豐田心中汽車的未來：以電池和氫能驅(qū)動(dòng)的新技術(shù)
近日，豐田汽車面向媒體，公開舉辦了一場(chǎng)技術(shù)說明會(huì)。就新經(jīng)營(yíng)體制提出的——實(shí)現(xiàn)“電動(dòng)化”、“智能化”、“多樣化”的新技術(shù)進(jìn)行了展示、體驗(yàn)與說明。
本次說明會(huì)上電動(dòng)化的次世代技術(shù)尤為引人矚目。今年5月剛成立的BEV Factory總裁加藤武郎，將于7月開始擔(dān)任氫能Factory總裁的山形光正，就新組織負(fù)責(zé)研發(fā)的產(chǎn)品與事業(yè)展望進(jìn)行了解說，毫不吝嗇地公開了20多項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)情況。
本次說明會(huì)的發(fā)起人中嶋裕樹副社長(zhǎng)，再次重申了豐田新經(jīng)營(yíng)體制“改變汽車的未來”這一主題，更展現(xiàn)了作為豐田首席技術(shù)官的決心與斗志。
“無論是被視作混合動(dòng)力技術(shù)代名詞的普銳斯，還是氫燃料電池轎車MIRAI，至今為止豐田憑借自身技術(shù)實(shí)力，攻克了很多技術(shù)難題，并開拓了未來。豐田將繼續(xù)通過技術(shù)的力量，為消費(fèi)者創(chuàng)造美好的未來，并將汽車與社會(huì)鏈接起來，引領(lǐng)構(gòu)建嶄新的未來社會(huì)。”
《豐田時(shí)報(bào)》將以系列報(bào)道的方式，對(duì)本次說明會(huì)中所公開的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行解讀。第1期為大家?guī)淼氖?ldquo;以電池與氫能為中心的新技術(shù)”。
支撐2030年全球純電銷量達(dá)到350萬臺(tái)的次世代電池技術(shù)
BEV Factory成立后，首次公開亮相的加藤總裁提到：“用BEV改變未來。對(duì)汽車、制造、工作方式的變革，一定可以為豐田帶來更好的發(fā)展。”
說明會(huì)上公布BEV Factory負(fù)責(zé)研發(fā)的豐田次世代BEV產(chǎn)品中的首款計(jì)劃于2026年上市。2030年豐田全球BEV銷售規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到350萬臺(tái)，其中次世代BEV產(chǎn)品將占到170萬臺(tái)的水平。
本次說明會(huì)首次公開了兩款有望被搭載到次世代BEV產(chǎn)品上的鋰離子電池，分別為“性能版電池”與“普及版電池”。
上圖從左至右依次展示的是現(xiàn)行版電池、計(jì)劃于2026年搭載使用的“性能版電池”、計(jì)劃于2026~27年挑戰(zhàn)投入實(shí)際應(yīng)用的“普及版電池”。之后是挑戰(zhàn)于2027~28年投入實(shí)際應(yīng)用的“高性能版電池”和“全固態(tài)電池”。畫面中間三款電池出于商業(yè)保密對(duì)圖像進(jìn)行了模糊處理。
“性能版電池”：提高了電池能量密度，配合車輛的空氣動(dòng)力學(xué)改善，可將續(xù)航里程提升到目前的2倍，達(dá)到1000km。同時(shí)完成成本降低20%，實(shí)現(xiàn)快充不到20分鐘的目標(biāo)。
“普及版電池”：是將已經(jīng)應(yīng)用于HEV鎳氫電池上的雙極結(jié)構(gòu)，通用到BEV電池上。續(xù)航里程比目前增加20%，快充同樣可以達(dá)到30分鐘以內(nèi)。由于零件數(shù)量可控制在四分之一到五分之一之間，成本可降低40%左右。
雙極結(jié)構(gòu)是指，正反兩面分別是正極與負(fù)極的集電體，再將這些集電體堆疊打包的結(jié)構(gòu)。這樣在做到體積緊湊化的同時(shí)，單個(gè)集電體的通電面積也比目前HEV電池有所增加，將這些集電體精準(zhǔn)堆疊，則存在需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。
另外，還有一款“高性能版電池”集各種優(yōu)點(diǎn)于一身，也正在研發(fā)之中。該款電池采用了高鎳正極材料，并使用雙極結(jié)構(gòu)。通過這些努力，“高性能版電池”與“性能版電池”相比，續(xù)航里程還可再增加10%，快充達(dá)到20分鐘以內(nèi)，成本有望降低10%。
