Η Toyota ξεκίνησε την ανάπτυξη ενός ηλεκτρικού οχήματος κυψελών καυσίμου υδρογόνου το 1992, και το 2014 λανσάρισε με επιτυχία το Mirai sedan στις παγκόσμιες αγορές. Η βασική αρχή της υβριδικής τεχνολογίας κίνησης προσαρμόστηκε με επιτυχία για τη δημιουργία μοντέλων Hybrid Electric (HEV), Plug-in Hybrid Electric (PHEV), Battery Electric (BEV) και – αρχής γενομένης με το Mirai – Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV). Κάθε μοντέλο έχει τα δικά του χαρακτηριστικά και ενδείκνυται για διαφορετική χρήση: Για παράδειγμα, τα BEV προορίζονται για μικρότερες καθημερινές διαδρομές και οδήγηση στην πόλη, τα HEV και PHEV για γενική χρήση και πιο μακρινά ταξίδια, ενώ η τεχνολογία FCEV εφαρμόζεται σε μεγαλύτερα και βαρύτερα επιβατικά αυτοκίνητα, οχήματα βαρέως τύπου και δημόσια μέσα μεταφοράς.
Τώρα λανσάρεται η νέα γενιά Mirai, ένα μοντέλο που προάγει την τεχνολογία FCEV σε ανώτερο επίπεδο αποσκοπώντας σε μεγαλύτερη απήχηση στον πελάτη, προσελκύοντάς τον με ένα πιο δυναμικό, σύγχρονο στυλ και πιο απολαυστικές επιδόσεις. Το πλήρως αναθεωρημένο σύστημα κυψελών καυσίμου, η ευφυής χωροταξία και η αεροδυναμική απόδοση συμβάλλουν στην αύξηση της αυτονομίας σε περίπου 650 km, με μηδενικές εκπομπές ρύπων και μοναδική εκπομπή, καθαρό νερό.
Προτεραιότητα ήταν η βελτίωση της αυτονομίας σε σχέση με τη πρώτη γενιά του μοντέλου αλλά και συγκριτικά με τη συνήθη απόσταση που διανύουν τα πλήρως ηλεκτρικά οχήματα (BEV). Η αυξημένη ισχύς και χωρητικότητα του υδρογόνου, η βελτιωμένη απόδοση του συστήματος και αεροδυναμική συνεισφέρουν στην αύξηση της αυτονομίας κατά 30%, φτάνοντας πλέον τα 650 km. Αυτό καθιστά το νέο Mirai ένα όχημα κατάλληλο για ταξίδια μεγάλων αποστάσεων.
Το νέο Mirai υιοθετεί πιο ελκυστικές αναλογίες: το συνολικό ύψος του έχει μειωθεί κατά 65 mm στα 1.470 mm, ενώ υπάρχει μία αύξηση 140 mm στο μεταξόνιο (2.920 mm). Με τον πίσω πρόβολο να έχει αυξηθεί κατά 85 mm, το συνολικό μήκος του οχήματος είναι τώρα 4.975 mm. Μία αύξηση 75 mm του μετατροχίου και η χρήση μεγαλύτερων τροχών 19 και 20 ιντσών διαμορφώνουν ένα πιο χαμηλό και δυναμικό αμάξωμα και τονίζουν οπτικά το επίσης χαμηλότερο κέντρο βάρους του νέου Mirai.
Η πλατφόρμα GA–L
Η υιοθέτηση της πλατφόρμας GA-L επέτρεψε την αναδιάταξη της τόσο συστοιχίας των κυψελών καυσίμου όσο και των εξαρτημάτων του συστήματος κίνησης με στόχο ακόμα καλύτερη χωροταξία. Το αποτέλεσμα είναι μία πιο ευρύχωρη, πενταθέσια καμπίνα καθώς και η καλύτερη ισορροπία του πλαισίου. Και το σημαντικότερο ίσως: επιτρέπει την τοποθέτηση τριών ρεζερβουάρ υδρογόνου υψηλής πίεσης, αυξάνοντας τη χωρητικότητα υδρογόνου και κατά συνέπεια την αυτονομία του οχήματος – μέχρι 30%.
