TOYODA丰田以固态电池氢能驱动汽车未来
近日，丰田汽车（以下，丰田）面向媒体，公开举办了一场技术说明会。就新经营体制提出的——实现“电动化”、“智能化”、“多样化”的新技术进行了展示、体验与说明。
本次说明会上电动化的次世代技术尤为引人瞩目。今年5月刚成立的BEV Factory总裁加藤武郎，将于7月开始担任氢能Factory总裁的山形光正，就新组织负责研发的产品与事业展望进行了解说，毫不吝啬地公开了20多项新技术的开发情况。本次说明会的发起人中嶋裕树副社长，再次重申了丰田新经营体制“改变汽车的未来”这一主题，更展现了作为丰田首席技术官的决心与斗志。“无论是被视作混合动力技术代名词的普锐斯，还是氢燃料电池轿车MIRAI，至今为止丰田凭借自身技术实力，攻克了很多技术难题，并开拓了未来。丰田将继续通过技术的力量，为消费者创造美好的未来，并将汽车与社会链接起来，引领构建崭新的未来社会。”
〈BEV〉支撑2030年全球纯电销量达到350万台的次世代电池技术
BEV Factory成立后，首次公开亮相的加藤总裁提到：“用BEV改变未来。对汽车、制造、工作方式的变革，一定可以为丰田带来更好的发展。”
说明会上公布BEV Factory负责研发的丰田次世代BEV产品*中的首款计划于2026年上市。2030年丰田全球BEV销售规模预计达到350万台，其中次世代BEV产品将占到170万台的水平。*次世代BEV将对电池、平台、制作方式进行全维度创新，给纯电能源提供一个最能发挥的方式：将电池能力发挥到极致，将电耗控制到更低水平，使续航里程达到1000km，同时会追求更加令人兴奋的行驶质感与外观设计。新的产品会从雷克萨斯品牌开始投入市场。
本次说明会首次公开了两款有望被搭载到次世代BEV产品上的锂离子电池，分别为“性能版电池”与“普及版电池”。
上图从左至右依次展示的是现行版电池、计划于2026年搭载使用的“性能版电池”、计划于2026~27年挑战投入实际应用的“普及版电池”。之后是挑战于2027~28年投入实际应用的“高性能版电池”和“全固态电池”。画面中间三款电池出于商业保密对图像进行了模糊处理。“性能版电池”:提高了电池能量密度，配合车辆的空气动力学改善，可将续航里程提升到目前的2倍，达到1000km。同时完成成本降低20%，实现快充不到20分钟的目标。“普及版电池”：是将已经应用于HEV镍氢电池上的双极结构，通用到BEV电池上。续航里程比目前增加20%，快充同样可以达到30分钟以内。由于零件数量可控制在四分之一到五分之一之间，成本可降低40%左右。
双极结构是指，正反两面分别是正极与负极的集电体，再将这些集电体堆叠打包的结构。这样在做到体积紧凑化的同时，单个集电体的通电面积也比目前HEV电池有所增加，将这些集电体精准堆叠，则存在需要攻克的技术难点。另外，还有一款“高性能版电池”集各种优点于一身，也正在研发之中。该款电池采用了高镍正极材料，并使用双极结构。通过这些努力，“高性能版电池”与“性能版电池”相比，续航里程还可再增加10%，快充达到20分钟以内，成本有望降低10%。
“让电池也可以有丰富的选择”这是非常丰田的想法。面对丰富的产品线，丰田将不断推进能够灵活应对消费者需求的研发。
〈BEV〉全固态电池“新技术”的发现
全固态电池经常被称为“BEV游戏规则改写者”。在这次说明会上，还公布了有关全固态电池的新消息。