“讓電池也可以有豐富的選擇”這是非常豐田的想法。面對(duì)豐富的產(chǎn)品線，豐田將不斷推進(jìn)能夠靈活應(yīng)對(duì)消費(fèi)者需求的研發(fā)。
全固態(tài)電池“新技術(shù)”的發(fā)現(xiàn)
全固態(tài)電池經(jīng)常被稱為“BEV游戲規(guī)則改寫者”。在這次說明會(huì)上，還公布了有關(guān)全固態(tài)電池的新消息。
次世代電池可達(dá)到更長(zhǎng)的續(xù)航，并且能在10分鐘內(nèi)完成快速充電
全固態(tài)電池的電解質(zhì)為固體，離子運(yùn)動(dòng)速度更快，對(duì)高壓、高溫具備更強(qiáng)的耐受力。能夠帶來穩(wěn)定的高功率、增加續(xù)航里程以及進(jìn)一步縮短充電時(shí)間。
此前，全固態(tài)電池壽命較短是核心課題。固體電解質(zhì)隨著電池的充放電反復(fù)膨脹和收縮，可能會(huì)引發(fā)龜裂，導(dǎo)致鋰離子在正負(fù)極之間的流動(dòng)會(huì)變得困難。
本次，豐田正式公布，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了克服這一課題的新技術(shù)。今后，在核算成本后，將全面進(jìn)入面向量產(chǎn)研發(fā)的階段。
豐田曾在2021年時(shí)表示“全固態(tài)電池的導(dǎo)入將從HEV車型開始”，通過重新評(píng)估后明確表示，全固態(tài)電池將搭載到BEV車型上，并挑戰(zhàn)于2027~28年投入實(shí)際應(yīng)用。
“性能版電池”，豐田將與Prime Planet Energy & Solutions（PPES）推進(jìn)，“普及版電池”、“高性能版電池”、“全固態(tài)電池”與日本豐田自動(dòng)織機(jī)共同推進(jìn)，匯集豐田內(nèi)部各方實(shí)力，努力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。
將火箭技術(shù)應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)性能改善
決定BEV性能的不僅有電池研發(fā)。降低行駛阻力、能源再生的進(jìn)一步擴(kuò)大、整車能源與熱效率管理等諸多要素需要與車輛研發(fā)共同考慮。
作為車輛研發(fā)項(xiàng)目之一，加藤總裁在會(huì)上為大家介紹了豐田與三菱重工業(yè)宇宙事業(yè)部共同研討如何將火箭的極超音速技術(shù)應(yīng)用于汽車。
上圖為用于風(fēng)洞試驗(yàn)的模型。出于保密因素，部分圖像進(jìn)行了模糊處理
火箭周邊空氣由于摩擦、受到壓縮會(huì)產(chǎn)生大量的氣動(dòng)加熱效應(yīng)，航空領(lǐng)域有可以在這樣高溫環(huán)境中保護(hù)火箭機(jī)體不受損傷的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。豐田正在與他們討論將這些技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用于造車范疇。例如通過對(duì)車身表面進(jìn)行處理等方式，控制車身與氣流接觸的局部，由此實(shí)現(xiàn)降低阻力。假設(shè)現(xiàn)有車身的風(fēng)阻系數(shù)為0.20，進(jìn)行技術(shù)處理后，豐田認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)再降低10%的效果。
另一個(gè)值得關(guān)注的點(diǎn)是，這樣的技術(shù)應(yīng)用將使車身形狀擺脫材料束縛，無論是鋼，還是鋁。更可以讓極致的車身設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)性能，不再是魚與熊掌，而可以兼得。這是蘊(yùn)藏著巨大潛力的研發(fā)領(lǐng)域。
目前，豐田正在以3年后投入實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，不懈努力。
隨著制造水平的進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)投資和工序都減半
