技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES豐田汽車(Toyota Motor Corporation)是zui大的整車企業(yè)之一,創(chuàng)立已有80多年歷史,在全球五十多個(gè)國家有組裝工廠,是家汽車年銷量超過千萬的整車企業(yè)。
豐田汽車主要的內(nèi)部公司按產(chǎn)品類型和地區(qū)可分為7個(gè)子公司和2個(gè)事業(yè)部,分別為先進(jìn)技術(shù)開發(fā)公司、豐田小型車公司、中型車公司、商用車公司、雷克薩斯公司、動力總成公司和新成立的互聯(lián)汽車公司,以及負(fù)責(zé)北美、歐洲和非洲業(yè)務(wù)的事業(yè)部和負(fù)責(zé)中國,亞洲,中東和北非,東亞及大洋洲,拉丁美洲及加勒比地區(qū)的第二事業(yè)部。
一、高研發(fā)投入瞄向減排汽車
技術(shù)研發(fā)方面,豐田汽車2001財(cái)年到2017財(cái)年的研發(fā)投入平均值為0.8兆日元(約485.79億人民幣),2016財(cái)年的研發(fā)投入高,為1.06兆日元(約643.67億人民幣),研發(fā)費(fèi)用占比為3.7%。
近三年來,豐田汽車的研發(fā)費(fèi)用和研發(fā)費(fèi)用占比變化幅度不大,研發(fā)費(fèi)用維持在1兆日元以上。
豐田汽車于2015年10月14日公布了“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050”目標(biāo),提出在2050年前實(shí)現(xiàn)僅靠發(fā)動機(jī)行駛的汽車的“零”銷售。該計(jì)劃旨在提高混合動力車(HV)和燃料電池車(FCV)的比率,使新車的二氧化碳(CO2)排放量比2010年削減90%。
因此,豐田汽車近年來在新能源汽車,尤其是燃料電池汽車上投入了大量研發(fā)資金。
從長期來看,目前豐田汽車的研發(fā)開支正處于歷史高位,可以認(rèn)為豐田汽車對于科研十分重視,未來可能會有大量新能源技術(shù)和產(chǎn)品推出。
由于傳統(tǒng)電池技術(shù)的限制,豐田高層認(rèn)為燃料電池車是終ji環(huán)保車,豐田汽車近年來將其未來研發(fā)重心從技術(shù)成熟的混合動力汽車逐漸轉(zhuǎn)向燃料電池汽車。
豐田汽車于1992年便開始研發(fā)燃料電池汽車,在1996年10月發(fā)布了燃料電池汽車FCEV。
在隨后的十多年里,豐田汽車陸續(xù)推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等車型,但受制于昂貴的單價(jià)和基礎(chǔ)設(shè)施不足,該階段的燃料電池汽車沒有量產(chǎn)和商品化。
二、Mirai動力子系統(tǒng)性能指標(biāo)
2014年12月15日,豐田汽車在日本發(fā)布全球量產(chǎn)氫燃料電池汽車Mirai,Mirai是世界上投入量產(chǎn)的燃料電池汽車。
Mirai的售價(jià)為723.6萬日元(約44萬人民幣),經(jīng)政府補(bǔ)貼后,實(shí)際的售價(jià)在520萬日元左右(約31萬人民幣),上市首月的訂單達(dá)到1200輛。
目前,氫燃料的售價(jià)約為1000日元/千克,Mirai的儲氫罐可儲存5千克氫氣,加滿氫氣僅需3-5分鐘,加注后可行駛650千米,每公里的成本約為8日元(約0.49元人民幣)。
豐田Mirai采用了全新設(shè)計(jì)的底盤,以及新一代的燃料電池堆和儲氫罐,Mirai的整套燃料電池動力系統(tǒng)包括燃料電池堆、高壓儲氫罐、升壓變頻器、電動機(jī)、動力控制單元等等。
值得注意的是,豐田Mirai可利用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能為家庭供電。日本的自然災(zāi)害比較多,Mirai作為應(yīng)急電源在救援工作中可以發(fā)揮很大作用。
氫燃料電池汽車的續(xù)航和加注燃料的時(shí)間與普通內(nèi)燃機(jī)汽車無異,明顯優(yōu)于純電動汽車。但加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是氫燃料電池汽車未來發(fā)展不得不面臨的難題。
