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2018-09-22 11:13 来源:维基百科

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通向无污染零排放 丰田20年电动化技术回顾

财政资金使用要聚力增效。

[2018-09-22 17:19:06  来源:北青网汽车  编辑:朱兵兵  作者:]

导读: 丰田作为全球最大的车企之一,近年来每年都能售出上千万台汽车。在高收益的背后,丰田深知它们理应承担更多的社会责任、对环境保护做出自己的贡献。为此,丰田提出了努力在2050年达成旗下全部车型零排放的目标。为实现这个实在不算小的目标,我们看到了丰田在大规模推广HEV混动车上的努力:普锐斯早已在世界范围内成为环保的代名词。

  在20年的电动化道路上,丰田不但敢于提出愿景,更可贵的是丰田还有技术实力将愿景变为现实。极少有汽车厂商能像丰田一样坚持20年电动化底层技术开发。而以丰田一贯的产品理念,其未来推出的车型同样值得信赖。

  丰田作为全球最大的车企之一,近年来每年都能售出上千万台汽车。在高收益的背后,丰田深知它们理应承担更多的社会责任、对环境保护做出自己的贡献。为此,丰田提出了努力在2050年达成旗下全部车型零排放的目标。为实现这个实在不算小的目标,我们看到了丰田在大规模推广HEV混动车上的努力:普锐斯早已在世界范围内成为环保的代名词。那除了混动车之外,丰田还需要怎样的技术才能实现目标呢?

  丰田对低碳排放的思考与尝试

  在说车之前,我们得先了解一下为什么要大力推广混动车和电动车。众所周知,汽车是依赖化石燃料燃烧提供动力的,而化石燃料燃烧会产生大量废气。其中像一氧化氮、硫化物和颗粒物等污染物在经过汽车的三元催化、EGR废气循环等装置后已经基本得到控制,但燃烧产生的二氧化碳则无法避免。统计数字显示,交通的碳排放量占世界各国总排放量的23%,如果减少汽车的碳排放—也就是减少化石燃料的消耗,就能够有效减少碳排放总量,延缓温室效应等环境恶化。换句话说,汽车越省油、对环境的益处就越大。

  根据丰田的调查统计,纯内燃机车型在整个生命周期中的二氧化碳排放量是最高的,主要表现在车辆行驶过程。相对而言,EV和FCEV车型在行驶中的二氧化碳排放为零,主要排放反而表现在车辆制造过程。因此,对于丰田来讲,减少电动汽车固有零部件和材料制造时的二氧化碳排放,是实现电动汽车高度环保的必要途径。

  如果不计入发电和生产环节、单论自身的话,排放完全为零,对环境的贡献就可想而知,这也是为什么目前各大车企都致力于车辆的电动化。丰田其实是电动化研发起步非常早的企业之一,早在上世纪80年代就已经推出了名为EV-10到EV-40系列的小型纯电动车。

  上世纪80年代的电机和电池水平极大的限制了电动车的性能,因此电动车能够量产并大规模使用的机会几乎为零,像EV-30这样的微型代步小车是唯一解。随着技术的进步,丰田在1997年,也就是初代普锐斯问世的同年推出了纯电动的RAV4 EV。

  RAV4 EV和普锐斯是丰田十几年电气化研究的成果,尤其是镍氢电池组的量产,在当年是绝对的领先。在RAV4 EV上,我们还能看到电子空调、电动刹车泵和电动转向助力,这些都是具有绝对前瞻性的装备,至今仍在大量的纯电动车上有所应用。

  丰田于1997年推出第一代普锐斯,采用开创性的THS混动技术

  丰田电动化底层技术积累

  随后,丰田把研发重点放在了技术更成熟、消费者接受程度更高的HEV混合动力车上,但这并不意味着丰田放弃了纯电动车,HEV混动车给丰田带来了丰厚的电池、电机、电控这三电系统的研发基础。

  第四代普锐斯上的电池组,采用镍氢+锂离子电池组合

  丰田在三电系统的研发上秉承小型化、轻量化、集成化的理念,目的是提升整套系统的效率。

  在电池方面,丰田的第一代电池模块只是将1号干电池规格的镍氢模块串联到一起,电池包的体积比较臃肿。而到了第一代后期,丰田就放弃了低效的柱状镍氢电池,转向能量密度更高的方形电池封装形式。到了第四代的电池包,其体积已经大大缩减。丰田经过多次技术迭代,采用镍氢+锂离子电池组合的方式,从而兼顾高能量密度和高可靠性两个电池的重要指标。第四代电池的体积比第一代缩小了76%,能量密度也大大提升。

  在电机方面,丰田从第一代的5.1L体积缩小到第四代2.7L,同时系统功率从30kW翻倍达到60kW,最大转速也提升至17000rpm。从照片中水平的直观参照中也能看出第四代与第一代电机转子、定子之间巨大的体积差异。

  体积的减小哪有那么容易?例如,第一代电机的绕组采用圆柱形铜丝,而到了第四代则改进为方形绕组,就是因为方形比圆柱形能够更好地填充绕组之间的空隙。方形绕组铜丝外表面的薄膜加工难度更高,所以从这个细节我们就能看出,简单的体积优化背后,是丰田在底层技术研发上所做的巨大努力。

