tot productierijpheid geëvolueerde FC-technologie
Rijtest Toyota new Mirai
Behalve de naam en het algemeen FCEV-werkingsprincipe lijkt de tweede Mirai-generatie in niets meer op het eerste geslacht van Toyota's spectaculaire waterstofauto. Het betreft dus een compleet nieuwe auto die stijlvoller en dynamischer oogt dan zijn voorganger. Want zo wenst Toyota de emotionele aantrekkingskracht voor de onderhuidse, avant-gardismetechniek op te vijzelen. Het is vooral die technologie waarmee de nieuwe 'brandstofcel-elektrische' Mirai naar een hoger niveau getild wordt. Het zijn in hoofdzaak die technologisch educatieve upgrades en de daaruit voortvloeiende rendabele rijprestaties die in deze kennismaking de volle aandacht genieten.
De nieuwe Mirai brengt dus meer dan het emotionelere en met gemodificeerde aerodynamische proporties gekarakteriseerde uiterlijk. Want als het echt de bedoeling was van Toyota om met dat koetswerk de gevoelsmatige aantrekkelijkheid van de Mirai op te voeren, dan is men daarin zeker geslaagd.
Vandaag oogt de nieuwe Mirai zoals alle moderne, elegante en prestigieuze luxeauto's in deze executiveklasse. De Mirai is zo niet langer een op vier wielen rijdende sciencefictionmobiel waarvan de weinig gevoelsmatig gevormde contouren enkel bedoeld zijn om peperdure, experimentele en futuristische ecotechniek aan het oog van de omstaander te onttrekken of tegen regen en wind te beschermen.
Met eigentijdse styling krijgt de nieuwe Mirai dus extra emotionele affiniteit. Met een intelligente verpakking dus die onder meer dat nieuw ontworpen brandstofcelsysteem omhult en die bovendien de aerodynamische efficiëntie (en het rijbereik) ten goede komt.
Toyota en voertuigelektrificatie
Nadere studie van de onderhuidse, (nog altijd) deels experimentele, nu op een hoger niveau getilde Mirai 2-ecotechnologie illustreert dat – in diverse geëlektrificeerde ontwerpen opgedane – praktijkervaring hier een toonaangevende FCEV-basis garandeert. Toyota was met de Prius trouwens trendsetter in de hybrideaandrijving.
Die zelfladende (HEV-)hybridebasis evolueerde naar plug-inhybride- (PHEV), batterij-elektrische (BEV) en nog later in de eerste Mirai naar brandstofcel-elektrische automotive-applicaties (FCEV). In elk van deze elektrificatietoepassingen heeft Toyota expertises opgebouwd die de FCEV-technologie voor de de tweede generatie Mirai hielpen evolueren.
GA-L-platformsignificanties
Ook de nieuwe Mirai wordt voortaan gebouwd op het modulaire GA-L-platform. Een nieuwe basis die op zich al zorgde voor het assembleren van een niet meer met de vorige generatie te vergelijken ontwerp. Zo verandert het GA-L-platform deze waterstofauto van een vierzits voorwielaangedreven auto in een meer interieurruimte verschaffende achterwielaangedreven vijfzitter.
De Mirai werd dankzij die GL-A-basis ook langer (85 mm) en breder (70 mm) maar wel lager (65 mm) dan zijn voorganger. Ook de wielbasis nam toe en de spoorbreedte groeide met respectievelijk 75 mm (voor) en 60 mm (achter).
Het TNGA-L (Toyota New Global Architecture) modulaire autoplatform ondersteunt voertuigen in het E- (Executive), F- (Full-Size) of S-segment (Grand Tourer). Het GA-L-platform is bestemd voor zowel achter- als voorwielaangedreven modellen en bestemd om voorin in lengterichting gemonteerde krachtbronnen onder te brengen. Dit platform vervangt het oudere N-platform en het wordt – naast de nieuwe Mirai – ook gebruikt door de Toyota Crown Sedan alsook de Lexus LC & LS.
Dankzij het GA-L-platform kon men in de nieuwe Mirai de locatie en verpakking van brandstofcel(stack) en de aandrijfonderdelen anders oriënteren. Wat in het streven naar meer ruimte in de passagierskooi vooral heeft geleid tot een competentere benutting van de technische ruimte, maar – niet onbelangrijk – ook tot een veel betere gewichtsverdeling en bijgevolg een efficiëntere chassisbalans.
Waterstoftanks in T-configuratie
Nog een GA-L-significantie voor de nieuwe Mirai is de bijkomende mogelijkheid tot het onderbrengen van drie hogedrukwaterstoftanks. De H2-opslagcapaciteit kon zo met 30% worden opgevoerd zodat ook het rijbereik toenam.