為了使更多的氫燃料電池汽車上路,豐田無償?shù)貙ν夤_了約5680項(xiàng)燃料電池相關(guān),希望以此鼓勵(lì)其他汽車廠商推出燃料電池汽車,降低加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建造和使用成本。
2015年,Mirai銷量為700輛;2016年,Mirai的銷量增至2000輛,占全球燃料電池乘用車總銷量的88%。
由于產(chǎn)能有限,目前訂購Mirai的消費(fèi)者需要等待至少兩年時(shí)間才能提車,豐田汽車預(yù)計(jì)到2020年,Mirai的年產(chǎn)量將在30000臺左右。
Mirai使用的燃料電池系統(tǒng)(Toyota Fuel Cell System, 簡稱TFCS)由豐田汽車自主研發(fā),主要包括六個(gè)子系統(tǒng),分別是燃料電池堆、儲能電池、高壓儲氫罐、驅(qū)動電機(jī)、PC升壓變頻器和動力控制裝置。下文將從整車和零部件兩個(gè)方面來介紹Mirai。
1.整車
Mirai的續(xù)航里程達(dá)到502km,高輸出功率為114kW,高時(shí)速為175km/h。
Mirai的輸出功率以及高時(shí)速和加速與當(dāng)前市售的家用轎車相差無幾,且由于沒有內(nèi)燃機(jī),Mirai在行駛過程中只有胎噪,相比傳統(tǒng)汽車更為安靜。
2.子系統(tǒng)
(1)燃料電池堆
Mirai的燃料電池為固體聚合物電解質(zhì)燃料電池(Solid polymer electrolyte FC),大輸出功率為114千瓦,由370片電池組成,重量僅56kg,體積僅37L。
體積功率密度和質(zhì)量功率密度分別為3.1kW/L,2.0kW/kg,升壓變頻器負(fù)責(zé)將電壓提升至650V,以滿足高性能電動機(jī)的需求,處于世界領(lǐng)xian水平。
除了為汽車提供動力外,Mirai的燃料電池堆還可以為其他設(shè)備供電,Mirai可以作為備用發(fā)電機(jī)使用。
(2)儲能電池
為了提率,Mirai后備箱中有一塊鎳氫儲能電池,用于吸收燃料電池組輸出剩余的電能和車輛行駛過程中回收的電能,供汽車急加速或車載電池使用。
(3)高壓儲氫罐
氫燃料的安全存儲是氫燃料電池汽車重要的問題。Mirai在后排座椅下方布置了兩個(gè)大可承受70兆帕壓力的高壓儲氫罐,其外殼由碳纖維和凱夫拉組成,可以抵抗輕型武器的攻擊。
氫氣具有可燃性,在空氣中點(diǎn)燃可能發(fā)生爆炸。豐田通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)保護(hù)了儲氫罐,在80km/h的追尾試驗(yàn)中,儲氫罐保持完好。碰撞后,氫氣會以安全的速度被強(qiáng)制排出,杜絕爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
Mirai的加氫口位于車身的左后方,高可以承受87.5Mpa的加注壓力。配合專業(yè)的加氫設(shè)備,3分鐘內(nèi)即可為Mirai加滿氫氣。充滿之后,5kg的氫氣可以驅(qū)動Mirai行駛650km(日本的JC08標(biāo)準(zhǔn))。
(4)驅(qū)動電機(jī)
Mirai使用的驅(qū)動電機(jī)與豐田的混合動力汽車相同,均為同步交流電機(jī)。該驅(qū)動電機(jī)的大功率為113千瓦,大扭矩為335Nm。
(5)FC升壓變頻器
TFCS系統(tǒng)中,燃料電池發(fā)出的電能還需要經(jīng)過升壓變頻器的升壓才能供給電動機(jī)使用,大輸出電壓為650V。
(6)動力控制裝置
動力控制裝置由逆變器、升壓轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器組成,用于控制燃料電池堆的輸出和電池的充電及放電。
FCV價(jià)格高昂,主要是燃料電池堆的成本一直下不來,然而豐田顯然找到了解決問題的關(guān)鍵。和豐田在2008年推出的燃料電池系統(tǒng)相比,Mirai的燃料電池系統(tǒng)成本降低了95%!