全固态电池的电解质为固体，离子运动速度更快，对高压、高温具备更强的耐受力。能够带来稳定的高功率、增加续航里程以及进一步缩短充电时间。此前，全固态电池寿命较短是核心课题。固体电解质随着电池的充放电反复膨胀和收缩，可能会引发龟裂，导致锂离子在正负极之间的流动会变得困难。本次，丰田正式公布，已经发现了克服这一课题的新技术。今后，在核算成本后，将全面进入面向量产研发的阶段。丰田曾在2021年时表示“全固态电池的导入将从HEV车型开始”，通过重新评估后明确表示，全固态电池将搭载到BEV车型上，并挑战于2027~28年投入实际应用。“性能版电池”，丰田将与Prime Planet Energy & Solutions（PPES）推进，“普及版电池”、“高性能版电池”、“全固态电池”与日本丰田自动织机共同推进，汇集丰田内部各方实力，努力实现产品投入实际应用。
〈BEV〉将火箭技术应用于空气动力学性能改善
决定BEV性能的不仅有电池研发。降低行驶阻力、能源再生的进一步扩大、整车能源与热效率管理等诸多要素需要与车辆研发共同考虑。作为车辆研发项目之一，加藤总裁在会上为大家介绍了丰田与三菱重工业宇宙事业部共同研讨如何将火箭的极超音速技术应用于汽车。
上图为用于风洞试验的模型。出于保密因素，部分图像进行了模糊处理。火箭周边空气由于摩擦、受到压缩会产生大量的气动加热效应，航空领域有可以在这样高温环境中保护火箭机体不受损伤的技术和经验。丰田正在与他们讨论将这些技术和经验运用于造车范畴。例如通过对车身表面进行处理等方式，控制车身与气流接触的局部，由此实现降低阻力。假设现有车身的风阻系数为0.20，进行技术处理后，丰田认为可以实现再降低10%的效果。另一个值得关注的点是，这样的技术应用将使车身形状摆脱材料束缚，无论是钢，还是铝。更可以让极致的车身设计与空气动力学性能，不再是鱼与熊掌，而可以兼得。这是蕴藏着巨大潜力的研发领域。目前，丰田正在以3年后投入实际应用为目标，不懈努力。
〈BEV〉随着制造水平的进化，实现投资和工序都减半
加藤总裁谈到：“之所以次世代BEV能够完成‘商品的进化’，正是因为背后是‘制造的再次进化’。如果用一个词来诠释制造的未来，应该是‘二分之一’。也可称之为‘BEV half’。通过模块结构和车辆自动化移动生产线技术将生产工序和工厂投资分别减至二分之一。通过数字孪生技术赋能，生产准备时间将减少至二分之一。”
次世代BEV车体采用了分成前、中、后三大块模块的新结构。其中只有中间部分搭载了电池，由于前、后模块均不受影响，可快速地将电池的进化同步到整车上。一体化铸造是实现这种模块化车身结构的一项重要制造技术。目前bZ4X的车身后部由86个金属板部件、经过33道冲压工序组成。如果用铝压铸工艺一体成形，最终可将零件数量和工序精简为1个。目标是将成本和重量都降低到现有水平之下，同时发挥丰田最为擅长的TPS（丰田生产方式），大大提高生产效率。
图中左侧是原本的后部模块，由钣金零件构成；右侧是使用了一体化铸造技术的新模块。
结合制造进化，会上还介绍了全新的生产技术“车辆自动化移动生产线”。在组装中的汽车可以自动行驶，移动到下一个工序。简而言之，将电池、电机、轮胎和无线终端安装到前、中、后三个模块后，就可以让其自动在工序间行驶。这样一来，生产线上便无需传送带，工厂的布局也将不受限制。同时，曾经以年为单位的量产准备周期和高达数十亿日元的工厂投资等，都能实现大幅度的削减。目前，丰田将以3年后引进为目标，加速研发。
〈氢能〉30年研发的积累造就次世代氢燃料电池
关于氢能，之前有向大家陆续地介绍过其相关进程和技术。此次，氢能Factory山形总裁，表示要以研发、生产、销售一体化的形态推进商业化落地，直言“要通过以量定价的经营模式，努力提供价格更合理的产品”。
山形总裁还介绍丰田预估在2030年收到约10万台氢燃料电池的订单，氢燃料电池市场将以商用车为中心实现增长。