Deze tanks – waarvan de wanden bestaan uit een 4,5 cm dikke en brandwerende glasvezelbehuizing – worden gevuld met H2 onder een druk van 700 bar. De tanks zijn uitgerust met leksensoren en noodstopventielen. De drie tanks worden in het voertuig geïntegreerd in "T"-configuratie. Eén – de grootste – centraal in lengterichting onder de vloer. De twee kleinere tanks dwars onder de achterbank en deels in de kofferruimte.
Opstelling van deze tanks in T-configuratie draagt bij tot een beter verspreide gewichtsverdeling en tot een zich lager situerend zwaartepunt. Samen kunnen ze 5,6 kg H2 stockeren. 1 kg meer dus dan de oude Mirai in zijn twee tanks kon opslaan.
Het GA-L-platform en de gewijzigde architectuur van de driedelige waterstofopslag maakten het verder mogelijk om de nieuw ontworpen waterstofbrandstofcelstack te verhuizen naar die plaats waar 'vermogensontwikkeling' thuishoort. Lees: onder de motorkap. Daar waar in de eerste Mirai die brandstofcellen nog onder de vloer staken.
Verder werden de compactere hoogspanningsaccu en de e-motor nu boven de achteras gemonteerd. Of hoe de lay-out van de grondig geoptimaliseerde Mirai 2-aandrijflijn ook kan bijdragen tot die ideale 50/50-gewichtsverdeling.
– zeker als H2 in koude verbranding moet omgezet worden in elektrische stroom – een dure aangelegenheid blijft.
Maar de Toyota Mirai bewijst dat deze technologie snel evolueert en met de dag volwassener wordt
Nieuwe FC-stack- & FC-omvormerontwerpen
Ook de brandstofcelstack (FC) en brandstofcelomvormer (FCPC) werden opnieuw ontwikkeld voor een efficiëntere integratie in het GA-L-platform. Alle elementen werden daartoe ondergebracht in een nieuw en compacter uitgevoerd stapeldraagstel.
We denken daarbij aan de waterpompen, intercooler, airconditioning, luchtcompressoren en H2-recirculatiepomp die als elk onderdeel in dat draagstel compacter en lichter in gewicht werden gemaakt en waarvan de prestaties werden opgevoerd. Het complete draagstel op zich is dus kleiner geworden, ook al omdat de opening tussen brandstofcel en buitenbehuizing geringer werd.
Compactere samenstelling van die FC-stack maakte het mede mogelijk om dat geheel naar de 'motorruimte' te verhuizen. Daar waar in de vorige Mirai die FC-stapel nog onder de voorstoel te vinden was.
COMPACTER EN MINDER WEGEND FC-LUCHTSYSTEEM
Ruimte- en gewichtsbesparende maatregelen werden ook getroffen met betrekking tot de FC-stackluchtinlaat. Zodanig ontworpen om de drukverliezen te beperken. Met gebruik in de Mirai 2 van geluidsabsorberende materialen om het fluitende geluid van die luchtinlaten in de passagiersruimte te onderdrukken. Bovendien gebruikt de FC-stackuitlaat een harspijp die grote hoeveelheden lucht en water kan afvoeren. Ook hier wordt voorzien in extra geluidsdemping die moet bijdragen tot een (nog) stiller passagierscompartiment. Nog dit: ook dit complete luchtsysteem werd 30% compacter dan in de vorige Mirai en weegt bovendien een derde (34,4%) minder.
Zoals in de vorige Mirai blijft Toyota voor de brandstofcelstapel ook hier vast polymeer gebruiken. Wel is het geheel compacter omdat er minder cellen worden samengevoegd (330 in plaats van 370). Het gewicht kon zo van 56 naar 52 kg worden teruggebracht.
Opvallend is wel dat compactheid en gewichtsverlaging niet hebben geleid tot prestatievermindering. Dit mede dankzij een hergepositioneerd spruitstuk, een geoptimaliseerde vorm van de gaskanaalscheider en – zoals dat ook in moderne baterijtoepassingen gebeurt – het gebruik van innovatieve materialen voor de samenstelling van de FC-elektroden.
De specifieke vermogensdichtheid bedraagt nu 5,4 kW/l tegen 4,4 kW/l in de eerste Mirai. Waardoor het maximumvermogen van deze FC-stack toenam tot 174 pk/128 kW. Tegen 155 pk/114 kW voorheen. Bovendien wordt de koudstart voortaan gegarandeerd bij omgevingstemperaturen tot -30 °C.
