Vodíková Toyota Mirai novej generácie: Dojazd 650 km a nový atraktívny vzhľad

Toyota Mirai novej generácie posúva technológiu elektromobilov na palivové články na vyššiu úroveň. Prináša viac dynamiky, moderného štylistického stvárnenia a lepšie jazdné vlastnosti. Vďaka od základu prepracovanému systému palivových článkov, chytrému obstavaniu priestoru a aerodynamike sa podarilo predĺžiť jazdný dosah približne na 650 km, pričom vozidlo neprodukuje iné emisie ako čistú vodu.

Toyota vníma vodík ako životaschopný zdroj na efektívnu dopravu a ukladanie energie. Má potenciál sprostredkovať mobilitu s nulovými uhlíkovými emisiami. A nielen pre cestné vozidlá, ale i vlaky, lode a lietadlá, ako aj generovať energiu pre potreby priemyslu, firiem či domácností. Zároveň ponúka efektívny spôsob ukladania obnoviteľnej energie a jej prepravu na miesta, kde je práve potrebná.

S vývojom elektromobilu na vodíkové palivové články začala Toyota v roku 1992 a v roku 2014 na svetové trhy úspešne uviedla sedan Mirai. Tento prelomový výsledok bol postavený na špičkových skúsenostiach Toyoty na poli vodíkových technológií, ktoré sú kľúčom k najrôznejším hnacím ústrojenstvám elektrifikovaných vozidiel.

Toyota úspešne upravila svoju základnú koncepciu hybridného pohonu na účel výroby hybridných elektrických vozidiel (HEV), plug-in hybridov (PHEV), batériových elektromobilov (BEV) a – počínajúc modelom Mirai – elektromobilov na palivové články (FCEV).

Každý z týchto typov disponuje kvalitami a vlastnosťami, ktoré zohľadňujú rôzne požiadavky na mobilitu. Napríklad elektromobily s batériovým pohonom sú vhodné na dochádzanie na kratšie vzdialenosti a jazdu po meste, hybridy a plug-in hybridy všeobecne na cestovanie osobnými automobilmi na dlhšiu vzdialenosť a typ FCEV je vhodný pre väčšie a ťažšie osobné automobily, nákladné vozidlá a verejnú dopravu.

Posun vpred: výkon aj dizajn

Prioritou bolo predĺžiť jazdný dosah oproti modelu prvej generácie, resp. nad úroveň typicky vykazovanú elektromobilmi s batériovým pohonom. K predĺženiu dojazdu o 30 % na cca 650 km napomohlo zvýšenie výkonu spoločne so zväčšením kapacity zásobníkov na vodík, znížením spotreby a zlepšením aerodynamiky. Nová Toyota Mirai tak dokáže prekonávať aj dlhé vzdialenosti bez obáv z krátkeho dojazdu.

Nová Toyota Mirai je postavená na modulárnej podvozkovej platforme Toyota GA-L so znateľne lepším obstavaním priestoru. Vďaka efektívnejšiemu a vyváženému usporiadaniu nového hnacieho ústrojenstva FCEV – najmä presunutiu súpravy palivových článkov z priestoru pod kabínou do prednej časti vozidla – bolo možné vytvoriť priestornejšiu päťmiestnu kabínu s nárastom miesta pre nohy zadných pasažierov.

Mirai sa tiež pýši atraktívnejšími vonkajšími proporciami: vozidlo sa celkovo znížilo o 65 mm na 1 470 mm a súčasne sa o 140 mm natiahol rázvor náprav (na 2 920 mm). Predĺžením zadného previsu karosérie o 85 mm narástla celková dĺžka vozidla na 4 975 mm. Zväčšenie rozchodu kolies o 75 mm a použitie väčších kolies (19 alebo 20 palcov) novej Toyoty Mirai prinieslo dynamickejší postoj a opticky nižšie ťažisko.

Jedným z hlavných cieľov novej Toyoty Mirai bolo vytvoriť vozidlo, ktoré zaujme nielen ekologickými parametrami, ale aj svojím vzhľadom a tým, ako jazdí. K tomu napomohla nová podvozková platforma GA-L a pokroky technológie FCEV od Toyoty.

Podvozková platforma GA-L

Vďaka platforme GA-L bolo možné zmeniť zástavbu súpravy palivových článkov a súčastí hnacieho ústrojenstva v prospech efektívnejšieho využitia priestoru. Výsledkom je priestornejšia päťmiestna kabína a lepšie vyváženie podvozka. Pravdepodobne najdôležitejšia je možnosť zabudovať hneď tri vysokotlakové zásobníky vodíka, a tým zvýšiť objem paliva a jazdný dosah vozidla – o plných 30 %.

Zásobníky sú usporiadané do tvaru písmena T – najdlhší je pozdĺžne uprostred pod podlahou vozidla, dva menšie zásobníky sú priečne pod zadnými sedadlami a batožinovým priestorom. Nádrže dohromady pojmú 5,6 kg vodíkového paliva (dvojica zásobníkov súčasnej Toyoty Mirai iba 4,6 kg). Umiestnenie zásobníkov napomohlo znížiť ťažisko vozidla bez zasahovania do priestoru pre batožinu.