三、 豐田燃料電池相關(guān)分析
1.年度分布
截至2017年5月12日,豐田汽車已在21個(gè)國家和地區(qū)、2個(gè)知識產(chǎn)權(quán)組織申請了15867件與燃料電池相關(guān)的。
2004年到2009年,豐田汽車與燃料電池相關(guān)的申請數(shù)量大幅增長,期間該技術(shù)領(lǐng)域年均申請量為1895件,說明豐田汽車在這幾年開展了大量氫燃料電池技術(shù)研究。
2009年后,豐田汽車與燃料電池相關(guān)的申請數(shù)量逐漸下降,年申請量回落到500件左右。
直到2014年,申請數(shù)量再度回升,2015年的申請量重新回到1000件以上,表明當(dāng)下豐田公司對燃料電池技術(shù)研究的熱情逐漸回升,未來可能有較多新技術(shù)和新產(chǎn)品面世。
2.全球布局
從與燃料電池相關(guān)的全球布局來看,豐田汽車的申請主要覆蓋日本、美國、中國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐洲局等21個(gè)國家、地區(qū)和2個(gè)知識產(chǎn)權(quán)組織。
其中,豐田汽車在其總部所在地日本的申請大,累積申請與燃料電池相關(guān)的8712件,占該領(lǐng)域總量的55%,說明豐田汽車對本土燃料電池市場的重視。
此外,在美國的申請量占12.2%,在中國的申請量占9.2%,顯示豐田汽車對這些地區(qū)燃料電池汽車市場的重視。
3. 技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)
為了研究豐田汽車與氫能和燃料電池相關(guān)的技術(shù)研發(fā)情況,利用文本挖掘和IPC分類進(jìn)一步展開分析,可以看出該公司技術(shù)重點(diǎn)集中在氫泵、排水閥、電解質(zhì)膜、儲氫罐等技術(shù)。
從IPC分類號來看,豐田汽車在H01M8燃料電池及其制造領(lǐng)域申請的數(shù)量多,達(dá)到9671件,占總量的61%。申請數(shù)量第二多的技術(shù)領(lǐng)域是H01M4電極,占總量的9.5%。
4.合作與借鑒
對豐田汽車申請的與氫能和燃料電池相關(guān)進(jìn)行申請人分析,其結(jié)果顯示了該企業(yè)與其他企業(yè)或個(gè)人的合作研發(fā)情況。
由下圖可以看出,公司與愛信、Nippon Soken、豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室等集團(tuán)內(nèi)外部企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有大量合作。
技術(shù)的借鑒方面,本田汽車與氫燃料電池相關(guān)的被本田汽車、日產(chǎn)汽車、松下公司引用較多,同時(shí)也引用本田汽車、日產(chǎn)汽車、松下公司較多,豐田汽車與這三家公司之間的技術(shù)關(guān)聯(lián)度較高,互相引用、借鑒大量。
5.發(fā)明人分析
豐田汽車與燃料電池相關(guān)技術(shù)的高產(chǎn)發(fā)明人包括Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等,其中發(fā)明人包括Yoshiaki Naganuma的申請328件,占公司總量的2.1%。
申請量排名*發(fā)明人是公司技術(shù)研發(fā)核心團(tuán)隊(duì),申1940項(xiàng),占公司總量的12.2%,說明公司科研團(tuán)隊(duì)龐大,科研人才較多。
6.價(jià)值分析
Innography將近十年美國授權(quán)各指標(biāo)的平均數(shù)值作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),歸一化后繪制成雷達(dá)圖。下圖中右側(cè)圖例中的數(shù)據(jù)即為各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值,在雷達(dá)圖中以數(shù)值為1表示。
