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    豐田的燃料電池汽車核心技術為什么世界頂jian?

    發布日期: 2019-03-14
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    豐田汽車(Toyota Motor Corporation)是zui大的整車企業之一,創立已有80多年歷史,在球五十多個國家有組裝工廠,是家汽車年銷量超過千萬的整車企業。

     豐田汽車主要的內部公司按產品類型和地區可分為7個子公司和2個事業部,分別為先進技術開發公司、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汽車公司,以及負責北美、歐洲和非洲業務的事業部和負責中國,亞洲,中東和北非,東亞及大洋洲,拉丁美洲及加勒比地區的第二事業部。

     一、高研發投入瞄向減排汽車

     技術研發方面,豐田汽車2001財年到2017財年的研發投入平均值為0.8兆日元(約485.79億人民幣),2016財年的研發投入高,為1.06兆日元(約643.67億人民幣),研發費用占比為3.7%。

     近三年來,豐田汽車的研發費用和研發費用占比變化幅度不大,研發費用維持在1兆日元以上。 

    豐田汽車于2015年10月14日公布了“豐田環境挑戰2050”目標,提出在2050年前實現僅靠發動機行駛的汽車的“零”銷售。該計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資金。

     從長期來看,目前豐田汽車的研發開支正處于歷史高位,可以認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和產品推出。

     由于傳統電池技術的限制,豐田高層認為燃料電池車是ji環保車,豐田汽車近年來將其未來研發重心從技術成熟的混合動力汽車逐漸轉向燃料電池汽車。

     豐田汽車于1992年便開始研發燃料電池汽車,在1996年10月發布了燃料電池汽車FCEV。

     在隨后的十多年里,豐田汽車陸續推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等車型,但受制于昂貴的單價和基礎設施不足,該階段的燃料電池汽車沒有量產和商品化。

     二、Mirai動力子系統性能指標

     2014年12月15日,豐田汽車在日本發布球量產氫燃料電池汽車Mirai,Mirai是世界上投入量產的燃料電池汽車。

     Mirai的售價為723.6萬日元(約44萬人民幣),經政府補貼后,實際的售價在520萬日元左右(約31萬人民幣),上市首月的訂單達到1200輛。

     目前,氫燃料的售價約為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采用了新設計的底盤,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包括燃料電池堆、高壓儲氫罐、升壓變頻器、電動機、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產生的電能為家庭供電。日本的自然災害比較多,Mirai作為應急電源在救援工作中可以發揮很大作用。

     氫燃料電池汽車的續航和加注燃料的時間與普通內燃機汽車無異,明顯優于純電動汽車。但加氫站等基礎設施的建設是氫燃料電池汽車未來發展不得不面臨的難題。

     為了使更多的氫燃料電池汽車上路,豐田無償地對外公開了約5680項燃料電池相關,希望以此鼓勵其他汽車廠商推出燃料電池汽車,降低加氫站等基礎設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,占球燃料電池乘用車總銷量的88%。

     由于產能有限,目前訂購Mirai的消費者需要等待至少兩年時間才能提車,豐田汽車預計到2020年,Mirai的年產量將在30000臺左右。

     Mirai使用的燃料電池系統(Toyota Fuel Cell System, 簡稱TFCS)由豐田汽車自主研發,主要包括六個子系統,分別是燃料電池堆、儲能電池、高壓儲氫罐、驅動電機、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方面來介紹Mirai。

     1.整車

     Mirai的續航里程達到502km,高輸出功率為114kW,高時速為175km/h。

    Mirai的輸出功率以及高時速和加速與當前市售的家用轎車相差無幾,且由于沒有內燃機,Mirai在行駛過程中只有胎噪,相比傳統汽車更為安靜。

     2.子系統

     (1)燃料電池堆

     Mirai的燃料電池為固體聚合物電解質燃料電池(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。

    體積功率密度和質量功率密度分別為3.1kW/L,2.0kW/kg,升壓變頻器負責將電壓提升至650V,以滿足高性能電動機的需求,處于世界領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備供電,Mirai可以作為備用發電機使用。