Toyota's eerste gebruik van Intelligent Power Modules (IPM)
In de FC-unit zit de Fuel Cell DC-DC-converter (FDC) geïntegreerd alsook de modulaire hoogspanningscomponenten. Ook de gezamenlijke omvang van die componenten werd compacter (reductie van 21%) in vergelijking met wat we in de Mirai 1 vinden. Het gewicht daarvan daalde met zowat 3 kg en bedraagt nog 25,5 kg.
Tot die compactheid en gewichtsverlaging werd in hoofdzaak bijgedragen door geavanceerde technologie. Lees: vooral bijdetijdse elektronica. De hiermee bereikte ruimtebesparing dankt Toyota aan zijn eerste toepassing van een volgende generatie siliciumcarbidehalfgeleiders in de Intelligent Power Module (IPM) Transistors (zie randstuk).
Een in automotive in opgang zijnde halfgeleidertoepassing die verbeterde prestaties bij lager stroomverbruik mogelijk maakt. Opvallend toch dat daarvoor uiteindelijk minder transistoren nodig zijn waardoor die FCPC-omvormers ook compacter geassembleerd kunnen worden.
I(NTELLIGENT) P(OWER) M(ODULE)
IPM staat voor Intelligent Power Module. Een IPM is dus een module die een 3-fasig omvormercircuit bestaande uit geïntegreerde controlestroomketens, stuurcircuits en beveiligingscircuits bevat. Een IPM bestaat dus niet alleen uit een aantal geïntegreerde vermogenstransistors, maar ook uit de respectievelijke aandrijf- en beveiligingsstroomketens. In automotivetoepassingen maken dergelijke IPM's het ontwerp van perifere stroomketens eenvoudiger dan met conventionele IGBT-modules die externe stuurcircuits moeten aansturen. En IGBT stond – en staat nog steeds – voor Insulated Gate Bipolar Transistor. Lees: (geïsoleerd staande) bipolaire vermogenstransistor.
Lithiumion-hoogspanningsbatterij
Reed de vorige Mirai nog met een elektrische energieopslag van het type nikkelmetaalhydride, dan krijgt de nieuwe een lithiumionhoogspanningsbatterij gemonteerd. Compacter maar omwille van een hogere energiedichtheid toch goed voor een hogere output.
Met 84 cellen loopt de nominale spanning op tot 310,8 volt, wat in vergelijking met de vorige NiMH-unit (244,8 V) aanmerkelijk hoger is. Het totale gewicht is daarbij gezakt van 46,9 naar 44,6 kg. Het piekvermogen nam dan weer toe van 25,5 kW x 10 seconden (NiMH) naar 31,5 kW x 10 seconden met de nieuwe lithiumionbatterij.
Deze compacter geworden batterij wordt gemonteerd achter de achterbank. Wat maakt dat samen met de twee kleine H2-opslagtanks een behoorlijk deel van de Mirai-kofferruimte wordt opgeofferd aan 'energieopslag'. Dit ten koste van bagageruimte. Want als er iets is waaraan deze Mirai wel gebrek heeft, dan is dat koffervolume.
Rijindrukken
De Mirai is niet alleen knapper geworden. Hij is ook groter en het interieur verschaft duidelijk meer levensruimte. Jammer dus van die – voor een auto met deze buitenafmetingen – toch krappe kofferruimte.
Ook rijden doet hij helemaal anders dan zijn voorganger. De breder klauwende voor- en achterwielspreidstand, langere wielbasis, het lager gesitueerd zwaartepunt en de ideale gewichtsverdeling tussen voor- en achteras vertalen zich in een neutralere (dan Mirai 1) en bijzonder rigide wegligging. Voor datgene wat we ons uit ritten met de eerste, op de voorwielen aangedreven Mirai nog herinneren …
Dan is de achterwielaangedreven opvolger er qua rijgedrag – mede dankzij het GA-L-platform en de multilinkophanging voor en achter – behoorlijk op vooruitgegaan. Niet in het minst wat veercomfort betreft. Want de nieuwe Mirai compenseert elke wegoneffenheid met de effectiviteit van een geavanceerde luchtvering.
het lager gesitueerd zwaartepunt en een ideale gewichtsverdeling tussen voor- en achteras, demonstreert de nieuwe Mirai een neutralere en rigide wegligging
Hoeft het nog te verbazen dat er voortdurend een oorverdovende stilte heerst in deze comfortabele en aangenaam te rijden Mirai. Waar we de vorige generatie nog konden betrappen op fluittonen, een pompgeluidje links en een ventilatorgezoem rechts, is de Mirai 2 er ook op dit gebied flink op vooruitgegaan.
