastosowanie zarówno w pełnych hybrydach nieładowanych z zewnątrz (HEV), jak i w hybrydach plug-in (PHEV), autach elektrycznych na baterie (BEV) oraz w pojazdach elektrycznych na wodorowe ogniwa paliwowe (FCEV). Każda z tych technologii ma swoje zastosowanie i najlepiej sprawdza się w określonych warunkach. Na przykład BEV to świetne rozwiązanie na krótkie trasy w mieście, HEV i PHEV sprawdzają się jako uniwersalne samochody osobowe zarówno na długie dystanse, jak i podczas miejskiej jazdy, FCEV może znaleźć zastosowanie w dużych samochodach osobowych oraz ciężarówkach i autobusach, zapewniając bezemisyjność transportu towarowego i komunikacji publicznej.

Mirai nowej generacji wynosi na wyższy poziom technologię elektrycznego napędu zasilanego ogniwami paliwowymi. Wraz z jego premierą klienci zyskują atrakcyjny stylistycznie, budzący emocje, bezemisyjny samochód o dynamicznym napędzie i świetnych właściwościach jezdnych. Całkowicie przebudowany zestaw ogniw paliwowych, inteligentne rozłożenie elementów na platformie oraz opływowe nadwozie o niskim współczynniku oporu powietrza składają się na to, że nowy Mirai zużywa o 10% mniej paliwa od poprzednika, a jego zasięg wzrósł do około 650 km. Samochód nie emituje przy tym żadnych spalin, a jedynie czystą parę wodną.

Atrakcyjna stylistyka i świetne osiągi

Pracując nad nowym Mirai, Toyota poświęciła szczególną uwagę tym wszystkim aspektom, które wpływają na ocenę samochodu przez klientów – zaczynając od osiągów, przez właściwości jezdne, a kończąc na wyglądzie. Jednocześnie priorytetem pozostało zwiększenie wydajności napędu i wydłużenie zasięgu na jednym tankowaniu w porównaniu z Mirai pierwszej generacji, aby uzyskać wynik lepszy od zasięgów przeciętnych samochodów BEV. Większa moc auta i pojemność zbiorników wodoru, poprawiona wydajność napędu i lepsza aerodynamika złożyły się na wydłużenie zasięgu auta o 30% do około 650 km. To sprawia, że Mirai, którego tankowanie trwa kilka minut, jest wygodnym autem na długie trasy.

Architektura TNGA umożliwiła znacznie lepsze rozłożenie komponentów napędu nowego Mirai w taki sposób, aby wygospodarować więcej miejsca we wnętrzu oraz optymalnie rozłożyć masę auta między przodem a tyłem. Zestaw ogniw paliwowych został przesunięty do przodu spod kabiny do przedniej części auta, co zwiększyło ilość miejsca dla pasażerów oraz pozwoliło zamontować z tyłu trzyosobową kanapę zamiast dotychczasowych dwóch miejsc siedzących i podłokietnika.

Nowy Mirai ma także bardziej atrakcyjne proporcje. Jego wysokość została obniżona o 65 mm do 1 470 mm, a rozstaw osi zwiększył się o 140 mm do 2 920 mm. Tylny zwis został wydłużony o 85 mm, a długość auta wzrosła do 4 975 mm. Niżej położony środek ciężkości, rozstaw kół większy o 75 mm oraz większe, 19- lub 20-calowe koła sprawiają, że samochód wygląda bardziej dynamicznie i sportowo.

Nowy Mirai bardziej atrakcyjny dla klienta

Jednym z głównych celów konstruktorów nowego Mirai było stworzenie samochodu, który przyciągnie klientów nie tylko oszczędnym, bezemisyjnym napędem, lecz przede wszystkim ze względu na te wszystkie cechy, które są ważne dla klientów wybierających nowy samochód – atrakcyjny wygląd, komfort i wykończenie wnętrza, jakość prowadzenia i dynamikę. Udało się to osiągnąc dzięki nowej platformie GA-L oraz zaawansowanej technologii elektrycznego napędu na ogniwa paliwowe.

Platforma GA-L

Platforma GA-L umożliwiła takie rozłożenie elementów napędu, aby uzyskać jak najwięcej miejsca we wnętrzu. W efekcie nowy Mirai ma przestronną, 5-osobową kabinę i lepiej wyważone podwozie. Największą korzyścią jest jednak wygospodarowanie miejsca na trzeci zbiornik wodoru, co przyczyniło się do zwiększenia zasięgu auta.

Zbiorniki są ułożone w literę T. Najdłuższy jest zamocowany pod podłogą, po środku platformy, na osi pojazdu, zaś dwa mniejsze zostały umieszczone poprzecznie pod tylnymi siedzeniami i bagażnikiem. Łącznie mieści się w nich 5,6 kg wodoru, czyli o 1 kg więcej niż w pierwszym modelu. Miejsce ich zamocowania przyczynia się do obniżenia środka ciężkości samochodu.