從圖中可以看到豐田汽車與燃料電池相關(guān)的在訴訟、引用上遠(yuǎn)低于平均值,說明豐田汽車的訴訟較少且原創(chuàng)度較高,通過借鑒或合作進(jìn)行的創(chuàng)新較少。豐田汽車的發(fā)明人高于平均值,說明其發(fā)明團(tuán)隊(duì)較大。
下圖顯示,豐田汽車與燃料電池相關(guān)總量為15867件,其中,10782件是有效的,包括5373件有效授權(quán)和5409件有效申請。豐田汽車失效數(shù)量較少,僅為5085件,占總量的32
Innography強(qiáng)度指標(biāo)參考了10余個(gè)價(jià)值的相關(guān)指標(biāo),包括:權(quán)利要求數(shù)量、引用先前技術(shù)文獻(xiàn)數(shù).被引用次數(shù)及申請案的家族、申請時(shí)程、年齡、訴訟等,如果一件強(qiáng)度越高,可以確定該的質(zhì)量和影響力越高。
對豐田汽車的所有與燃料電池相關(guān)的族進(jìn)行強(qiáng)度分析,發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度超過90的有88件,涉及氫燃料電池控制系統(tǒng)、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池制造等。88件全部有效,僅有3件將在2020年前失效。
豐田Mirai燃料電池汽車技術(shù)全面解析
你可知Mirai的前世今生?
相信不少人對豐田Mirai的名字都十分陌生,因其未入華,暫時(shí)來說還沒有相應(yīng)的*中文名,有些人喜歡音譯成“米娃”,但它的日文名發(fā)音“みらい”——意為“未來”。
Mirai是豐田FCV(Fuel Cell Vehicle,燃料電池車)計(jì)劃的產(chǎn)物,早在1992年的時(shí)候,豐田就開始研究氫燃料電池汽車了,當(dāng)時(shí)受限于種種因素才沒有開發(fā)新車型,而是采用那時(shí)候成熟的汽油車平臺去改造成氫燃料電池車。
基于現(xiàn)有汽油車平臺打造新能源車并非方案,只有輕量化科技和適應(yīng)新型動力系統(tǒng)布局的平臺,才會成為終作品。經(jīng)過了20年的技術(shù)積累,豐田終于在
2013年東京車展推出了FCV概念車。
直至2014年12月15日,豐田FCV概念車基本完成了技術(shù)驗(yàn)證,得名“Mirai”并在日本正式上市。與此同時(shí),豐田斥資200億日元用于提高日本愛知縣工廠氫燃料電池和燃料箱產(chǎn)能,這筆巨資當(dāng)時(shí)折合人民幣10.4億。
2015年1月底,全球首輛量產(chǎn)氫燃料電池車豐田Mirai在日本交貨,售價(jià)為723.6萬日元(含稅)左右,享受政府補(bǔ)貼后僅500萬日元(折合人民幣26.5萬左右)就可以拿下,價(jià)格與皇冠HEV相當(dāng) 。
Mirai的工作原理是?
在了解Mirai之前,我們先要搞清楚氫燃料電池(Hydrogen Fuel Cell)是什么,它并不是遙不可及的高深事物,從字面意義上解讀就是使用氫作為原料的電池。
氫料電池的基本原理其實(shí)早就被寫入了高中化學(xué)課本,并“困擾”著一代又一代學(xué)子,那就是電解水的逆反應(yīng),把氫和氧分別供給陰極和陽極,氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極,從而產(chǎn)生出電能。對于化學(xué)是語文老師教的同學(xué)則可以簡單理解為通過氫和氧氣結(jié)合,產(chǎn)生出電能和水,其中電能就輸出供車輛使用,水則排出車外。
那如果把燃料電池這個(gè)技術(shù)運(yùn)用到汽車領(lǐng)域呢?