Nová architektúra tiež umožnila presunúť úplne nový vodíkový palivový článok z priestoru pod podlahou do prednej časti vozidla (kde je typicky motorový priestor), zatiaľ čo kompaktnejšia vysokonapäťová batéria spoločne s elektromotorom si našla miesto nad zadnou nápravou. Ako je vysvetlené nižšie, vďaka optimálnemu usporiadaniu hnacieho reťazca sa nová Toyota môže pochváliť rozložením hmotnosti medzi prednou a zadnou nápravou v pomere 50:50.

Zásobníky využívajú pevnejšiu viacvrstvovú konštrukciu a vykazujú vysokú efektivitu z hľadiska hmotnosti – podiel vodíka na celkovej hmotnosti paliva a zásobníkov činí 6 %.

Nová súprava palivových článkov

Špeciálne pre nasadenie na platforme GA-L vyvinula Toyota novú súpravu palivových článkov spoločne s meničom energie palivových článkov (FCPC). Všetky potrebné prvky dokázali konštruktéri spojiť do jediného bloku (vrátane vodných čerpadiel, medzichladiča, klimatizácie, vzduchových kompresorov a vodíkového recirkulačného čerpadla). Všetky súčasti sú teraz menšie a ľahšie, čo sa zároveň odrazilo v lepších výkonových schopnostiach. K zmenšeniu samotného puzdra súpravy článkov napomohla technológia tzv. trecieho zvárania premiešaním (TSW) s cieľom zmenšiť medzeru medzi palivovým článkom a vonkajším puzdrom.

Súprava palivových článkov využíva rovnako ako v doterajšej Mirai tuhý polymérový elektrolyt, po novom je však menšia a obsahuje menší počet článkov (330 namiesto 370). Napriek tomu však vykazuje rekordne vysokú mernú energetickú hustotu na úrovni 5,4 kW/l (ak nepočítame koncové dosky). Maximum výkonu tak narástlo zo 114 na 128 kW. Zlepšenie sa týka aj schopnosti prevádzky za mrazivých teplôt – naštartovať vozidlo je teraz možné už od -30 °C.

Keďže sú systémové pripojenia koncentrované do jediného puzdra, je potrebných menej komponentov, čo opäť znamená úsporu miesta aj hmotnosti.

Zameranie na inovácie a zlepšenie každej jednotlivej súčasti prinieslo 50 % pokles hmotnosti, avšak pri súčasnom náraste výkonu o 12 %. Z nových prijatých opatrení spomeňme premiestnenie zberného potrubia, zmenšenie rozmerov a hmotnosti článkov, optimalizáciu tvaru priečky kanála vedenia plynu a použitie pokrokových materiálov elektród.

Súčasťou jednotky je tiež DC-DC menič palivových článkov (FDC) a modulárne vysokonapäťové súčasti, pričom v porovnaní s doterajším systémom sa podarilo zmenšiť rozmery o 21 %. Hmotnosť poklesla o 2,9 kg na 25,5 kg. Za úsporou miesta stoja vyspelé technológie – v tranzistoroch inteligentného výkonového modulu (IPM) Toyota vôbec po prvýkrát použila polovodičový materiál novej generácie na báze karbidu kremíka. To sa odrazilo v náraste výkonu, znížení spotreby energie a znížení počtu tranzistorov, a teda aj zmenšení meniča FCPC.

Rovnaký prístup zameraný na zmenšovanie rozmerov a úspory hmotnosti sa týka ďalších súčastí súpravy palivových článkov. Konštrukcia prívodu vzduchu znižuje kompresné straty a obsahuje akusticky pohltivé materiály, aby v kabíne nebolo možné postrehnúť hluk nasávania. Na výstupe vzduchu sa zasa používajú kanály zo syntetickej živice, pričom konštrukcia umožňuje odvod veľkého množstva vzduchu a vody, zatiaľ čo k zníženiu hlučnosti v kabíne napomáha veľkokapacitný tlmič. Systém vedenia vzduchu ako celok je bezmála o 30 % menší ako v doterajšej Toyote Mirai a viac než o tretinu (34,4 %) ľahší.

Lítium-iónová batéria

Nová Mirai používa vysokonapäťovú lítium-iónovú batériu, ktorá nahrádza batériu typu NiMH súčasného modelu. Vďaka vyššej energetickej hustote aj napriek menším rozmerom vykazuje vyšší výkon a lepšie ekologické parametre. Modul obsahujúci 84 článkov ponúka menovité napätie 310,8 V a kapacitu 4,0 Ah (predchodca 244,8 V, resp. 6,5 Ah). Celková hmotnosť poklesla zo 46,9 na 44,6 kg. Výkon sa posilnil z 25,5 kW x 10 sekúnd na 31,5 kW x 10 sekúnd.