Architektura TNGA umożliwiła przesunięcie zestawu ogniw paliwowych z dotychczasowego miejsca pod podłogą kabiny do przedniej części samochodu pod maską. Bardziej kompaktowa bateria trakcyjna oraz silnik elektryczny umieszczono nad tylną osią. Rozmieszczenie tych elementów zoptymalizowano w taki sposób, by uzyskać rozłożenie masy między przodem i tyłem w proporcji 50:50.

Zbiorniki wodoru mają mocniejszą, wielowarstwową konstrukcję i są bardzo lekkie. Wodór stanowi 6% łącznej masy paliwa i zbiorników.

Nowy zestaw ogniw paliwowych

Zestaw ogniw paliwowych Toyoty do nowego Mirai oraz konwerter FCPC (fuel cell power converter) zostały opracowane specjalnie z myślą o montażu na platformie GA-L. Inżynierowie umieścili w jednej zwartej obudowie wszystkie elementy zestawu ogniw paliwowych – pompy wody, intercooler, klimatyzator, kompresory powietrza i pompę recyrkulacji wodoru. Każda z tych części jest mniejsza i lżejsza, a jednocześnie bardziej wydajna niż w poprzedniej generacji Mirai. Obudowa ogniw paliwowych także jest mniejsza dzięki technice zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, która umożliwiła zmniejszenie odstępu między ogniwami a obudową.

W ogniwach paliwowych użyto polimeru w stanie stałym, tak jak w poprzednim modelu. Zestaw jest mniejszy i użyto w nim mniej ogniw (330 zamiast 370). Mimo to jego maksymalna moc wzrosła ze 114 kW do 128 kW. Było to możliwe dzięki większej gęstości mocy, która wzrosła z 3,1 kW/l do 5,4 kW/l (z wyjątkiem krańcowych ogniw). Toyota poprawiła także odporność napędu na niskie temperatury powietrza. Teraz samochód szybciej uzyskuje pełną moc nawet przy temperaturze -30 stopni Celsjusza. Dzięki umieszczeniu wewnątrz obudowy zestawu większej liczby urządzeń wspomagających pracę ogniw, układ napędowy Mirai ma mniej osobnych elementów, co oszczędza miejsce i obniża masę.

Innowacje i udoskonalenia każdego komponentu układu napędowego zaowocowały redukcją jego masy o 50% przy zwiększeniu mocy o 12%. Przeniesiono kolektor, zmniejszono rozmiar i wagę ogniw, zoptymalizowano kształt separatora kanału gazowego i zastosowano innowacyjne materiały w elektrodach.

W urządzeniu dodano także konwerter DC-DC ogniw paliwowych (FDC) oraz inne modułowe wysokonapięciowe części, a jednocześnie zmniejszono wielkość zestawu o 21% w porównaniu z aktualnym. Masa modułu ogniw paliwowych została zmniejszona o 2,9 kg do 25,5 kg. Inżynierowie Toyoty oszczędzili sporo miejsca przez zastosowanie nowej generacji półprzewodnika z węglika krzemu w tranzystorach IPM (intelligent power model). To pozwoliło zwiększyć moc i obniżyć zużycie energii przy użyciu mniejszej liczby tranzystorów, dzięki czemu zmniejszyły się wymiary konwertera FCPC.

Toyota Camry Hybrid – nowy design i systemy bezpieczeństwa

Dążenie do ograniczenia masy i wymiarów wpłynęło także na konstrukcję innych elementów zestawu ogniw paliwowych. Wlot powietrza został zaprojektowany z myślą o niskich stratach ciśnienia i zawiera materiał dźwiękochłonny, dzięki czemu hałas wlotów powietrza nie dociera do kabiny. W układzie wydechowym zastosowano rurę z żywicy i zaprojektowano go tak, aby umożliwić odprowadzanie dużej ilości powietrza i wedy. Tłumik o większej pojemności przyczynia się do wyciszenia kabiny. System poboru powietrza jest o prawie 30% mniejszy niż w obecnym Mirai i waży o ponad jedną trzecią (34,4%) mniej.

Bateria litowo-jonowa

Nowy Mirai jest wyposażony w wysokonapięciowy akumulator litowo-jonowy, który zastąpił baterię niklowo-wodorkową. Nowa bateria jest mniejsza, bardziej energooszczędna i wydajna oraz bardziej ekologiczna. Zawiera 84 ogniwa, a jej napięcie znamionowe wzrosło do 310,8 V z 244,8 V, zaś pojemność wynosi 4.0 Ah (pojemność baterii w Mirai pierwszej generacji to 6,5 Ah). Całkowita masa akumulatora została zmniejszona z 46,9 do 44,6 kg. Moc wzrosła z 25,5 kW x 10 sekund do 31,5ekW x 10 sekund.

