Elektromobily s bateriovým pohonem (BEV) jsou vhodné k dojíždění na kratší vzdálenosti a jízdu po městě, hybridy (HEV) a plug-in hybridy (PHEV) obecně pro cestování osobními automobily na delší vzdálenost a „vodíkové“ vozy s palivovými články vyrábějícími elektrickou energii (FCEV) pro větší a těžší osobní vozy, nákladní vozidla a veřejnou dopravu.
Právě posledně jmenovaná technologie FCEV je považována za technologii budoucnosti. Z pohledu ekologie Fuel Cell Electric Vehicles - vozidla poháněná elektrickým proudem vyrobeným v palivovém článku z vodíku překračují požadavek nulových emisí až na úroveň „negativních emisí“. Vozidlo během jízdy de facto čistí vzduch.
Jejich celková ekologičnost ovšem závisí na způsobu výroby vodíku a určení pro větší osobní vozidla, užitková a nákladní, popř. pro lodní dopravu zdůvodňuje Toyota většími rozměry, složitostí a hmotnosti celé soustavy. Ta k technologii bateriového elektrovozu (BEV) přidává vysokotlaké nádrže na vodík a palivový článek Fuel Cell vyrábějící elektrický proud.
Toyota však chce uspět s vodíkovým pohonem i u osobních automobilů a tak přepracovala první generaci vozidla Mirai a nová generace se chlubí dojezdem 650 km na jedno natankování a má velmi atraktivní vzhled, přičemž vozidlo neprodukuje jiné emise než čistou vodu.
Tohoto výsledku bylo dosaženo díky od základu přepracovanému systému palivových článků, chytrému obestavění prostoru a vynikající aerodynamice zcela nové karoserie. Podívejme se detailně co všechno se na nové generaci Mirai díky trpělivé a soustavné vývojové práci změnilo.
Výkon i design
Prioritou bylo prodloužit jízdní dosah oproti modelu první generace, resp. nad úroveň typicky vykazovanou elektromobily s bateriovým pohonem.
K prodloužení dojezdu o 30 % na cca 650 km napomohlo zvýšení výkonu společně se zvětšením kapacity zásobníků na vodík, snížením spotřeby a zlepšením aerodynamiky. Nová Toyota Mirai tak dokáže překonávat i dlouhé vzdálenosti bez obav z krátkého dojezdu.
Nová Toyota Mirai je postavena na modulární podvozkové platformě Toyota GA-L se znatelně lepším obestavěním prostoru. Díky efektivnějšímu a vyváženému uspořádání nového hnacího ústrojí FCEV – zejména přesunutí sady palivových článků z prostoru pod kabinou na příď vozidla – bylo možné vytvořit prostornější pětimístnou kabinu s nárůstem místa pro nohy zadních pasažérů.
Mirai se rovněž chlubí atraktivnějšími vnějšími proporcemi: vozidlo se celkově snížilo o 65 mm na 1 470 mm a současně se o 140 mm protáhl rozvor náprav (na 2 920 mm). Prodloužením zadního převisu karoserie o 85 mm narostla celková délka vozidla na 4 975 mm. Zvětšení rozchodu kol o 75 mm a použití větších kol (19 nebo 20") nové Toyoty Mirai přineslo dynamičtější postoj a opticky nižší těžiště.
Jedním z hlavních cílů nové Toyoty Mirai bylo vytvořit vůz, který zaujme nejen ekologickými parametry, ale i svým vzhledem a tím, jak jezdí.
K tomu napomohla nová podvozková platforma GA-L a pokroky technologie FCEV od Toyoty.
Podvozková platforma GA-L
Díky platformě GA-L bylo možné změnit zástavbu sady palivových článků a součástí hnacího ústrojí ve prospěch efektivnějšího využití prostoru.
Výsledkem je prostornější pětimístná kabina a lepší vyvážení podvozku. Pravděpodobně nejdůležitější je možnost zabudovat hned tři vysokotlaké zásobníky vodíku, a zvýšit tak objem paliva i jízdní dosah vozidla – o plných 30 %.
Zásobníky jsou uspořádány do tvaru „T“ – nejdelší je podélně uprostřed pod podlahou vozidla, dva menší zásobníky jsou příčně pod zadními sedadly a zavazadlovým prostorem. Nádrže dohromady pojmou 5,6 kg vodíkového paliva. Umístění zásobníků napomohlo snížit těžiště vozu bez zasahování do prostoru pro zavazadla.
Nová architektura rovněž dovolila přesunout zbrusu nový vodíkový palivový článek z prostoru pod podlahou vozu na příď vozidla (kde je typicky motorový prostor), zatímco kompaktnější vysokonapěťová baterie společně s elektromotorem našla místo nad zadní nápravou.