Τα ρεζερβουάρ είναι τοποθετημένα σε διάταξη “T”, το μεγαλύτερο κατά τον διαμήκη άξονα και κεντρικά τοποθετημένο κάτω από το δάπεδο του οχήματος και τα δύο μικρότερα στο πλάι, κάτω από τα πίσω καθίσματα και το χώρο αποσκευών. Μαζί, παρέχουν συνολική χωρητικότητα 5,6 kg υδρογόνου, αυξημένη από τα 4,6 kg που προσέφεραν τα δύο ρεζερβουάρ του τρέχοντος Mirai. Η θέση τους συνεισφέρει στο χαμηλότερο κέντρο βάρους του αυτοκινήτου και δεν περιορίζει το χώρο φόρτωσης.
Η νέα αρχιτεκτονική επιτρέπει επίσης τη μετακίνηση της νέας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου από την τρέχουσα θέση της κάτω από το δάπεδο, στο εμπρός τμήμα (αντίστοιχο με το χώρο ενός κινητήρα), ενώ η (πιο συμπαγής) μπαταρία υψηλής τάσης και ο ηλεκτροκινητήρας τοποθετούνται πάνω από τον πίσω άξονα. Όπως ήδη εξηγήσαμε, η διάταξη του κινητήρα έχει βελτιστοποιηθεί, με αποτέλεσμα η κατανομή βάρους για το νέο Mirai να είναι 50/50 εμπρός/πίσω.
Τα ρεζερβουάρ έχουν ισχυρότερη, πολλαπλών στρώσεων δομή και είναι ελαφρύτερα – το υδρογόνο αποτελεί το 6% του συνολικού βάρους καυσίμου και ρεζερβουάρ.
Νέα συστοιχία κυψελών καυσίμου
Η νέα συστοιχία κυψελών καυσίμου της Toyota και ο μετατροπέας ενέργειας κυψελών καυσίμου (FCPC) εξελίχθηκαν ειδικά σε συνάρτηση με την πλατφόρμα GA-L. Οι σχεδιαστές κατάφεραν να συγκεντρώσουν όλα τα εξαρτήματα στο πλαίσιο κυψελών (μεταξύ των οποίων αντλίες νερού και ανακυκλοφορίας υδρογόνου, intercooler, συμπιεστές A/C και αέρα) ενώ το κάθε εξάρτημα είναι μικρότερο και ελαφρύτερο, έχοντας ταυτόχρονα βελτιωθεί ως προς την απόδοση. Η ίδια η συστοιχία έχει γίνει μικρότερη με τη χρήση της Friction Stir Welding (Τεχνική συγκόλλησης τριβής μέσω ανάδευσης), που μειώνει το κενό μεταξύ της κυψέλης καυσίμου και του κελύφους.
Η συστοιχία κυψελών καυσίμου χρησιμοποιεί ένα στερεό πολυμερές, όπως στο τρέχον Mirai, αλλά οι διαστάσεις της έχουν μειωθεί και περιλαμβάνει λιγότερες κυψέλες (330 αντί 370). Παρ’ όλα αυτά, θέτει νέο ρεκόρ πυκνότητας ειδικής ισχύος στα 5,4 kW/l (εξαιρουμένων των τελικών πλακών). Επομένως, η μέγιστη ισχύς έχει αυξηθεί από 114 kW σε 128 kW. Οι επιδόσεις σε χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες έχουν βελτιωθεί με δυνατότητα εκκίνησης ακόμα και στους -30˚.
Συγκεντρώνοντας όλες τις συνδέσεις του συστήματος στο κέλυφος, χρειάζονται λιγότερα εξαρτήματα, που σημαίνει εξοικονόμηση βάρους και χώρου.
Η εφαρμογή καινοτομιών και η βελτίωση του κάθε εξαρτήματος έχει ως αποτέλεσμα μείωση βάρους 50% αλλά και την αύξηση της ισχύος 12%. Ανάμεσα στα νέα μέτρα είναι η νέα θέση της συστοιχίας, η μείωση του μεγέθους και του βάρους της κυψέλης με τη βελτιστοποίηση του σχήματος του διαχωριστή καναλιού αερίων και η χρήση καινοτόμων υλικών στα ηλεκτρόδια.