加藤總裁談到：“之所以次世代BEV能夠完成‘商品的進(jìn)化’，正是因?yàn)楸澈笫?lsquo;制造的再次進(jìn)化’。如果用一個(gè)詞來詮釋制造的未來，應(yīng)該是‘二分之一’。也可稱之為‘BEV half’。通過模塊結(jié)構(gòu)和車輛自動(dòng)化移動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)將生產(chǎn)工序和工廠投資分別減至二分之一。通過數(shù)字孿生技術(shù)賦能，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間將減少至二分之一。”
次世代BEV車體采用了分成前、中、后三大塊模塊的新結(jié)構(gòu)。
其中只有中間部分搭載了電池，由于前、后模塊均不受影響，可快速地將電池的進(jìn)化同步到整車上。
一體化鑄造是實(shí)現(xiàn)這種模塊化車身結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要制造技術(shù)。
目前bZ4X的車身后部由86個(gè)金屬板部件、經(jīng)過33道沖壓工序組成。如果用鋁壓鑄工藝一體成形，最終可將零件數(shù)量和工序精簡(jiǎn)為1個(gè)。
目標(biāo)是將成本和重量都降低到現(xiàn)有水平之下，同時(shí)發(fā)揮豐田最為擅長(zhǎng)的TPS（豐田生產(chǎn)方式），大大提高生產(chǎn)效率。
圖中左側(cè)是原本的后部模塊，由鈑金零件構(gòu)成；右側(cè)是使用了一體化鑄造技術(shù)的新模塊
結(jié)合制造進(jìn)化，會(huì)上還介紹了全新的生產(chǎn)技術(shù)“車輛自動(dòng)化移動(dòng)生產(chǎn)線”。在組裝中的汽車可以自動(dòng)行駛，移動(dòng)到下一個(gè)工序。
簡(jiǎn)而言之，將電池、電機(jī)、輪胎和無線終端安裝到前、中、后三個(gè)模塊后，就可以讓其自動(dòng)在工序間行駛。
這樣一來，生產(chǎn)線上便無需傳送帶，工廠的布局也將不受限制。同時(shí)，曾經(jīng)以年為單位的量產(chǎn)準(zhǔn)備周期和高達(dá)數(shù)十億日元的工廠投資等，都能實(shí)現(xiàn)大幅度的削減。
目前，豐田將以3年后引進(jìn)為目標(biāo)，加速研發(fā)。
30年氫能研發(fā)的積累造就次世代氫燃料電池
關(guān)于氫能，之前有向大家陸續(xù)地介紹過其相關(guān)進(jìn)程和技術(shù)。
此次，氫能Factory山形總裁，表示要以研發(fā)、生產(chǎn)、銷售一體化的形態(tài)推進(jìn)商業(yè)化落地，直言“要通過以量定價(jià)的經(jīng)營(yíng)模式，努力提供價(jià)格更合理的產(chǎn)品”。
山形總裁還介紹豐田預(yù)估在2030年收到約10萬臺(tái)氫燃料電池的訂單，氫燃料電池市場(chǎng)將以商用車為中心實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。
與此同時(shí)，使用氫能源的氫燃料電池部件、氫原料本身，依然存在成本高昂的課題。
為了通過大型商用車等形式來進(jìn)一步推廣普及氫能應(yīng)用，在本次說明會(huì)的展示區(qū)，介紹了為更好地適應(yīng)商用場(chǎng)景，行駛和能耗性能都得到了提高的次世代氫燃料電池系統(tǒng)，以及一些降低車載儲(chǔ)氫罐制造成本的舉措。此外，針對(duì)制氫技術(shù)也進(jìn)行了說明。
面向商用的次世代氫燃料電池系統(tǒng)
氫燃料電池，是由被稱作“電池單體”的薄板狀回路堆疊而成的電堆構(gòu)造。薄板狀的回路則可以使氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而能夠發(fā)電。
此次說明會(huì)上展示的次世代電池單體發(fā)電量，可達(dá)到現(xiàn)有電池單體的1.3倍。
在耐久性方面，本次展示的次世代產(chǎn)品需要保養(yǎng)所間隔的周期與燃油車相比，延長(zhǎng)了2.5倍。從汽車的壽命來看，甚至可以達(dá)到幾乎不需要保養(yǎng)的程度。
