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引言：丰田汽车去年末针对其电动汽车开发连续发表了一系列说明，11-12月短短3周的时间内召开了3场媒体说明会，向外界表明丰田将普及EV的同时，表达了其将率先开发电动汽车相关核心技术的姿态，同时更是让外界看到丰田希望通过发展电池技术等进而引领行业的意图。 丰田汽车去年末针对其电动汽车开发连续发表了一系列说明，11-12月短短3周的时间内召开了3场媒体说明会，向外界表明丰田将普及EV的同时，表达了其将率先开发电动汽车相关核心技术的姿态，同时更是让外界看到丰田希望通过发展电池技术等进而引领行业的意图。10月份的东京车展上，丰田展示了下一代全固态电池，更是表明了将在2020年代前半期内实现全固态电池的量产化。自此，丰田似乎已经完全从过去的根据市场对EV的要求与技术成熟度来“等待”开发的姿态，正式转变为主动出击的“攻击“姿态。 合作松下加速电动化发展 在12月13日的新闻发布会上宣布将考虑与松下合作推进车载方型电池业务，以及在12月18日宣布到2025年将完全取消仅有燃油引擎的车型，这两次会议的说明更是特别强调了丰田的上述意图（图1（a）（b））。 图1 连续发表电动化技术相关说明 在12月13日的采访中社长丰田章男表示丰田至2030年的销售目标是实现50%的销量车型电动化，同时2020年开始正式推进EV车型，至2030年EV与FCV合计比率超过10%。此外，研讨与松下合作，联合开发和生产车用高容积率方形锂离子电池。 而在12月18日，公司副总裁寺師茂樹先生则谈到了之前从未提及的EV核心部件电池的相关计划，表明丰田的目标是解决电池批量采购问题和充电时间等技术问题。到2030年，丰田将在电池开发和生产上投入1.5万亿日元。 政策加速EV汽车的普及 由于受各国EV发展优惠政策的拉动，电动汽车的普及速度比丰田公司预想的快了很多。按照丰田最初的规划，由于续航里程、充电时间、电池衰减以及批量采购等等课题的存在，并未将EV作为电动汽车的主力而计划主力发展HEV与PHEV。但是由于补贴等优惠政策的刺激，现有的EV似乎已经比PHEV更受部分市场的欢迎。例如，在EV与PHEV同时具有补贴的上海市PHEV占7成EV占3成，但在仅补贴EV的北京市则EV占了7成，而PHEV仅为3成。此外，EV普及率最高的挪威也是因为存在丰厚的优惠政策。
如果EV在全球范围内普及的话，对于汽车厂家来说主要的竞争力可能就由电池的采购能力决定。丰田一直参与HEV与PHEV的电池开发。然而，现有的车用锂离子二次电池已经难以通过技术实力在电池规格上形成差异性产品，可以说完全变成了“设备投资产业”。自主生产的必要性减小的同时，却也存在外部采购的风险。因为目前在原材料的锂量与电池产能中占据优势的都是中国的大型锂离子电池厂家，而将EV发展的生命线交给这些中国厂家却也存在巨大的风险。 （从报道中看到以丰田为首的日系汽车厂商，对于从中国国内的锂电池行业采购还是存在巨大忧虑，原本在电池行业具备优势的日本企业估计很难放弃本国的电池产业。） 加速全固态电池的开发 丰田预计通过与松下合作来确保未来锂离子电池的采购。据说双方在共享电动汽车生产计划的同时，生产设备的投资正在顺利进行。此外，还将构建回收体制，实现原材料采购方法的多样化。合作讨论顺利进展使得两个公司的合资电池制造公司Prime Earth EVEnergy（PEVE）可能会继续增产。据丰田表示，现有的10条产线具备年产PHEV130~150万台的产能，而至2030年的目标产能大约是现有HEV与PHEV产能的3倍以上。
合作的内容还包括全固态电池的开发。丰田表示，即使现在没有优惠政策，为了能够制造出更被顾客接受的EV汽车，丰田会加速开发高容量密度且充放电性能、衰减性能均优于现有电池的全固态电池。丰田考虑500km以上的续航里程以及5分钟左右的充电时间（与现有燃油车同等水平）是EV汽车必须具备的条件，而现有Li离子电池是难以实现的。如果丰田能使其领先的全固态电池技术率先实现商业化应用，那受制于中国电池厂商的风险就会降低。
但是，丰田通过与松下的合作是否就能在2020年代前半期内实现全固态电池的商业化还需要打一个问号。一方面对于丰田最初设想商业化的基于硫化物的全固态电池，松下的电解质材料存在差异，所以联合开发不一定顺利进展。另一方面，具有丰富的锂离子电池研发和量产经验的松下似乎并不认为全固态电池能在这么早期内实现商业化，商业化的难度可能比丰田预想的更高。
