豐田汽車去年末針對其電動(dòng)汽車開發(fā)連續(xù)發(fā)表了一系列說明，11-12月短短3周的時(shí)間內(nèi)召開了3場媒體說明會(huì)，向外界表明豐田將普及EV的同時(shí)，表達(dá)了其將率先開發(fā)電動(dòng)汽車相關(guān)核心技術(shù)的姿態(tài)，同時(shí)更是讓外界看到豐田希望通過發(fā)展電池技術(shù)等進(jìn)而引領(lǐng)行業(yè)的意圖。10月份的東京車展上，豐田展示了下一代全固態(tài)電池，更是表明了將在2020年代前半期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)化。自此，豐田似乎已經(jīng)完全從過去的根據(jù)市場對EV的要求與技術(shù)成熟度來“等待”開發(fā)的姿態(tài)，正式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)出擊的“攻擊“姿態(tài)。

在12月13日的新聞發(fā)布會(huì)上宣布將考慮與松下合作推進(jìn)車載方型電池業(yè)務(wù)，以及在12月18日宣布到2025年將完全取消僅有燃油引擎的車型，這兩次會(huì)議的說明更是特別強(qiáng)調(diào)了豐田的上述意圖（圖1（a）（b））。

圖1 連續(xù)發(fā)表電動(dòng)化技術(shù)相關(guān)說明

在12月13日的采訪中社長豐田章男表示豐田至2030年的銷售目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)50%的銷量車型電動(dòng)化，同時(shí)2020年開始正式推進(jìn)EV車型，至2030年EV與FCV合計(jì)比率超過10%。此外，研討與松下合作，聯(lián)合開發(fā)和生產(chǎn)車用高容積率方形鋰離子電池。

而在12月18日，公司副總裁寺師茂樹先生則談到了之前從未提及的EV核心部件電池的相關(guān)計(jì)劃，表明豐田的目標(biāo)是解決電池批量采購問題和充電時(shí)間等技術(shù)問題。到2030年，豐田將在電池開發(fā)和生產(chǎn)上投入1.5萬億日元。

由于受各國EV發(fā)展優(yōu)惠政策的拉動(dòng)，電動(dòng)汽車的普及速度比豐田公司預(yù)想的快了很多。按照豐田最初的規(guī)劃，由于續(xù)航里程、充電時(shí)間、電池衰減以及批量采購等等課題的存在，并未將EV作為電動(dòng)汽車的主力而計(jì)劃主力發(fā)展HEV與PHEV。但是由于補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策的刺激，現(xiàn)有的EV似乎已經(jīng)比PHEV更受部分市場的歡迎。例如，在EV與PHEV同時(shí)具有補(bǔ)貼的上海市PHEV占7成EV占3成，但在僅補(bǔ)貼EV的北京市則EV占了7成，而PHEV僅為3成。此外，EV普及率最高的挪威也是因?yàn)榇嬖谪S厚的優(yōu)惠政策。

如果EV在全球范圍內(nèi)普及的話，對于汽車廠家來說主要的競爭力可能就由電池的采購能力決定。豐田一直參與HEV與PHEV的電池開發(fā)。然而，現(xiàn)有的車用鋰離子二次電池已經(jīng)難以通過技術(shù)實(shí)力在電池規(guī)格上形成差異性產(chǎn)品，可以說完全變成了“設(shè)備投資產(chǎn)業(yè)”。自主生產(chǎn)的必要性減小的同時(shí)，卻也存在外部采購的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)槟壳霸谠牧系匿嚵颗c電池產(chǎn)能中占據(jù)優(yōu)勢的都是中國的大型鋰離子電池廠家，而將EV發(fā)展的生命線交給這些中國廠家卻也存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

（從報(bào)道中看到以豐田為首的日系汽車廠商，對于從中國國內(nèi)的鋰電池行業(yè)采購還是存在巨大憂慮，原本在電池行業(yè)具備優(yōu)勢的日本企業(yè)估計(jì)很難放棄本國的電池產(chǎn)業(yè)。）