Toyota chlubí rozložením hmotnosti mezi přední a zadní nápravou v poměru 50:50.
Nová sada palivových článků
Speciálně k nasazení na platformě GA-L vyvinula Toyota novou sadu palivových článků společně s měničem energie palivových článků (FCPC). Všechny nezbytné prvky dokázali konstruktéři spojit do jediného bloku (vč. vodních čerpadel, mezichladiče, klimatizace, vzduchových kompresorů a vodíkového recirkulačního čerpadla); všechny součásti jsou nyní menší a lehčí, což se zároveň odrazilo v lepších výkonových schopnostech.
Sada palivových článků využívá tuhý polymerní elektrolyt a obsahuje menší počet článků (330 namísto 370). I tak však vykazuje rekordně vysokou měrnou energetickou hustotu na úrovni 5,4 kW/l. Maximum výkonu tak narostlo ze 114 na 128 kW. Zlepšení se týká i schopnosti provozu za mrazivých teplot – nastartovat vůz je nyní možné již od -30 °C.
Zaměření na inovace a zlepšení každé jednotlivé součásti přineslo 50% pokles hmotnosti, avšak při současném nárůstu výkonu o 12 %. Z nově provedených opatření jmenujme přemístění sběrného potrubí, zmenšení rozměru a hmotnosti článků, optimalizaci tvaru přepážky kanálu vedení plynu a použití pokrokových materiálů elektrod.
Součástí jednotky je rovněž DC-DC měnič palivových článků (FDC) a modulární vysokonapěťové součásti; v porovnání s dosavadním systémem se podařilo zmenšit rozměry o 21 %. Hmotnost poklesla o 2,9 kg na 25,5 kg. Za úsporou místa stojí vyspělé technologie – v tranzistorech inteligentního výkonového modulu (IPM) Toyota vůbec poprvé použila polovodičový materiál nové generace na bázi karbidu křemíku. To se odrazilo v nárůstu výkonu, snížení spotřeby energie a snížení počtu tranzistorů, a tedy i zmenšení měniče FCPC.
Tentýž přístup zaměřený na zmenšování rozměrů a úspory hmotnosti se týká dalších součástí sady palivových článků. Konstrukce přívodu vzduchu snižuje kompresní ztráty a obsahuje akusticky pohltivé materiály, aby v kabině nebylo možné postřehnout hluk sání.
Na výstupu vzduchu se zase používají kanály ze syntetické pryskyřice, přičemž konstrukce umožňuje odvod velkého množství vzduchu a vody; ke snížení hlučnosti v kabině napomáhá velkokapacitní tlumič.
Systém vedení vzduchu jako celek je bezmála o 30 % menší než u dosavadní Toyoty Mirai a více než o třetinu (34,4 %) lehčí.
Lithium-iontová baterie
Nová Mirai používá vysokonapěťovou lithium-iontovou baterii, která nahrazuje baterii typu NiMH současného modelu. Díky vyšší energetické hustotě i přes menší rozměry vykazuje vyšší výkon a lepší ekologické parametry.
Modul obsahující 84 článků nabízí jmenovité napětí 310,8 V a kapacitu 4,0 Ah (předchůdce 244,8 V, resp. 6,5 Ah).
Celková hmotnost poklesla ze 46,9 na 44,6 kg. Výkon byl posílen z 25,5 kW x 10 sekund na 31,5 kW x 10 sekund.
Menší rozměry baterie dovolují zástavbu za zadní sedadla bez zasahování do zavazadelníku. Optimalizace se týká i vedení chladicího vzduchu s nenápadnými vstupními otvory po obou stranách zadních sedadel.
Dynamické jízdní schopnosti
Nová Toyota Mirai díky podvozkové platformě GA-L těží z výhod v podobě nižšího těžiště, lepších charakteristik setrvačnosti a výrazně vyšší tuhosti karoserie, což se souhrnně odráží ve velmi dobrých dynamických schopnostech vozu.
Po přesunutí sady palivových článků z prostoru pod podlahou vozidla na příď vozu, resp. baterie a elektromotoru dozadu, se vůz chlubí rozložením hmotnosti mezi nápravami v poměru 50:50 ve prospěch stability, připomínající koncepci s motorem umístěným vpředu.
Ke zvýšení tuhosti karoserie přispěly strategicky rozmístěné podpěry a výztuhy, jakožto i širší použití lepených karosářských spojů a spojování laserem s housenkovými svary.
Součástí nové platformy je rovněž nové přední i zadní zavěšení typu multilink namísto dříve používaných vzpěr typu McPherson vpředu, resp. torzních příček na zadní nápravě. Uvedená konfigurace propůjčuje vozidlu vysokou úroveň stability, ovladatelnosti a jízdního pohodlí. Jmenovitě se jedná o použití silnějších stabilizátorů, optimální umístění kulových kloubů horních i spodních vodicích ramen a celkově vysokou tuhost zavěšení ve prospěch dobré odezvy a stability.
