Toyota Mirai nové generace posouvá technologii elektromobilů na palivové články na vyšší úroveň. Přináší více dynamiky, moderního stylistického ztvárnění a lepší jízdní vlastnosti. Díky od základu přepracovanému systému palivových článků, chytrému obestavění prostoru a aerodynamice se podařilo prodloužit jízdní dosah přibližně na 650 km, přičemž vozidlo neprodukuje jiné emise než čistou vodu.
Toyota vnímá vodík jako životaschopný zdroj pro efektivní dopravu a ukládání energie. Má potenciál zprostředkovat mobilitu s nulovými uhlíkovými emisemi. A nejen pro silniční vozidla, ale i vlaky, lodě a letadla, jakožto i generovat energii pro potřeby průmyslu, firem či domácností. Zároveň nabízí efektivní způsob ukládání obnovitelné energie a její přepravu na místa, kde je právě zapotřebí.
Vývoj elektromobilu na vodíkové palivové články zahájila Toyota v roce 1992 a v roce 2014 na světové trhy úspěšně uvedla sedan Mirai. Tento průlomový výsledek byl postaven na špičkových zkušenostech Toyoty na poli vodíkových technologií, které jsou klíčem k nejrůznějším hnacím ústrojím elektrifikovaných vozidel.
Toyota úspěšně upravila svoji základní koncepci hybridního pohonu za účelem výroby hybridních elektrických vozů (HEV), plug-in hybridů (PHEV), bateriových elektromobilů (BEV) a – počínaje modelem Mirai – elektromobilů na palivové články (FCEV).
Každý z těchto typů disponuje kvalitami a vlastnostmi, které zohledňují různé požadavky na mobilitu. Například elektromobily s bateriovým pohonem jsou vhodné k dojíždění na kratší vzdálenosti a jízdu po městě; hybridy a plug-in hybridy obecně pro cestování osobními automobily na delší vzdálenost; a vozy typu FCEV pro větší a těžší osobní vozy, nákladní vozidla a veřejnou dopravu.
Posun vpřed: 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 (dvojice zásobníků současné Toyoty Mirai pouze 4,6 kg). 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. Jak je vysvětleno níže, díky optimálnímu uspořádání hnacího řetězce se nová Toyota chlubí rozložením hmotnosti mezi přední a zadní nápravou v poměru 50:50.
Zásobníky využívají pevnější vícevrstvou konstrukci a vykazují vysokou efektivitu co do hmotnosti – podíl vodíku na celkové hmotnosti paliva a zásobníků činí 6 %.
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. Ke zmenšení samotného pouzdra sady článků napomohla technologie ‚třecího svařování promíšením‘ (TSW) s cílem zmenšit mezeru mezi palivovým článkem a vnějším pouzdrem.
Sada palivových článků využívá tuhý polymerní elektrolyt, stejně jako dosavadní Mirai, ale nově je menší a obsahuje menší počet článků (330 namísto 370). I tak však vykazuje rekordně vysokou měrnou energetickou hustotu na úrovni 5,4 kW/l (nepočítáme-li koncové desky). 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.
Jelikož jsou systémová připojení koncentrována do jediného pouzdra, je zapotřebí méně komponent, což opět znamená úsporu místa i hmotnosti.
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.
Plán zvýšit prodeje na desetinásobek
Uvedením nové generace Mirai chce Toyota dosáhnout hlubší penetrace na trhu s desetinásobným zvýšením prodejních objemů. K tomuto růstu napomohou lepší jízdní schopnosti a větší atraktivita modelu z pohledu zákazníků, jakožto i dostupnější cenovka vozidla (prodejní cena poklesla cca o 20 %).
Praktičnost vozů typu FCEV poháněných vodíkem bude také postupně růst s rozšiřováním vodíkové infrastruktury na jednotlivých trzích, neboť počet vodíkových čerpacích stanic stále roste v souvislosti s tím, jak národní vlády společně s místními samosprávami představují nové pobídky a regulace související s čistší mobilitou.