Dat we in de Mirai 2 (nog) minder te horen krijgen, valt voor een deel toe te schrijven aan het feit dat de energiecentrale niet langer onder de voorstoel steekt maar wel naar het motorcompartiment verhuisde. En ook omdat Toyota enkele doordachte ingrepen doorvoerde aan het FC-luchtsysteem teneinde de FC-technologie nog geluidsvriendelijker te doen functioneren.
Met 182 pk en 300 Nm aan werklust die spontaan op de achterwielen wordt losgelaten, heeft de nieuwe Mirai duidelijk meer prestige onder de krent dan zijn voorganger. Niet dat hij met een tijd van 9 seconden om vanuit stilstand naar 100 km/u te snellen, als waterstofauto al acceleratierecords gaat zetten. Maar samen met die ruim voldoende topsnelheid van 180 km/u kan men evenmin stellen dat de Mirai 2 ondermaats zou presteren.
Zuiniger
De nieuwe Toyota Mirai springt ook efficiënter om met de meegevoerde voorraad energie. Want alle energie die vrijkomt tijdens het remmen, uitrollen of bergafwaarts rijden wordt effectiever opgeslagen in een lithiumionhoogspanningsbatterij waaruit gerecupereerd wordt van zodra het voertuig vraagt om extra energie indien die niet meteen door de brandstofcel kan geleverd worden.
Waterstof rijden en rijbereik? Toen we de eerste Mirai reden, bevonden zich binnen een straal van 70 km omheen onze woonplaats drie H2-tankmogelijkheden. Vandaag – bijna tien jaar later – zijn dat nog altijd die drie tankfaciliteiten. Het blijft dus het grootste waterstofprobleem.
Wat jammer is, omdat het een schaduw werpt over de te lauweren initiatieven die Toyota (zoals Honda en Hyundai) onderneemt om H2-gepowerde personenwagens te ontwikkelen. Maar zelfs dat blijvend gebrek aan tankfaciliteit mag en kan geen afbreuk doen aan de technologisch gerijpte kwaliteiten van de Mirai 2.
anders kunnen oriënteren. Wat resulteerde in een ruimere passagierskooi, een competentere benutting van de technische ruimte en een veel betere gewichtsverdeling
Diens rijbereik is – mede dankzij extra tankinhoud – fors toegenomen en daarbij consumeert de verder ontwikkelde FC-technologie ook minder waterstof. Volgens Toyota is zijn rijbereik gestegen van 500 naar 650 km. Dit bij een opgegeven gemiddeld (Test Energy Low-)energieverbruik van 0,76 kg H2/100 km.
Wij noteerden een hoger gemiddelde: 1,19 kg H2/100 km. Of hoe wij met de drie tanks gevuld makkelijk 470 km ver geraakten. Verder dus dan we destijds met de Mirai 1 waterstofzeilend tussen de tankmogelijkheden van Zaventem en de dichtstbijzijnde H2-pomp in Helmond (NL) afhaspelden.
De nieuwe FC-technologie werd dus efficiënter en de energierecuperatie effectiever. Energierecuperatie van het soort zoals we die in diverse Toyota's steeds zagen verbeteren. Want 'zelfladende hybrides' is en blijft een discipline waarin Toyota zich al decennia heer en meester toont. En ook dat wordt in deze Mirai andermaal bewezen.
Conclusie
Het tanken van waterstof blijft voor problemen zorgen. Komt daarbij dat rijden op waterstof – in deze op H2 die in koude verbranding in een brandstofcel in elektrische stroom wordt omgezet – een dure aangelegenheid blijft. Maar de technologie evolueert en bewijst dat ze met de dag volwassener wordt.
In het geval van de Mirai 2 wordt de emotionele aantrekkingskracht voor dat waterstofrijden alvast extra opgevijzeld. Dankzij smaakvolle eigentijdse styling, een raisonnabeler rijbereik en prestaties die er best mogen zijn. De nieuwe Toyota Mirai leert dat men bij Toyota blijft geloven in waterstof. Zoals ze hun vorige talloze – hoofdzakelijk deeltijds elektrische – concepten tot een gereputeerde technologie lieten evolueren, zo ook willen ze dat met de de waterstofaandrijving doen.
Wie het geluk had om de nieuwe Mirai te rijden, zal het met ons eens moeten zijn: wat tien jaar geleden nog een stoute droom was, evolueerde naar technologische volwassenheid. Het gedurfde concept van weleer is productierijp geworden.