另外，與目前的電池單體相比，在電堆成本減少一半的同時(shí)，續(xù)航里程又能增加20%，如果拿東京到大阪來舉例，駕乘途中則無需再加氫，可以說實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的改善。
可以說這個(gè)次世代電池單體凝聚了豐田30年積累下來的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
例如實(shí)時(shí)測(cè)量和分析電池單體內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象；模擬納米尺度的化學(xué)反應(yīng)；以及高精度化學(xué)觸媒的涂裝工藝等。
通過高超的技術(shù)實(shí)力，不僅延緩了因腐蝕等引起的劣化，還使制造所需材料的價(jià)格變得更經(jīng)濟(jì)。這樣具有高競(jìng)爭(zhēng)力的次世代電池單體，計(jì)劃在2026年投入實(shí)際應(yīng)用。
用造車技術(shù)“制”氫
除了次世代氫燃料系統(tǒng)性能的提升以外，本次說明會(huì)還針對(duì)削減氫能源自身成本的舉措進(jìn)行了介紹。
3月電裝在福島公布的電解水制氫裝置中，應(yīng)用了MIRAI的氫燃料電池技術(shù)。
通過氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的MIRAI的電池，和水電解制氫裝置中使用的電池單體有九成的零部件是共通的，無疑是彰顯了豐田認(rèn)真制氫的姿態(tài)。
會(huì)上還提到，未來計(jì)劃在泰國(guó)導(dǎo)入與三菱化工機(jī)共同研發(fā)的實(shí)證機(jī)器，將使用到通過雞糞產(chǎn)生的沼氣來制氫的項(xiàng)目里，從而推進(jìn)在當(dāng)?shù)氐臍淠茉粗圃旌拖M(fèi)。
為了向乘用車普及，改變儲(chǔ)氫罐的外形
在大型商用車上搭載的儲(chǔ)氫罐，通常是碳纖維材料的圓筒（直徑約50cm，長(zhǎng)約2m）。
若將此類儲(chǔ)氫罐標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一為1種，儲(chǔ)氫罐的成本則可以削減25%并能加速普及；通過將氣態(tài)氫液化，可大幅減少氫的體積，從而確保更大的乘用空間。
氫能Factory的Chief Project Leader濱村芳彥總監(jiān)（氫能事業(yè)領(lǐng)域）也介紹了被佐藤恒治社長(zhǎng)問到“為什么儲(chǔ)氫罐的形狀一定要做成圓型呢？”的背后故事。
“佐藤社長(zhǎng)也是技術(shù)出身，他本人其實(shí)知道答案，但仍然提出了這個(gè)問題。于是我也順勢(shì)回應(yīng)道：‘當(dāng)然可以做到（不一定要做成圓形）。’”
于是，會(huì)上公開了正在研發(fā)階段的馬鞍型和平板型儲(chǔ)氫罐。通過改變儲(chǔ)氫罐的外形，不但可以實(shí)現(xiàn)將其搭載到現(xiàn)有車型上，而且還可以提升設(shè)計(jì)的自由度。
另外，豐田也表示，正在考慮將次世代氫燃料系統(tǒng)的電池單體的尺寸減半，從而可以實(shí)現(xiàn)從小型車到大型車的全線產(chǎn)品搭載。
“改變汽車的未來”,更是激發(fā)公司內(nèi)部原生動(dòng)力的主題
“本次技術(shù)說明會(huì)以BEV、氫能為中心，公開了多項(xiàng)豐田新技術(shù)。除了加深媒體、股東、投資人等對(duì)這些技術(shù)的理解，還有一個(gè)主要目的是向公司內(nèi)部傳達(dá)信息。”工程師出身的中嶋副社長(zhǎng)這樣說道。
“我認(rèn)為，讓技術(shù)人員自己講述并傳遞如何‘改變汽車未來’的經(jīng)驗(yàn)，更能促使大家思考自己在達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的過程中應(yīng)該扮演什么樣的角色，起到什么樣的作用。”
由工程師來自行講述研究成果，并接受世人的檢驗(yàn)和客觀的審視，通過這一方法，才能真正知曉客戶的需求，推進(jìn)更深層次的研發(fā)。
希望“制造更好的汽車”這一想法可以繼續(xù)根植在技術(shù)研發(fā)一線，并不斷循環(huán)，不斷傳承下去。
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