Η μονάδα ενσωματώνει επίσης το μετατροπέα Fuel Cell DC-DC Converter (FDC) και τα αρθρωτά εξαρτήματα υψηλής τάσης, πετυχαίνοντας μείωση μεγέθους 21% συγκριτικά με το τρέχον σύστημα. Το βάρος έχει μειωθεί κατά 2,9 kg στα 25,5 kg. Η προηγμένη τεχνολογία έχει συνεισφέρει και στην εξοικονόμηση χώρου, καθώς η Toyota χρησιμοποιεί για πρώτη φορά ημιαγωγούς από καρβίδιο του πυριτίου στα τρανζίστορ της μονάδας ισχύος – Intelligent Power Model (IPM). Αυτό επιτρέπει την αύξηση της ισχύος και τη μείωση της κατανάλωση με χρήση λιγότερων τρανζίστορ, που με τη σειρά του επέτρεψε να γίνει μικρότερο το FCPC.
Η ίδια στρατηγική μείωσης μεγέθους και βάρους εφαρμόστηκε και σε άλλα εξαρτήματα της συστοιχίας κυψελών καυσίμου (FC stack). Η εισαγωγή αέρα είναι σχεδιασμένη για μικρές απώλειες πίεσης και περιέχει ηχοαπορροφητικό υλικό ώστε ο θόρυβος από τους αεραγωγούς να μη γίνεται αντιληπτός στη καμπίνα. Η εξάτμιση είναι κατασκευασμένη από σωλήνα ρητίνης και είναι σχεδιασμένη για να επιτρέπει την απορροή μεγάλης ποσότητας αέρα και νερού. Ένα μεγαλύτερο σιλανσιέ συνεισφέρει στην απουσία θορύβων στην καμπίνα. Όλο το σύστημα εισαγωγής αέρα είναι σχεδόν 30% μικρότερο από του τρέχοντος Mirai και ελαφρύτερο (34,4%).
Μπαταρία ιόντων λιθίου
Το νέο Mirai εφοδιάζεται με μπαταρία ιόντων λιθίου υψηλής τάσης που αντικαθιστά τη μονάδα υδριδίου νικελίου μετάλλου (NiMH) του τρέχοντος μοντέλου. Αν και μικρότερη σε μέγεθος, έχει πολύ υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, αποδίδοντας υψηλότερη ισχύ, ενώ είναι πολύ πιο φιλική στο περιβάλλον. Μέσω 84 κυψελών προσφέρει ονομαστική τάση 310.8 volt αντί για 244,8, και χωρητικότητα 6,5 Ah αντί για 4.0 Ah. Το συνολικό βάρος έχει μειωθεί από 46,9 σε 44,6 kg. Η ισχύς έχει βελτιωθεί από 25,5 kW x 10sec σε 31,5 kW x 10 sec.
Οι μικρότερες διαστάσεις της μπαταρίας επέτρεψαν την τοποθέτησή της πίσω από τα πίσω καθίσματα, αποφεύγοντας τη διείσδυση στο χώρο αποσκευών. Επίσης έχει σχεδιαστεί ένα βελτιστοποιημένο κύκλωμα αερόψυξης με διακριτικές εισαγωγές στα άκρα κάθε πίσω καθίσματος.
Δυναμικές επιδόσεις
Η υιοθέτηση της πλατφόρμας GA-L για το νέο Mirai προσφέρει στο αυτοκίνητο θεμελιώδη πλεονεκτήματα, όπως χαμηλότερο κέντρο βάρους, βελτιωμένα αδρανειακά χαρακτηριστικά και πολύ αυξημένη ακαμψία αμαξώματος, τα οποία συμβάλλουν στην επίτευξη εξαιρετικά δυναμικών επιδόσεων.
Με τη μεταφορά της συστοιχίας της κυψέλης καυσίμου από την υποδαπέδια θέση της στο εμπρός τμήμα και με την τοποθέτηση της μπαταρίας και του ηλεκτροκινητήρα στο πίσω τμήμα, έχει επιτευχθεί μία ισορροπημένη κατανομή βάρους 50/50 εμπρός/πίσω, που παραπέμπει σε ευστάθεια αυτοκινήτου με κινητήρα τοποθετημένο μπροστά.