与此同时，使用氢能源的氢燃料电池部件、氢原料本身，依然存在成本高昂的课题。为了通过大型商用车等形式来进一步推广普及氢能应用，在本次说明会的展示区，介绍了为更好地适应商用场景，行驶和能耗性能都得到了提高的次世代氢燃料电池系统，以及一些降低车载储氢罐制造成本的举措。此外，针对制氢技术也进行了说明。
〈氢能〉面向商用的次世代氢燃料电池系统
氢燃料电池，是由被称作“电池单体”的薄板状回路堆叠而成的电堆构造。薄板状的回路则可以使氢和氧发生化学反应，从而能够发电。此次说明会上展示的次世代电池单体发电量，可达到现有电池单体的1.3倍。在耐久性方面，本次展示的次世代产品需要保养所间隔的周期与燃油车相比，延长了2.5倍。从汽车的寿命来看，甚至可以达到几乎不需要保养的程度。另外，与目前的电池单体相比，在电堆成本减少一半的同时，续航里程又能增加20%，如果拿东京到大阪来举例，驾乘途中则无需再加氢，可以说实现了相当大的改善。
可以说这个次世代电池单体凝聚了丰田30年积累下来的技术和经验。例如实时测量和分析电池单体内部发生的现象；模拟纳米尺度的化学反应；以及高精度化学触媒的涂装工艺等。通过高超的技术实力，不仅延缓了因腐蚀等引起的劣化，还使制造所需材料的价格变得更经济。这样具有高竞争力的次世代电池单体，计划在2026年投入实际应用。
〈氢能〉用造车技术“制”氢
除了次世代氢燃料系统性能的提升以外，本次说明会还针对削减氢能源自身成本的举措进行了介绍。
3月电装在福岛公布的电解水制氢装置中，应用了MIRAI的氢燃料电池技术。通过氢和氧发生化学反应而实现发电的MIRAI的电池，和水电解制氢装置中使用的电池单体有九成的零部件是共通的，无疑是彰显了丰田认真制氢的姿态。会上还提到，未来计划在泰国导入与三菱化工机共同研发的实证机器，将使用到通过鸡粪产生的沼气来制氢的项目里，从而推进在当地的氢能源制造和消费。
〈氢能〉为了向乘用车普及，改变储氢罐的外形
在大型商用车上搭载的储氢罐，通常是碳纤维材料的圆筒（直径约50cm，长约2m）。若将此类储氢罐标准化统一为1种，储氢罐的成本则可以削减25%并能加速普及；通过将气态氢液化，可大幅减少氢的体积，从而确保更大的乘用空间。氢能Factory的Chief Project Leader滨村芳彦总监（氢能事业领域）也介绍了被佐藤恒治社长问到“为什么储氢罐的形状一定要做成圆型呢？”的背后故事。“佐藤社长也是技术出身，他本人其实知道答案，但仍然提出了这个问题。于是我也顺势回应道：‘当然可以做到（不一定要做成圆形）。’”于是，会上公开了正在研发阶段的马鞍型和平板型储氢罐。通过改变储氢罐的外形，不但可以实现将其搭载到现有车型上，而且还可以提升设计的自由度。另外，丰田也表示，正在考虑将次世代氢燃料系统的电池单体的尺寸减半，从而可以实现从小型车到大型车的全线产品搭载。
“改变汽车的未来”更是激发公司内部原生动力的主题
“本次技术说明会以BEV、氢能为中心，公开了多项丰田新技术。除了加深媒体、股东、投资人等对这些技术的理解，还有一个主要目的是向公司内部传达信息。”工程师出身的中嶋副社长这样说道。
“我认为，让技术人员自己讲述并传递如何‘改变汽车未来’的经验，更能促使大家思考自己在达到这个目标的过程中应该扮演什么样的角色，起到什么样的作用。”由工程师来自行讲述研究成果，并接受世人的检验和客观的审视，通过这一方法，才能真正知晓客户的需求，推进更深层次的研发。希望“制造更好的汽车”这一想法可以继续根植在技术研发一线，并不断循环，不断传承下去。
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