  我们知道,降低价格门槛是推广电动车的最根本途径。电机中物料成本非常高的部件当属钕铁硼永磁体的用量。在电机方面,输出转矩由磁铁转矩和磁阻转矩组成,降低磁铁用量就会降低磁铁转矩,但优化结构便能大大提升磁阻转矩。丰田一直在优化钢片内的永磁体结构,从第一代的单片形到第四代三片复合,优化后的磁通量大大增加,最终第四代的磁铁用量只有第一代的50%,很大程度上降低了电机的物料成本。

  而在电控PCU方面,丰田的研发也是卓有成效。从图片中可以看到,第一代PCU位于发动机右侧,几乎占据了半个发动机舱的空间,而且不得不为它专门设计托架。而到第四代,小型化后的PCU的体积仅为第一代的一半,可以直接搭载于驱动桥上方,托架的体积和重量也得到控制。

  集成化是PCU体积减小的重要原因。丰田在第四代开创性地采用层叠结构的IPM功率模块,可以根据车型的定位增加或减少层叠数量,自由度更高,体积也比前三代的平面结构大大优化。另外,第四代的PCU针对功率半导体采用双面冷却系统,性能更加稳定。

  很少有汽车品牌能像丰田这样在底层技术研发上坚持20年,并且开发出前后四代电动化系统,这样的技术积累不是竞争对手们一朝一夕便能拥有的。也正因如此,丰田才有勇气在接下来的电动化道路上,始终坚持品牌的基调——高效、可靠、有保障。

  未来并不遥远,丰田的电动化之路

  iQ EV是丰田近年来在纯电动车上的一次试水(2013年发布),可能一部分人认为续航比起RAV4 EV是一种下降,但其实iQ EV的电池容量比前者少了一半,而续航则能达到前者的56%,效率上有不小的提升。当然,丰田的电动化之路远不止于此。

  除了充电,丰田又在新能源汽车领域探索到了一种新的可能性--氢燃料电池车。这种“黑科技”可以在车内让氢气在催化剂的作用下与氧气反应产生电能,并通电机驱动车辆。相比于纯电动车,它的优势在于无需充电、只用加氢气的方式实现续航,大大缩短了每次“进站”的时间,相当于用氢燃料代替了化石燃料。由于氢氧反应后排放的气体仅为纯净水,因此实现了零污染。Mirai作为全球首款大规模量产的氢燃料电池车之一,体现了丰田在新能源领域雄厚的技术实力。

  每种新兴的交通工具推广都是一项革命,因为这不仅涉及到车辆本身的性能,还有与车相关的配套服务,这关系到新用户的用车是否便利。对于氢燃料电池车来说,刨除本身车辆的成本,作为燃料的氢气在制造、运输、储存、加注等各环节都是巨大的挑战:如何保证安全、低成本和高效,这都是亟待解决的难题。在推广氢燃料电池车方面,丰田不但需要勇气、更需要长期的战略规划和统筹各行各业的能力,甚至已经超出了车企本身的范畴。

  中国作为全球最大的新能源车市场,丰田自然不容忽视,将从2019年开始陆续在华推出大量PHEV和EV车型,首当其冲的就是卡罗拉/雷凌的插电混动。

  卡罗拉、雷凌外插充电式混合动力版车型是根据中国道路的驾驶环境,切实针对中国消费者的需求进行现地研发的,其主要核心零部件都实现了高度国产化。正因如此,新车在明年初上市时,即可享受国家的新能源补贴和免征购置税的优惠政策,使其性价比尤为突出。

  普锐斯插电混动版

  2020年,由丰田自主研发的EV车型将导入国内。丰田和雷克萨斯两个品牌将同步在全球范围普及电动化车型。并在2020年代前半期,推出10种以上电动化车型,主要以高级车、中小型家用车、个人出行(摩托)、短途行驶车辆为主,有乘用、商用等多种用途,包含了预计在2025年推出的普锐斯电动版和Mirai电动版;同时,皇冠、卡罗拉这些曾经的燃油车型也都将采用电动化技术。

  丰田氢燃料电池概念车FINE-Comfort Ride

  丰田领先的氢燃料电池技术自然不会止步在Mirai一款车型。到2020年,氢燃料技术将用于长途大巴、大型货车、公共汽车等大型商用车辆。同时,氢燃料电池车Mirai也正在国内进行测试,预计离我们的生活也并不会太过遥远。到2030年,丰田的新能源车销量计划为550万台,将占丰田总销量的50%,其中有10%将会是氢燃料电池车型。最终到2050年,丰田的终极目标——零排放将在旗下EV、FCV、HV、PHEV各类新能源车型的支持下实现。

  写在最后

  从丰田对新能源车的大力推广中我们不难看出这是一家具备社会责任感的企业,在20年的电动化道路上,它不但敢于提出愿景,更可贵的是丰田还有技术实力将愿景变为现实。而以丰田一贯的产品理念来看,其未来推出的车型将同样值得信赖,让我们拭目以待。

 

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