    (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,在空氣中點燃可能發生爆炸。豐田通過優化車身結構保護了儲氫罐,在80km/h的追尾試驗中,儲氫罐保持完好。碰撞后,氫氣會以安的速度被強制排出,杜絕爆炸的風險。

     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。配合業的加氫設備,3分鐘內即可為Mirai加滿氫氣。充滿之后,5kg的氫氣可以驅動Mirai行駛650km(日本的JC08標準)。

     (4)驅動電機

     Mirai使用的驅動電機與豐田的混合動力汽車相同,均為同步交流電機。該驅動電機的大功率為113千瓦,大扭矩為335Nm。

     (5)FC升壓變頻器

     TFCS系統中,燃料電池發出的電能還需要經過升壓變頻器的升壓才能供給電動機使用,大輸出電壓為650V。

     (6)動力控制裝置

     動力控制裝置由逆變器、升壓轉換器和DC/DC轉換器組成,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鍵。和豐田在2008年推出的燃料電池系統相比,Mirai的燃料電池系統成本降低了95%!

     三、 豐田燃料電池相關分析

     1.年度分布

     截至2017年5月12日,豐田汽車已在21個國家和地區、2個知識產權組織申請了15867件與燃料電池相關的。

     2004年到2009年,豐田汽車與燃料電池相關的申請數量大幅增長,期間該技術領域年均申請量為1895件,說明豐田汽車在這幾年開展了大量氫燃料電池技術研究。

     2009年后,豐田汽車與燃料電池相關的申請數量逐漸下降,年申請量回落到500件左右。

     直到2014年,申請數量再度回升,2015年的申請量重新回到1000件以上,表明當下豐田公司對燃料電池技術研究的熱情逐漸回升,未來可能有較多新技術和新產品面。

     2.球布局

     從與燃料電池相關的球布局來看,豐田汽車的申請主要覆蓋日本、美國、中國、世界知識產權組織、歐洲局等21個國家、地區和2個知識產權組織。

     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的8712件,占該領域總量的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燃料電池汽車市場的重視。

     3. 技術研發重點

     為了研究豐田汽車與氫能和燃料電池相關的技術研發情況,利用文本挖掘和IPC分類進一步展開分析,可以看出該公司技術重點集中在氫泵、排水閥、電解質膜、儲氫罐等技術。

     從IPC分類號來看,豐田汽車在H01M8燃料電池及其制造領域申請的數量多,達到9671件,占總量的61%。申請數量第二多的技術領域是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進行申請人分析,其結果顯示了該企業與其他企業或個人的合作研發情況。

     由下圖可以看出,公司與愛信、Nippon Soken、豐田中央研發實驗室等集團內外部企業和科研機構有大量合作。

     技術的借鑒方面,本田汽車與氫燃料電池相關的被本田汽車、日產汽車、松下公司引用較多,同時也引用本田汽車、日產汽車、松下公司較多,豐田汽車與這三家公司之間的技術關聯度較高,互相引用、借鑒大量。

    5.發明人分析

     豐田汽車與燃料電池相關技術的高產發明人包括Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等,其中發明人包括Yoshiaki Naganuma的申請328件,占公司總量的2.1%。

     申請量排名*發明人是公司技術研發核心團隊,申1940項,占公司總量的12.2%,說明公司科研團隊龐大,科研人才較多。

     6.價值分析

     Innography將近十年美國授權各指標的平均數值作為評價標準,歸一化后繪制成雷達圖。下圖中右側圖例中的數據即為各項指標的標準數值,在雷達圖中以數值為1表示。

     從圖中可以看到豐田汽車與燃料電池相關的在訴訟、引用上遠低于平均值,說明豐田汽車的訴訟較少且原創度較高,通過借鑒或合作進行的創新較少。豐田汽車的發明人高于平均值,說明其發明團隊較大。

     下圖顯示,豐田汽車與燃料電池相關總量為15867件,其中,10782件是有效的,包括5373件有效授權和5409件有效申請。豐田汽車失效數量較少,僅為5085件,占總量的32

     Innography強度指標參考了10余個價值的相關指標,包括:權利要求數量、引用先前技術文獻數.被引用次數及申請案的家族、申請時程、年齡、訴訟等,如果一件強度越高,可以確定該的質量和影響力越高。

     對豐田汽車的所有與燃料電池相關的族進行強度分析,發現其強度超過90的有88件,涉及氫燃料電池控制系統、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池制造等。88件部有效,僅有3件將在2020年前失效。

    豐田Mirai燃料電池汽車技術面解析

    你可知Mirai的前今生?