Η ακαμψία του αμαξώματος έχει αυξηθεί με στρατηγικές ενισχύσεις, την ευρύτερη χρήση δομικής κόλλας και την εκτεταμένη χρήση της τεχνικής συγκόλλησης (Laser Screw Welding).
Η νέα πλατφόρμα φέρει επίσης νέα εμπρός και πίσω ανάρτηση πολλαπλών συνδέσμων, στη θέση της προηγούμενης εμπρός ανάρτησης με γόνατα MacPherson και του πίσω ημιάκαμπτου άξονα. Αυτή η διάταξη παρέχει υψηλό επίπεδο ευστάθειας, ικανότητας ελέγχου και οδηγικής άνεσης. Επίσης χρησιμοποιούνται μεγαλύτερης διατομής αντιστρεπτικές δοκοί, ενώ η θέση των πάνω και κάτω σφαιρικών συνδέσμων έχει βελτιωθεί όπως και η συνολική ακαμψία της ανάρτησης, προσδίδοντας ταχύτερη απόκριση και σταθερότητα.
Περαιτέρω οφέλη επιτυγχάνονται από τη χρήση μεγαλύτερων τροχών και ελαστικών στο νέο Mirai. Οι τροχοί 19 και 20 ιντσών φοράνε ελαστικά 235/55 R19 και 245/45 R20 αντίστοιχα, με χαμηλή αντίσταση κύλισης και πιο αθόρυβη λειτουργία, συνεισφέροντας στη μείωση της κατανάλωσης, στη βελτίωση της οδικής συμπεριφοράς και της ευστάθειας και στον μείωση της μεταφοράς θορύβου στην καμπίνας. Η χρήση ζαντών και ελαστικών μεγαλύτερης διαμέτρου εξασφάλισε τις προϋποθέσεις χώρου για την εγκατάσταση τριών ρεζερβουάρ υδρογόνου.
Καθαρισμός του ατμοσφαιρικού αέρα κατά τη διάρκεια της οδήγησης
Το περιβαλλοντικό όφελος από την οδήγηση του Toyota Mirai δεν περιορίζεται στους μηδενικούς ρύπους … αλλά φτάνει στους ‘αρνητικούς ρύπους’ – το αυτοκίνητο καθαρίζει αποτελεσματικά το ατμοσφαιρικό αέρα ενώ κινείται.
Πρόκειται για καινοτομία της Toyota, και αφορά την ενσωμάτωση ενός καταλυτικού φίλτρου στην εισαγωγή αέρα. Καθώς ο αέρας εισέρχεται στο όχημα για να διοχετευθεί στην κυψέλη καυσίμου, ένα ηλεκτρικό φορτίο στο ύφασμα του φίλτρου αέρα συγκρατεί τα μικροσκοπικά σωματίδια των ρύπων, όπως διοξείδιο του θείου (SO2), οξείδια του αζώτου (NOx) και μικροσωματίδια PM 2.5. Το σύστημα είναι αποτελεσματικό, απομακρύνοντας το 90–100% των σωματιδίων διαμέτρου 0–2,5PM από τον αέρα που τροφοδοτείται στο σύστημα κυψελών καυσίμου.
Στόχος, η δεκαπλάσια αύξηση των πωλήσεων
Με το λανσάρισμα του νέου Mirai η Toyota στοχεύει σε περαιτέρω διείσδυση στην αγορά με 10πλάσια αύξηση του όγκου πωλήσεων. Σε αυτό θα βοηθήσουν οι ισχυρότερες επιδόσεις και η μεγαλύτερη απήχηση του μοντέλου στους πελάτες, και πρωτίστως η ανταγωνιστική τιμή του που έχει μειωθεί κατά 20% περίπου.
Όσοι ενδιαφέρονται για την απόκτηση ενός υδρογονοκίνητου μοντέλου FCEV δεν χρειάζεται να ανησυχούν για θέματα πρακτικότητας ή λειτουργικότητας, καθώς οι αγορές βελτιώνουν τις υποδομές, ο αριθμός πρατηρίων ανεφοδιασμού αυξάνεται και οι Κυβερνήσεις και οι τοπικοί φορείς εισάγουν νέα κίνητρα και κανονισμούς για πιο καθαρή μετακίνηση.