豐田預(yù)計(jì)通過與松下合作來確保未來鋰離子電池的采購。據(jù)說雙方在共享電動(dòng)汽車生產(chǎn)計(jì)劃的同時(shí)，生產(chǎn)設(shè)備的投資正在順利進(jìn)行。此外，還將構(gòu)建回收體制，實(shí)現(xiàn)原材料采購方法的多樣化。合作討論順利進(jìn)展使得兩個(gè)公司的合資電池制造公司Prime Earth EVEnergy（PEVE）可能會(huì)繼續(xù)增產(chǎn)。據(jù)豐田表示，現(xiàn)有的10條產(chǎn)線具備年產(chǎn)PHEV130~150萬臺(tái)的產(chǎn)能，而至2030年的目標(biāo)產(chǎn)能大約是現(xiàn)有HEV與PHEV產(chǎn)能的3倍以上。

合作的內(nèi)容還包括全固態(tài)電池的開發(fā)。豐田表示，即使現(xiàn)在沒有優(yōu)惠政策，為了能夠制造出更被顧客接受的EV汽車，豐田會(huì)加速開發(fā)高容量密度且充放電性能、衰減性能均優(yōu)于現(xiàn)有電池的全固態(tài)電池。豐田考慮500km以上的續(xù)航里程以及5分鐘左右的充電時(shí)間（與現(xiàn)有燃油車同等水平）是EV汽車必須具備的條件，而現(xiàn)有Li離子電池是難以實(shí)現(xiàn)的。如果豐田能使其領(lǐng)先的全固態(tài)電池技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，那受制于中國電池廠商的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)降低。

但是，豐田通過與松下的合作是否就能在2020年代前半期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化還需要打一個(gè)問號。一方面對于豐田最初設(shè)想商業(yè)化的基于硫化物的全固態(tài)電池，松下的電解質(zhì)材料存在差異，所以聯(lián)合開發(fā)不一定順利進(jìn)展。另一方面，具有豐富的鋰離子電池研發(fā)和量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的松下似乎并不認(rèn)為全固態(tài)電池能在這么早期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，商業(yè)化的難度可能比豐田預(yù)想的更高。

豐田在去年11月27日的發(fā)表會(huì)上主要展示了其通過HEV積累的電動(dòng)汽車技術(shù)成果（圖1（c）與圖2）。主要是用于電池，電機(jī)和電機(jī)控制的PCU（電源控制單元）技術(shù)。

圖2 電機(jī)、電池、逆變器是EV汽車的核心

豐田認(rèn)為其針對HEV車輛開發(fā)的搭載了電機(jī)、電池、逆變器的PCU單元，同樣也是PHEV、FCV與EV汽車的核心技術(shù)。在電池方面，豐田強(qiáng)調(diào)不僅是電芯實(shí)力，而是要具備包括監(jiān)視電池狀態(tài)的傳感器、以及冷卻系統(tǒng)等在內(nèi)的綜合實(shí)力（圖3）。這些積累的技術(shù)將來也會(huì)應(yīng)用到全固態(tài)電池上。此外豐田還將繼續(xù)低成本、原材料采購風(fēng)險(xiǎn)小的鎳氫電池生產(chǎn)。

圖3 豐田超過20年的HV電池發(fā)展歷程

總結(jié)了“普銳斯”電池的發(fā)展過程，現(xiàn)有的第4代車型中采用鋰離子電池，除了電池，確保穩(wěn)定性與安全性的控制電路、以及冷卻裝置等在高性能化與小型化方面都有了很大改善。

關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)和PCU，以下也展示了歷代Prius上搭載的產(chǎn)品，最新一代的產(chǎn)品同樣顯示了不斷小型輕量化的趨勢（圖4）。其中，PCU中通過采用SiC功率元件預(yù)計(jì)在未來將大幅變小。

圖4 通過功率半導(dǎo)體改善冷卻機(jī)構(gòu)與模塊，實(shí)現(xiàn)PCU小型化

普銳斯“PCU“功率控制單元隨著每一代的更新，不斷朝著小型化與提高功率密度發(fā)展。目前的第四代產(chǎn)品功率密度差不多達(dá)到了第1代產(chǎn)品的2.5倍。而這些發(fā)展主要是通過改善PCU內(nèi)功率模塊的結(jié)構(gòu)、IGBT芯片的冷卻結(jié)構(gòu)，以及IGBT芯片而實(shí)現(xiàn)。