Mniejsze wymiary baterii eozwoliły przenieść ją za oparcie tylnej kanapy, gdzie nie ogranicza miejsca w kabinie ani w bagażniku. System jej chłodzenia został zoptymalizowany, a jego dyskretne wloty zostały ukryte po bokach tylnej kanapy.

Dynamika i osiągi

Platforma GA-L sprawia, że nowy Mirai ma niżej położony środek ciężkości, lepszą charakterystykę bezwładności i znacznie sztywniejsze nadwozie, dlatego samochód prowadzi się pewniej i stabilniej. Sztywność nadwozia została zwiększona przez strategiczne rozłożenie usztywnień i wzmocnień, szersze zastosowanie klejenia karoserii oraz laserowe spawanie śrubowe.

Przeniesienie zestawu ogniw paliwowych spod kabiny pod maskę, a baterii i silnika elektrycznego nad tylną oś umożliwiło rozłożenie masy samochodu między przodem i tyłem w proporcji 50:50, co zwiększyło stabilność auta do poziomu znanego z samochodów spalinowych z silnikiem z przodu.

Nowa platforma otrzymała także zawieszenie wielowahaczowe z przodu i z tyłu, zamiast kolumn MacPhersona z przodu i belki skrętnej z tyłu, zastosowanych w poprzednim modelu. Taka konfiguracja zapewnia wysoką stabilność i komfort jazdy oraz precyzję prowadzenia. W zawieszeniu nowego Mirai zastosowano grubsze stabilizatory, zoptymalizowano położenie górnego i dolnego łożyska kulkowego oraz zwiększono sztywność zawieszenia, co przełożyło się na szybsze reakcje na ruchy kierownicy oraz przyczyniło się do większej stabilności.

Dalsze korzyści płyną z zastosowania większych kół i opon. Do wyboru są koła 19- i 20-calowe, wyposażone odpowiednio w opony 235/55 R19 i 245/45 R20 o niskim oporze toczenia i cichej pracy. Opony te przyczyniają się do zmniejszenia zużycia paliwa, poprawy jakości prowadzenia i stabilności oraz jeszcze bardziej ograniczają poziom hałasu w kabinie. Korzystanie z kół i opon o większej średnicy pomogło wygospodarować miejsce dla trzech zbiorników wodoru.

Lepsza aerodynamika samochodu, uzyskana poprzez niższą linię dachu, pełną osłonę podwozia i niższy współczynnik oporu powietrza, również odgrywa rolę w podniesieniu jakości prowadzenia i stabilności oraz w zwiększeniu zasięgu auta.

Przyjemniejsze odczucia podczas jazdy to efekt zastosowania mocniejszych ogniw paliwowych i baterii, które umożliwiają jeszcze bardziej płynne, liniowe ruszanie i przyspieszanie. Auto porusza się spokojnie i błyskawicznie reaguje na gaz przy każdej prędkości – również na autostradzie. Podczas jazdy po krętych drogach Mirai porusza się stabilnie i dynamicznie przyspiesza na wyjściu z zakrętu.

Oczyszczanie powietrza podczas jazdy

Mirai nie tylko nie emituje żadnych spalin, ale oczyszcza powietrze podczas jazdy, zgodnie ze dewizą Toyoty „beyond zero emissions”. Nowy model został wyposażony w innowacyjny katalityczny filtr wbudowany we wloty powietrza, które jest doprowadzane do ogniw paliwowych. Filtr z włókniny wychwytuje mikroskopijne cząsteczki zanieczyszczeń, w tym dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NOx) i cząstki stałe PM 2.5. Rozwiązanie to usuwa od 90 do 100% zanieczyszczeń o średnicy od 0 do 2,5 mikonu z powietrza przelatującego przez system ogniw paliwowych.

Planowany 10-krotny wzrost sprzedaży

Wraz z wprowadzeniem na rynek nowego modelu Toyota planuje dziesięciokrotnie zwiększyć sprzedaż Mirai. Marka przewiduje, że wzrost jego popularności będzie wynikiem większych możliwości produkcyjnych, a także atrakcyjności samochodu dla klientów, opierającej się na wysublimowanej stylistyce, bardzo dobrych osiągach, większej przyjemności z jazdy i obniżonej o około 20% cenie.

Posiadanie wodorowego samochodu będzie coraz bardziej praktyczne w miarę rozwoju potrzebnej infrastruktury i rosnącej liczby stacji tankowania wodoru. Wzrostowi sprzedaży sprzyjają także zachęty i ulgi wprowadzane przez kolejne władze publiczne, służące wspieraniu bezemisyjnego transportu.

tab1 Mirai 2 specyfikacja

tab2 Mirai 2 specyfikacjatab3 Mirai 2 specyfikacja

Źródło: Toyota