Přínosem je i použití větších kol a pneumatik nové Toyoty Mirai. Kola o velikosti 19 a 20" obouvají pneumatiky o rozměrech 235/55 R19, resp. 245/45 R20, vykazující nízký valivý odpor a tichý chod, což se odrazilo v lepší spotřebě paliva, kvalitách jízdního chování, stabilitě a tichém prostředí v kabině. Použití kol a pneumatik o větším průměru pomáhá zajistit potřebný prostor pro trojici nových zásobníků na vodíkové palivo.
K lepší ovladatelnosti a stabilitě, resp. k prodloužení dojezdové vzdálenosti, přispívá rovněž lepší aerodynamika vozidla s nižší linií střechy, úplným zakrytováním spodku a nižším součinitelem aerodynamického odporu.
Další výhodou nové Toyoty Mirai je lepší jízdní charakter. Vyšší výkon zprostředkovaný novou sadou palivových článků a baterií znamená hladký a lineární rozjezd z místa, stejně tak jako zrychlování sladěné s úhlem sešlápnutí akceleračního pedálu.
Jízda v mimoměstském provozu se vyznačuje uvolněným charakterem a vynikající odezvou za všech rychlostí. Vyvážený postoj nové Toyoty Mirai v kombinaci s agilním zrychlováním lze naplno využít při zdolávání zatáček a serpentin.
Vůz schopný čistit vzduch za jízdy
Přínosy Toyota Mirai z pohledu ekologie dokonce překračují požadavek nulových emisí až na úroveň „negativních emisí“ – vozidlo během jízdy de facto vzduch čistí.
Do systému sání vzduchu je totiž zabudován katalyzátorový filtr, další z inovací od Toyoty. Vozidlo nasává vzduch pro potřeby palivového článku, přičemž elektrický náboj na filtrační vložce z netkané textilie zachytává mikroskopické částice nečistot vč. oxidu siřičitého (SO2), oxidu dusného (NOx) a pevných částic PM 2.5. Systém dosahuje takové účinnosti, že ze vzduchu proudícího do systému palivových článků odstraňuje 90 až 100 % částic o průměru do 2,5 mikrometru.
Realita v České republice
Provoz sebelepšího vozidla na vodíkový pohon je podmíněn vybudováním vodíkové infrastruktury. Jenom pro porovnání v České republice je přes 7 tisíc klasických čerpacích stanic, z toho cca 4 000 veřejných. Nabíjecích stanic pro elektro vozy je přes 800 a tento počet je považován vedle vysoké ceny vozidel za jeden z faktorů omezujících rozvoj elektromobility. Čerpací stanice na vodík je jediná a navíc neveřejná. Plány vystavět 3-5 vodíkových čerpacích stanic neumožní smysluplný provoz FCEV vozidel, to bychom museli hovořit o stovkách či tisíci.
Budoucnost vodíkového pohonu
Toyota je si vědoma, že infrastruktura vodíkových čerpacích stanic ve světě není ideální a rozvoj veřejných stanic potrvá roky. Proto se zaměřuje nejen na silniční vozidla, ale i vlaky, lodě, letadla a potřeby průmyslu, firem či domácností. A jde na splnění těchto cílů velmi neobvyklou a sympatickou cestou.
Toyota dává k dispozici technologii palivových článků k dispozici i svým konkurentům prostřednictvím nové společnosti Toyota Motor Europe. Zpřístupňuje tak svým obchodním partnerům technologii palivových článků a očekává, že jejich celosvětové prodeje brzy desetkrát vzrostou.
Podle globální strategie SDG (Sustainable Development Goals – cíle trvale udržitelného rozvoje) má vodík pomoci k nulovým emisím v ovzduší a ve světě je o vodíkovou technologii stále větší zájem. Technologie od Toyoty je díky své všestrannosti vhodná nejen k pohonu vozidel, ale i produkci čisté energie pro řadu dalších oblastí použití.
Již dnes pohání nákladní vozidla, flotily městských autobusů, vysokozdvižné vozíky a generátory energie. Rovněž probíhá testování této technologie k pohonu člunů a vlaků.
Ve snaze o rychlejší rozšíření vodíku do dalších oblastí se Toyota zaměří na vodíkové „klastry“ či ekosystémy v evropských centrech, kde místní infrastruktura podporuje vozové parky dopravců a služby mobility. Toyota je přesvědčena, že podobné aktivity zvýší poptávku po vodíku, sníží náklady a posílí životaschopnost infrastruktury dodávek, což by zase mělo přilákat více zákazníků.