丰田电动化系列报道之二

二十年磨一剑 浅析丰田的“三电技术”到底有多强

2018年09月19日14:44  来源:人民网-汽车频道
 

一直以来,谈到丰田的新能源技术,人们往往想到的只有普锐斯和混合动力技术。可能是因为丰田的混动技术太知名,再加上丰田的行事风格太低调太愚直,人们始终不知道,发展混动技术仅仅是丰田为了实现汽车电动化发展中的一个步骤。

在上一期丰田电动化系列报道中,人民网汽车频道报道了丰田电动化技术以及相关发展历程(详情请点击:只有混动独步天下?其实在整个电动化领域丰田早已布局二十年)。本期,让我们一起了解一下丰田在电动化领域究竟做了什么,作为全球销量第一的汽车集团,面临着电动化的全新趋势,丰田布局之早、技术储备之丰富,都是令人意想不到的。

车辆电动化有三大关键技术,分别是电动机、PCU(电控单元)和电池技术。这三大技术加上发动机就是HEV;加上充电设备就是EV;同时加上发动机和充电设备就是PHEV,而加上燃料电池和储氢罐就是FCEV。所以无论哪种形式都离不开这三大关键技术,丰田就是在这三大关键技术上有着自己独到的研究,也是丰田电动化发展的成果。

丰田自上世纪70年代开始研究,直到第一代普锐斯的问世,可以说就掌握了这三大关键技术的研发和制造。而接下来的20多年里,丰田做的就是把电动机、PCU和电池实现轻量化小型化,同时还要有更高效能和更优品质,但成本只降不升。

我们知道,电动车之所以难以发展,一个重要的瓶颈就是电池的储能密度太低。燃油车实现500公里的续航,只需50L左右的燃料就足以,而纯电动车,则要安装数百公斤的电池包。

丰田一直在致力于电池包的减重。通过零部件小型化和整合,每一代的普锐斯电池包体积都在缩小。此外通过电极材料和控制改良,电池的整体性能和针对不同车型的通用性也有了大幅提升。最新一代的电池组最大输入功率比第一代提升了68%,最大输出功率提升了28%。

具体到电池上,第一代普锐斯电池单体采用了圆形Ni电池,到了第四代已经优化为方形LI-ion电池。此外丰田在混动系统中加入升压转换器,从而降低电池额定电压,减少电池单体数量。这也让电池在车内布局上选择性更多,在不影响使用空间的同时,小型车搭载混动系统变得更为容易。从第一代安置于后座背面到第四代电池包可以安置于后座之下,安置位置的变化也为扩大后备箱体积做出了贡献。

在动力控制单元(PCU)方面,同样也是遵循低损耗、轻量化和低成本的开发原则。距离来说,第一代PCU的体积高达17.4L,而发展到第四代,体积几乎缩小了一倍,仅为8.4L,同时输出功率密度则提升了2.5倍。

PCU主要由IPM、升压变压器、电抗器、冷却器、DCDC变频器构成,从第二代普锐斯开始增加升压变压器,将系统电压提升到500V,追加升压变压器的目的在于降低电流和设备损耗,从而同等功率下实现系统的小型高效及低成本化。冷却性能层面,第四代PCU采用双面冷却结构大幅提高冷却性能。

丰田针对电机技术优化主要包括优化电机特性和减速机构提升电机小型轻量化,提高电动机冷却性能、推高电价驱动单元效率降低损耗、提高电动单元静谧性。

针对驱动桥的小型轻量化技术,丰田从第三代开始采用齿轮传动,降低纵向距离。第四代驱动机发电机采用平行轴设计。最终通过改变齿轮组、电动机室油室化、优化油位等,将损耗降低了60%。