所以,大家對豐田Mirai的氫燃料電池有了個(gè)簡單的認(rèn)知后,是否覺得這貨也沒這么神奇呢?實(shí)則不然,這些小學(xué)問背后可是蘊(yùn)含著大道理的,單單燃料電池這一塊豐田就擁有5680個(gè),涵蓋燃料電池堆、高壓儲氫罐、燃料電池系統(tǒng)控制以及加氫站技術(shù)等。
我們把目光移回到豐田Mirai上就會發(fā)現(xiàn),高壓儲氫罐、儲能電池、燃料電池堆和由動力控制裝置、驅(qū)動電機(jī)組成的動力系統(tǒng)均安裝在底盤上,共同組成了TFCS燃料電池系統(tǒng)(Toyota Fuel Cell System),接下來就針對以上各部分進(jìn)行深入講解。
注:至于第三方機(jī)構(gòu)的新車碰撞測試結(jié)果呢,筆者翻看了J-NCAP、IIHS、NHTSA、E-NCAP等眾多機(jī)構(gòu)的記錄,均無豐田Mirai的碰撞成績,因此我們有理由認(rèn)為安全法規(guī)在氫能源車這一方面還未完善,因此無法做出的碰撞測試。
你以為Mirai只是一輛車?
如果單純地認(rèn)為Mirai僅是一個(gè)綠色環(huán)保的交通工具,那你就錯(cuò)了,再怎么說它還擁有兩個(gè)大容量儲氫罐吖,一來長途路上口渴了能去后面的排氣(水)管接水喝,二來手機(jī)玩沒電還能當(dāng)充電寶。還別說,網(wǎng)上真有人直播喝Mirai排放出來的水呢!
因此,豐田Mirai不僅僅是一輛氫燃料電池車,它還可以看成是一個(gè)小型發(fā)電機(jī),只不過使用的原料是氫氣而不是汽油。
聊一下Mirai的短板
加氫難
就像硬幣都有正反面一樣,所有的事物都有好壞兩面,氫燃料電池車也不例外。相比起特斯拉Model S四小時(shí)的充電時(shí)間,Mirai那只需3分鐘的加氫速度以及續(xù)航里程看似贏了幾條街。
加氫站的罕見程度有別于我們常見的加油站,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國境內(nèi)已建好的加氫站僅有9座,分布在北京、上海安亭、河南鄭州、大連高新區(qū)、江蘇如皋、廣東佛山和深圳等地。
這也是Mirai遲遲未在國內(nèi)上市的一個(gè)重要原因。并且建加氫站有異于建充電樁,整個(gè)環(huán)節(jié)中的制氫、儲氫以及運(yùn)輸氫難度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于充電樁。
車體重
別看Mirai的車身尺寸跟凱美瑞不相上下,實(shí)際上Mirai的總重量高達(dá)1850kg,比凱美瑞重了整整350kg。那么問題來了,尺寸為4890/1815/1535mm的豐田車居然這么重?究其原因竟是動力部分和儲能部分占了多半空間,而再加滿122.4L氫燃料以及四個(gè)乘客就能輕易突破兩噸這個(gè)大關(guān)了。
寫在后
氫燃料電池車的量產(chǎn)為我們打開了一扇未來交通解決方案的大門,與各大國內(nèi)廠商趨之若鶩的純電動車相比,氫燃料電池車的優(yōu)勢十分明顯,但制約其放開手腳的阻撓也相當(dāng)不少。在油價(jià)日益上漲、路上純電車及混動車比比皆是的今日,氫燃料電池車這個(gè)領(lǐng)域至今仍處于空白狀,若時(shí)加氫站的數(shù)量得到緩解,Mirai啥時(shí)候入華做個(gè)吃螃蟹的人呢?
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