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0512-58588966豐田汽車(Toyota Motor Corporation)是全球大的整車企業(yè)之一,創(chuàng)立已有80多年歷史,五十多個國家有組裝工廠,是一家汽車年銷量超過千萬的整車企業(yè)。
豐田汽車主要的內部公司按產品類型和地區(qū)可分為7個子公司和2個事業(yè)部,分別為先進技術開發(fā)公司、豐田小型車公司、中型車公司、商用車公司、雷克薩斯國際公司、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(yè)務的事業(yè)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(qū)的第二事業(yè)部。
一、高研發(fā)投入瞄向減排汽車
技術研發(fā)方面,豐田汽車2001財年到2017財年的研發(fā)投入平均值為0.8兆日元(約485.79億人民幣),2016財年的研發(fā)投入,為1.06兆日元(約643.67億人民幣),研發(fā)費用占比為3.7%。
近三年來,豐田汽車的研發(fā)費用和研發(fā)費用占比變化幅度不大,研發(fā)費用維持在1兆日元以上。
圖1 公司研發(fā)費用及營收占比(單位:百萬日元)
數據來源:Toyota Motor Corporation Financial Report
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,提出在2050年前實現僅靠發(fā)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(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(tǒng)電池技術的限制,豐田高層認為燃料電池車是環(huán)保車,豐田汽車近年來將其未來研發(fā)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(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(tǒng)性能指標
2014年12月15日,豐田汽車在日本發(fā)布全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采用了全新設計的底盤,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(tǒng)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(tǒng)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(fā)揮很大作用。
氫燃料電池汽車的續(xù)航和加注燃料的時間與普通內燃機汽車無異,明顯優(yōu)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(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,豐田無償地對外公開了約5680項燃料電池相關賺利,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,占全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(tǒng)(Toyota Fuel Cell System, 簡稱TFCS)由豐田汽車自主研發(fā),主要包括六個子系統(tǒng),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(xù)航里程達到502km,輸出功率為114kW,時速為175km/h。
Mirai的輸出功率以及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(tǒng)汽車更為安靜。
表1 Mirai參數
數據來源:2016 Mirai Product Information
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燃料電池(Solid polymer electrolyte FC),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(fā)電機使用。
表2 燃料電池堆參數
數據來源:2016 Mirai Product Information
(2)、儲能電池
為了提高效率,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最重要的問題。Mirai在后排座椅下方布置了兩個可承受70兆帕壓力的高壓儲氫罐,其外殼由碳纖維和凱夫拉組成,可以抵抗輕型的攻擊。
氫氣具有可燃性,在空氣中點燃可能發(fā)生爆炸。豐田通過優(yōu)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,氫氣會以安全的速度被強制排出,杜絕爆炸的風險。
Mirai的加氫口位于車身的左后方,可以承受87.5Mpa的加注壓力。配合專業(yè)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)。
表3 高壓儲氫罐參數
數據來源:2016 Mirai Product Information
(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。該驅動電機的功率為113千瓦,扭矩為335Nm。
(5)、FC升壓變頻器
TFCS系統(tǒng)中,燃料電池發(fā)出的電能還需要經過升壓變頻器的升壓才能供給電動機使用,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(tǒng)相比,Mirai的燃料電池系統(tǒng)成本降低了95%!
三、 豐田燃料電池相關賺利分析
1、 賺利年度分布
截至2017年5月12日,豐田汽車已在21個國家和地區(qū)、2個國際知識產權組織申請了15867件與燃料電池相關的賺利。
2004年到2009年,豐田汽車與燃料電池相關的賺利申請數量大幅增長,期間該技術領域年均賺利申請量為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賺利申請數量逐漸下降,年申請量回落到500件左右。
直到2014年,賺利申請數量再度回升,2015年的賺利申請量重新回到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世。
圖2 賺利年度申請量
數據來源:Innography.com
2、全球賺利布局
從與燃料電池相關的賺利布局來看,豐田汽車的賺利申請主要覆蓋日本、美國、中國、世界知識產權組織、歐洲賺利局等21個國家、地區(qū)和2個國際知識產權組織。
其中,豐田汽車在其總部所在地日本的賺利申請,累積申請與燃料電池相關的賺利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(qū)燃料電池汽車市場的重視。
圖3 賺利全球布局
數據來源:Innography.com
3、 技術研發(fā)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(fā)情況,利用賺利文本挖掘和IPC國際賺利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賺利數量最多,達到9671件,占總量的61%。賺利申請數量第二多的技術領域是H01M4電極,占總量的9.5%。
圖4 關鍵技術概念
數據來源:Orbit.com
表4 關鍵技術領域賺利申請量排序
數據來源:Innography.com
4、 合作與借鑒
對豐田汽車申請的與氫能和燃料電池相關賺利進行申請人分析,其結果顯示了該企業(yè)與其他企業(yè)或個人的合作研發(fā)情況。
由下圖可以看出,公司與愛信、Nippon Soken、豐田中央研發(fā)實驗室等集團內外部企業(yè)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賺利被本田汽車、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、松下公司較多賺利,豐田汽車與這三家公司之間的技術關聯度較高,互相引用、借鑒大量賺利。
圖5 賺利合作申請情況
數據來源:Orbit.com
圖6 申請人間引用情況
數據來源:Innography.com
5、 發(fā)明人分析
豐田汽車與燃料電池相關技術的高產發(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的賺利申請328件,占公司賺利總量的2.1%。
申請量多的發(fā)明人是公司技術研發(fā)核心團隊,申請賺利1940項,占公司賺利總量的12.2%,說明公司科研團隊龐大,科研人才較多。
圖7 賺利發(fā)明人
數據來源:Innography.com
6、 賺利價值分析
Innography將近十年美國授權賺利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賺利在訴訟、賺利引用上遠低于平均值,說明豐田汽車的賺利訴訟較少且賺利原創(chuàng)度較高,通過借鑒或合作進行的創(chuàng)新較少。豐田汽車賺利的發(fā)明人高于平均值,說明其發(fā)明團隊較大。
圖8 賺利價值分析
數據來源:Innography.com
下圖顯示,豐田汽車與燃料電池相關的賺利總量為15867件,其中,10782件賺利是有效的,包括5373件有效授權和5409件有效申請。豐田汽車失效賺利數量較少,僅為5085件,占賺利總量的32%。
圖9 賺利有效性
數據來源:Innography.com
Innography賺利強度指標參考了10余個賺利價值的相關指標,包括:賺利權利要求數量、引用先前技術文獻數量、賺利被引用次數、賺利及賺利申請案的家族、賺利申請時程、賺利年齡、賺利訴訟等,如果一件賺利強度越高,可以確定該賺利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賺利族進行賺利強度分析,發(fā)現其賺利強度超過90的賺利有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件賺利全部有效,僅有3件賺利將在2020年前失效。
表5 高賺利強度賺利情況
豐田Mirai燃料電池汽車技術全面解析
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(fā)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(fā)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。
但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(tǒng)布局的平臺,才會成為最終作品。經過了20年的技術積累,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,全球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。
氫燃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(fā)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?
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