     相信不少人對豐田Mirai的名字都十分陌生,因其未入華,暫時來說還沒有相應的*中文名,有些人喜歡音譯成“米娃”,但它的日文名發音“みらい”——意為“未來”。

    Mirai是豐田FCV(Fuel Cell Vehicle,燃料電池車)計劃的產物,早在1992年的時候,豐田就開始研究氫燃料電池汽車了,當時受限于種種因素才沒有開發新車型,而是采用那時候成熟的汽油車平臺去改造成氫燃料電池車。

    基于現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新型動力系統布局的平臺,才會成為作品。經過了20年的技術積累,豐田于在

    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驗證,得名“Mirai”并在日本正式上市。與此同時,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能,這筆巨資當時折合人民幣10.4億。

    2015年1月底,球首輛量產氫燃料電池車豐田Mirai在日本交貨,售價為723.6萬日元(含稅)左右,享受政府補貼后僅500萬日元(折合人民幣26.5萬左右)就可以拿下,價格與皇冠HEV相當 。

     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早就被寫入了高中化學課本,并“困擾”著一代又一代學子,那就是電解水的逆反應,把氫和氧分別供給陰極和陽極,氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應后,放出電子通過外部的負載到達陽極,從而產生出電能。對于化學是語文老師教的同學則可以簡單理解為通過氫和氧氣結合,產生出電能和水,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技術運用到汽車領域呢? 

    所以,大家對豐田Mirai的氫燃料電池有了個簡單的認知后,是否覺得這貨也沒這么神奇呢?實則不然,這些小學問背后可是蘊含著大道理的,單單燃料電池這一塊豐田就擁有5680個,涵蓋燃料電池堆、高壓儲氫罐、燃料電池系統控制以及加氫站技術等。

     我們把目光移回到豐田Mirai上就會發現,高壓儲氫罐、儲能電池、燃料電池堆和由動力控制裝置、驅動電機組成的動力系統均安裝在底盤上,共同組成了TFCS燃料電池系統(Toyota Fuel Cell System),接下來就針對以上各部分進行深入講解。

    注:至于第三方機構的新車碰撞測試結果呢,筆者翻看了J-NCAP、IIHS、NHTSA、E-NCAP等眾多機構的記錄,均無豐田Mirai的碰撞成績,因此我們有理由認為安法規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?

     如果單純地認為Mirai僅是一個綠色環保的交通工具,那你就錯了,再怎么說它還擁有兩個大容量儲氫罐吖,一來長途路上口渴了能去后面的排氣(水)管接水喝,二來手機玩沒電還能當充電寶。還別說,網上真有人直播喝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小型發電機,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四小時的充電時間,Mirai那只需3分鐘的加氫速度以及續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,據不完統計,中國境內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、江蘇如皋、廣東佛山和深圳等地。

    這也是Mirai遲遲未在國內上市的一個重要原因。并且建加氫站有異于建充電樁,整個環節中的制氫、儲氫以及運輸氫難度都遠遠高于充電樁。

     車體重

     別看Mirai的車身尺寸跟凱美瑞不相上下,實際上Mirai的總重量高達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氫燃料以及四個乘客就能輕易突破兩噸這個大關了。

    寫在

     氫燃料電池車的量產為我們打開了一扇未來交通解決方案的大門,與各大國內廠商趨之若鶩的純電動車相比,氫燃料電池車的優勢十分明顯,但制約其放開手腳的阻撓也相當不少。在油價日益上漲、路上純電車及混動車比比皆是的今日,氫燃料電池車這個領域至今仍處于空白狀,若時加氫站的數量得到緩解,Mirai啥時候入華做個吃螃蟹的人呢?

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