Menšie rozmery batérie dovoľujú zástavbu za zadné sedadlá bez zasahovania do batožinového priestoru. Optimalizácia sa týka aj vedenia chladiaceho vzduchu s nenápadnými vstupnými otvormi po oboch stranách zadných sedadiel.

Dynamické jazdné schopnosti

Nová Toyota Mirai vďaka podvozkovej platforme GA-L ťaží z výhod v podobe nižšieho ťažiska, lepších charakteristík zotrvačnosti a výrazne vyššej tuhosti karosérie, čo sa súhrnne odráža vo veľmi dobrých dynamických schopnostiach vozidla.

Po presunutí súpravy palivových článkov z priestoru pod podlahou do prednej časti vozidla, resp. batérie a elektromotora dozadu, sa vozidlo pýši rozložením hmotnosti medzi nápravami v pomere 50:50 v prospech stability, pripomínajúcim koncepciu s motorom umiestneným vpredu.

K zvýšeniu tuhosti karosérie prispeli strategicky rozmiestnené podpery a výstuhy, ako aj širšie použitie lepených karosárskych spojov a spojovanie laserom s húsenicovými zvarmi.

Súčasťou novej platformy je tiež nové predné aj zadné zavesenie typu multilink namiesto predtým používaných vzpier typu McPherson vpredu, resp. torzných priečok na zadnej náprave. Uvedená konfigurácia dodáva vozidlu vysokú úroveň stability, ovládateľnosti a jazdného pohodlia. Konkrétne ide o použitie silnejších stabilizátorov, optimálne umiestnenie guľových kĺbov horných aj dolných vodiacich ramien a celkovo vysokú tuhosť zavesenia v prospech dobrej spätnej väzby a stability.

Prínosom je aj použitie väčších kolies a pneumatík novej Toyoty Mirai. Na kolesách veľkosti 19 a 20" sú obuté pneumatiky s rozmermi 235/55 R19, resp. 245/45 R20, vykazujúce nízky valivý odpor a tichý chod, čo sa odrazilo v lepšej spotrebe paliva, kvalitách jazdného správania, stabilite a tichom prostredí v kabíne. Použitie kolies a pneumatík s väčším priemerom pomáha zaistiť potrebný priestor pre trojicu nových zásobníkov na vodíkové palivo.

K lepšej ovládateľnosti a stabilite, resp. k predĺženiu dojazdovej vzdialenosti, prispieva aj lepšia aerodynamika vozidla s nižšou líniou strechy, úplným zakrytím spodku a nižším súčiniteľom aerodynamického odporu.

Ďalšiu výhodou novej Toyoty Mirai je lepší jazdný charakter. Vyšší výkon sprostredkovaný novou súpravou palivových článkov a batériou znamená hladký a lineárny rozjazd z miesta, rovnako ako zrýchľovanie zladené s uhlom zošliapnutia akceleračného pedála. Jazda v prevádzke mimo mesta sa vyznačuje uvoľneným charakterom a vynikajúcou spätnou väzbou pri všetkých rýchlostiach. Vyvážený postoj novej Toyoty Mirai v kombinácii s agilným zrýchľovaním možno naplno využiť pri zdolávaní zákrut a serpentín.

Vozidlo schopné čistiť vzduch počas jazdy

Prínosy Toyoty Mirai z pohľadu ekológie dokonca prekračujú požiadavku nulových emisií až na úroveň negatívnych emisií – vozidlo počas jazdy fakticky vzduch čistí.

Do systému nasávania vzduchu je totiž zabudovaný katalyzátorový filter, ktorý je ďalšou z inovácií od Toyoty. Vozidlo nasáva vzduch pre potreby palivového článku, pričom elektrický náboj na filtračnej vložke z netkanej textílie zachytáva mikroskopické častice nečistôt vrátane oxidu siričitého (SO2), oxidu dusného (NOx) a pevných častíc PM 2.5. Systém dosahuje takú účinnosť, že zo vzduchu prúdiaceho do systému palivových článkov odstraňuje 90 až 100 % častíc s priemerom do 2,5 mikrometra.

Plán zvýšiť predaj na desaťnásobok

Uvedením novej generácie Mirai chce Toyota dosiahnuť hlbšiu penetráciu na trhu s desaťnásobným zvýšením predajného objemu. K tomuto rastu napomôžu lepšie jazdné schopnosti a väčšia atraktivita modelu z pohľadu zákazníkov, ako aj dostupnejšia cenovka vozidla (predajná cena poklesla cca o 20 %).

Praktickosť vozidiel typu FCEV poháňaných vodíkom bude tiež postupne rásť s rozširovaním vodíkovej infraštruktúry na jednotlivých trhoch, pretože počet vodíkových čerpacích staníc stále rastie v súvislosti s tým, ako národné vlády spoločne s miestnymi samosprávami predstavujú nové stimuly a regulácie súvisiace s čistejšou mobilitou.