第一代电动机体积为5.1L,到了第四代体积已经降低到2.2L。第四代电动机最高转速可达17000rpm,转速比第一代提升了3倍。

第四代电动机定子绕组线圈采用方线(平角线)布局,增加铜线面积提高线圈槽满率,提升通过电流。

可以看到,这三大关键技术历经了四代发展,丰田的混动技术也历经了四代发展。从97年的第一代普锐斯到现在的第四代普锐斯,混动系统的体积逐代减小、成本逐代降低、性能逐代提升,而燃油燃烧效能也逐代提高。第一代普锐斯消耗一升燃油可行驶28公里,如今第四代消耗一升燃油可行驶40.8公里,大大减少了化石燃料的消耗,降低了二氧化碳的排放。这就是成果,而这些除了推动混动技术的发展之外,更极大地推动了丰田EV、PHEV和FCEV的同步进步。

在发展混合动力技术的同时,丰田并没有拘泥于单一的技术路线。2013年,丰田基于自家的微型车iQ推出了iQ EV纯电动版本。这台微型电动车仅仅是丰田的一次试水。

不只是电动车,丰田早就开始了对燃料电池的布局,旗下的Mirai就是较早量产并面向开放市场的氢燃料电池车(FCEV),早在2014年就已面世。通过从HEV普锐斯研发的成功经验中,燃料电池车的发展也在不断汲取着养分。于是我们能够在2014年看到氢燃料电池车Mirai的上市。Mirai采用的氢燃料电池技术可以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。但其相比于纯电动车的优势在于其无需充电,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汽油和柴油等化石燃料,加氢3分钟续航超500公里。由于氢氧反应后排放的气体仅为水,因此实现了0污染。

另外,普锐斯也没有局限于混动形式,插电混动形式的普锐斯也已经实现了量产。如果说第一代普锐斯之前,丰田还在做技术储备的话,那从第一代普锐斯开始,HEV就开始得到普及,而丰田的电动化技术也开始蓬勃发展。

可以看出来,经过20年的发展研磨,丰田对电动化技术有着深厚而扎实的储备。但是为什么直到2020年,丰田才愿意全面推进EV战略呢?

这又要回到丰田的造车理念上来。愚直的丰田始终没有忘记自己的“初心”。既然电动化的根本目的是解决环保问题,那么丰田确实还有些事没找到答案。

事实上,在我国纯电动车在行驶过程中虽然确实相比燃油车环保,但是在能量制造和储备过程中、车辆制造过程中、行驶时、维修时以及报废后,等等各个环节中的环保问题尚难以解决。虽然这样“100%”的环保不可能一蹴而就,但丰田人认为,第一款EV车在制造时,就得尽可能的节能环保。

举一个例子。在城市中设立移动充电车给车辆充电的方案,丰田人觉得并不理想。即便这台充电车也是电动车,但它载着几吨重的电池在大街上跑,这很不环保!目前丰田的解决方向是非接触式自动充电,也就是现在手机实现的无线充电。

再举一个例子,一些厂家连电池如何回收,稀有金属如何提取都没万全之策,就接二连三地推出电动车,这也很不环保,丰田人觉得这是车企未雨绸缪的责任。丰田的混合动力,从1997年量产普锐斯到现在,回收利用的体制就在不断实施、探索、改进。

事实上,丰田的电动化布局不只仅限于产品。要实现丰田所构想的电动化移动社会,还需要让电动化产品和资源能源达成和谐的局面。报废电池的再利用再循环可实现资源的节约和循环使用。另外则要有效的利用电能和氢能等可再生能源,降低对化石燃料的依赖,实现可持续发展。为此,丰田建立了Hama Wing制氢工厂、虚拟电厂、氢燃料网络、低碳氢供应链等,这样就有效的利用可再生能源实现了“制造、运输、使用”整体的低碳化。

制造出高水平的电动化车型或许不难,但要构建可持续发展的电动化移动社会却不容易,然而丰田似乎已经做出了成绩。这就源于其几十年来的电动化探索,以及不仅限于产品的电动化理念。如果汽车行业没到转型之际或许丰田还想再沉淀几年,以求以更加完美的姿态出现,不过现在电动化杀声四起,丰田也不得不亮剑了,而这丰田电动化的剑也确实锋利无比。

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(责编:胡挹工、吴晓琴)

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