综合实力将是未来的优势所在 丰田在去年11月27日的发表会上主要展示了其通过HEV积累的电动汽车技术成果（图1（c）与图2）。主要是用于电池，电机和电机控制的PCU（电源控制单元）技术。 图2 电机、电池、逆变器是EV汽车的核心 丰田认为其针对HEV车辆开发的搭载了电机、电池、逆变器的PCU单元，同样也是PHEV、FCV与EV汽车的核心技术。在电池方面，丰田强调不仅是电芯实力，而是要具备包括监视电池状态的传感器、以及冷却系统等在内的综合实力（图3）。这些积累的技术将来也会应用到全固态电池上。此外丰田还将继续低成本、原材料采购风险小的镍氢电池生产。 图3 丰田超过20年的HV电池发展历程 总结了“普锐斯”电池的发展过程，现有的第4代车型中采用锂离子电池，除了电池，确保稳定性与安全性的控制电路、以及冷却装置等在高性能化与小型化方面都有了很大改善。
全SiC使得PCU减小到现在的1/5 关于发动机和PCU，以下也展示了历代Prius上搭载的产品，最新一代的产品同样显示了不断小型轻量化的趋势（图4）。其中，PCU中通过采用SiC功率元件预计在未来将大幅变小。 图4 通过功率半导体改善冷却机构与模块，实现PCU小型化 普锐斯“PCU“功率控制单元随着每一代的更新，不断朝着小型化与提高功率密度发展。目前的第四代产品功率密度差不多达到了第1代产品的2.5倍。而这些发展主要是通过改善PCU内功率模块的结构、IGBT芯片的冷却结构，以及IGBT芯片而实现。
安装在PCU上的升压转换器和逆变器等电源转换器中使用晶体管和二极管作为功率元件。到目前为止，这两种元件都使用Si元素，通过用SiC取代Si，可以大大降低功率损耗。如将仅将二极管替换为SiC的混合型PCU中，功率损耗大约减小30%；而在晶体管与二极管全部替换成SiC的全SiC型PCU中则功率损耗可以减小50%以上。由于功率损失越小发热量就越小，所以容易小型化。另外，由于SiC功率元件可比Si功率元件在更高的温度下工作，从而可以简化冷却机构，适合小型轻量化。根据丰田此前宣布的研究成果，全SiC型PCU较普通的配置Si功率器件的PCU，体积可以缩小到1/5。
虽然SiC功率元件很适合PCU小型化，但其成本比Si功率元件高。目前虽然二极管的成本降低已经取得进展，但晶体管的成本降低还有待改善。沟槽式SiC MOSFET是降低成本的关键。相比一般的平面型SiC MOSFET,沟槽式产品因为可以降低导通电阻，相同电流容量的话更易实现小型化。也就是说从同样的SiC晶片（基板）上获得的芯片数量增加，所以适合于降低成本。
丰田采用SiC的趋势形成已久,2013年12月，该公司的电子设备和半导体开发核心据点广濑工厂内就新建了SiC的专用无尘间。而在2015年，搭载了沟槽型SiC MOSFET的丰田试验车辆又实施了公共道路上的试运行试验。当时，丰田的SiC功率器件开发人员还参加了学术会议和演讲会，让外界看到丰田将积极采用SiC的姿态。然而至2017年这种宣传突然停止了，大多数电动汽车相关技术人员认为，这并不是丰田放弃了采用SiC，而是进入了量产化阶段的“潜伏模式”的证据。丰田目前的战略是将应用在大量出货的普瑞斯上的电动化技术，进一步扩展到其他车型。如果遵循这一方针的话，2020年左右上市的下一代普瑞斯中，将有望采用新的SiC功率元件。
通过高转速与可变磁通量改善电机
图5丰田电机的小型轻量化与低成本化 普锐斯的电机每一代都在推动小型化和轻量化（a）。例如，在现有的第4代中，电机转速增加到约17000rpm，大约为第1代的3倍快，而且尺寸和重量都有减小（b）。由于小型化，电机的输出功率比第1代提高约4.2倍（c）。越是小型轻量化，材料越是减少，削减了材料成本。同时，丰田在削减磁铁成本上也投入了大量精力，第4代车型中配置在定子上的Nd-Fe-B（钕─铁─硼）永磁铁，也就是所谓的钕磁铁的量较第1代减少了一半（d）。此外，添加在永磁体中用于提高高温性能的昂贵重稀土元素Dy（镝）的数量，也得到了大幅减小（e）。与第1代相比，第4代的使用量减少了约96％。丰田的技术人员表示今后通过改善可能会进一步减少用量使得尽可能接近0%。（图：根据丰田汽车的材料创建）
而作为在更广的做功范围内的高效率化实现手段，丰田则是在可变磁通电机上进行了研究开发。可变磁通电机根据做功区域（动作条件）不同改变磁通密度，从而实现在低速/高速不同区域内的高效率化。 |
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