安裝在PCU上的升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器等電源轉(zhuǎn)換器中使用晶體管和二極管作為功率元件。到目前為止，這兩種元件都使用Si元素，通過用SiC取代Si，可以大大降低功率損耗。如將僅將二極管替換為SiC的混合型PCU中，功率損耗大約減小30%；而在晶體管與二極管全部替換成SiC的全SiC型PCU中則功率損耗可以減小50%以上。由于功率損失越小發(fā)熱量就越小，所以容易小型化。另外，由于SiC功率元件可比Si功率元件在更高的溫度下工作，從而可以簡化冷卻機(jī)構(gòu)，適合小型輕量化。根據(jù)豐田此前宣布的研究成果，全SiC型PCU較普通的配置Si功率器件的PCU，體積可以縮小到1/5。

雖然SiC功率元件很適合PCU小型化，但其成本比Si功率元件高。目前雖然二極管的成本降低已經(jīng)取得進(jìn)展，但晶體管的成本降低還有待改善。溝槽式SiC MOSFET是降低成本的關(guān)鍵。相比一般的平面型SiC MOSFET,溝槽式產(chǎn)品因?yàn)榭梢越档蛯?dǎo)通電阻，相同電流容量的話更易實(shí)現(xiàn)小型化。也就是說從同樣的SiC晶片（基板）上獲得的芯片數(shù)量增加，所以適合于降低成本。

豐田采用SiC的趨勢形成已久,2013年12月，該公司的電子設(shè)備和半導(dǎo)體開發(fā)核心據(jù)點(diǎn)廣瀨工廠內(nèi)就新建了SiC的專用無塵間。而在2015年，搭載了溝槽型SiC MOSFET的豐田試驗(yàn)車輛又實(shí)施了公共道路上的試運(yùn)行試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，豐田的SiC功率器件開發(fā)人員還參加了學(xué)術(shù)會(huì)議和演講會(huì)，讓外界看到豐田將積極采用SiC的姿態(tài)。然而至2017年這種宣傳突然停止了，大多數(shù)電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)為，這并不是豐田放棄了采用SiC，而是進(jìn)入了量產(chǎn)化階段的“潛伏模式”的證據(jù)。豐田目前的戰(zhàn)略是將應(yīng)用在大量出貨的普瑞斯上的電動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展到其他車型。如果遵循這一方針的話，2020年左右上市的下一代普瑞斯中，將有望采用新的SiC功率元件。

在PCU中“采用SiC”這一主要改善路徑已經(jīng)清晰可見，然而豐田針對電機(jī)的發(fā)展則還處于“正在研究下一代技術(shù)“的模棱兩可狀態(tài)。一般來說，改善電機(jī)有三個(gè)方向， “小型輕量化”，“降低成本”以及“在更廣功率范圍的高效率化”。關(guān)于小型輕量化，豐田通過提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)（圖5），而今后還將進(jìn)一步研究如何加快速度。

圖5豐田電機(jī)的小型輕量化與低成本化

普銳斯的電機(jī)每一代都在推動(dòng)小型化和輕量化（a）。例如，在現(xiàn)有的第4代中，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到約17000rpm，大約為第1代的3倍快，而且尺寸和重量都有減小（b）。由于小型化，電機(jī)的輸出功率比第1代提高約4.2倍（c）。越是小型輕量化，材料越是減少，削減了材料成本。同時(shí)，豐田在削減磁鐵成本上也投入了大量精力，第4代車型中配置在定子上的Nd-Fe-B（釹─鐵─硼）永磁鐵，也就是所謂的釹磁鐵的量較第1代減少了一半（d）。此外，添加在永磁體中用于提高高溫性能的昂貴重稀土元素Dy（鏑）的數(shù)量，也得到了大幅減?。╡）。與第1代相比，第4代的使用量減少了約96％。豐田的技術(shù)人員表示今后通過改善可能會(huì)進(jìn)一步減少用量使得盡可能接近0%。（圖：根據(jù)豐田汽車的材料創(chuàng)建）

而作為在更廣的做功范圍內(nèi)的高效率化實(shí)現(xiàn)手段，豐田則是在可變磁通電機(jī)上進(jìn)行了研究開發(fā)?？勺兇磐姍C(jī)根據(jù)做功區(qū)域（動(dòng)作條件）不同改變磁通密度，從而實(shí)現(xiàn)在低速/高速不同區(qū)域內(nèi)的高效率化。