豐田汽車（Toyota Motor Corporation）是zui大的整車企業(yè)之一，創(chuàng)立已有80多年歷史，在全球五十多個(gè)國(guó)家有組裝工廠，是家汽車年銷量超過(guò)千萬(wàn)的整車企業(yè)。

 豐田汽車主要的內(nèi)部公司按產(chǎn)品類型和地區(qū)可分為7個(gè)子公司和2個(gè)事業(yè)部，分別為先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)公司、豐田小型車公司、中型車公司、商用車公司、雷克薩斯公司、動(dòng)力總成公司和新成立的互聯(lián)汽車公司，以及負(fù)責(zé)北美、歐洲和非洲業(yè)務(wù)的事業(yè)部和負(fù)責(zé)中國(guó)，亞洲，中東和北非，東亞及大洋洲，拉丁美洲及加勒比地區(qū)的第二事業(yè)部。

 一、高研發(fā)投入瞄向減排汽車

 技術(shù)研發(fā)方面，豐田汽車2001財(cái)年到2017財(cái)年的研發(fā)投入平均值為0.8兆日元（約485.79億人民幣），2016財(cái)年的研發(fā)投入高，為1.06兆日元（約643.67億人民幣），研發(fā)費(fèi)用占比為3.7%。

 近三年來(lái)，豐田汽車的研發(fā)費(fèi)用和研發(fā)費(fèi)用占比變化幅度不大，研發(fā)費(fèi)用維持在1兆日元以上。 

豐田汽車于2015年10月14日公布了“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050”目標(biāo)，提出在2050年前實(shí)現(xiàn)僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)行駛的汽車的“零”銷售。該計(jì)劃旨在提高混合動(dòng)力車(HV)和燃料電池車(FCV)的比率，使新車的二氧化碳(CO2)排放量比2010年削減90%。

 因此，豐田汽車近年來(lái)在新能源汽車，尤其是燃料電池汽車上投入了大量研發(fā)資金。

 從長(zhǎng)期來(lái)看，目前豐田汽車的研發(fā)開(kāi)支正處于歷史高位，可以認(rèn)為豐田汽車對(duì)于科研十分重視，未來(lái)可能會(huì)有大量新能源技術(shù)和產(chǎn)品推出。

 由于傳統(tǒng)電池技術(shù)的限制，豐田高層認(rèn)為燃料電池車是終ji環(huán)保車，豐田汽車近年來(lái)將其未來(lái)研發(fā)重心從技術(shù)成熟的混合動(dòng)力汽車逐漸轉(zhuǎn)向燃料電池汽車。

 豐田汽車于1992年便開(kāi)始研發(fā)燃料電池汽車，在1996年10月發(fā)布了燃料電池汽車FCEV。

 在隨后的十多年里，豐田汽車陸續(xù)推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等車型，但受制于昂貴的單價(jià)和基礎(chǔ)設(shè)施不足，該階段的燃料電池汽車沒(méi)有量產(chǎn)和商品化。

 二、Mirai動(dòng)力子系統(tǒng)性能指標(biāo)

 2014年12月15日，豐田汽車在日本發(fā)布全球量產(chǎn)氫燃料電池汽車Mirai，Mirai是世界上投入量產(chǎn)的燃料電池汽車。

 Mirai的售價(jià)為723.6萬(wàn)日元（約44萬(wàn)人民幣），經(jīng)政府補(bǔ)貼后，實(shí)際的售價(jià)在520萬(wàn)日元左右（約31萬(wàn)人民幣），上市首月的訂單達(dá)到1200輛。

 目前，氫燃料的售價(jià)約為1000日元/千克，Mirai的儲(chǔ)氫罐可儲(chǔ)存5千克氫氣，加滿氫氣僅需3-5分鐘，加注后可行駛650千米，每公里的成本約為8日元（約0.49元人民幣）。

 豐田Mirai采用了全新設(shè)計(jì)的底盤(pán)，以及新一代的燃料電池堆和儲(chǔ)氫罐，Mirai的整套燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)包括燃料電池堆、高壓儲(chǔ)氫罐、升壓變頻器、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力控制單元等等。

 值得注意的是，豐田Mirai可利用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能為家庭供電。日本的自然災(zāi)害比較多，Mirai作為應(yīng)急電源在救援工作中可以發(fā)揮很大作用。

 氫燃料電池汽車的續(xù)航和加注燃料的時(shí)間與普通內(nèi)燃機(jī)汽車無(wú)異，明顯優(yōu)于純電動(dòng)汽車。但加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是氫燃料電池汽車未來(lái)發(fā)展不得不面臨的難題。

 為了使更多的氫燃料電池汽車上路，豐田無(wú)償?shù)貙?duì)外公開(kāi)了約5680項(xiàng)燃料電池相關(guān)，希望以此鼓勵(lì)其他汽車廠商推出燃料電池汽車，降低加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建造和使用成本。

 2015年，Mirai銷量為700輛；2016年，Mirai的銷量增至2000輛，占全球燃料電池乘用車總銷量的88%。

 由于產(chǎn)能有限，目前訂購(gòu)Mirai的消費(fèi)者需要等待至少兩年時(shí)間才能提車，豐田汽車預(yù)計(jì)到2020年，Mirai的年產(chǎn)量將在30000臺(tái)左右。

 Mirai使用的燃料電池系統(tǒng)（Toyota Fuel Cell System, 簡(jiǎn)稱TFCS）由豐田汽車自主研發(fā)，主要包括六個(gè)子系統(tǒng)，分別是燃料電池堆、儲(chǔ)能電池、高壓儲(chǔ)氫罐、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、PC升壓變頻器和動(dòng)力控制裝置。下文將從整車和零部件兩個(gè)方面來(lái)介紹Mirai。

 1.整車

 Mirai的續(xù)航里程達(dá)到502km，高輸出功率為114kW，高時(shí)速為175km/h。

Mirai的輸出功率以及高時(shí)速和加速與當(dāng)前市售的家用轎車相差無(wú)幾，且由于沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)，Mirai在行駛過(guò)程中只有胎噪，相比傳統(tǒng)汽車更為安靜。

 2.子系統(tǒng)

 （1）燃料電池堆

 Mirai的燃料電池為固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（Solid polymer electrolyte FC），大輸出功率為114千瓦，由370片電池組成，重量?jī)H56kg，體積僅37L。

體積功率密度和質(zhì)量功率密度分別為3.1kW/L，2.0kW/kg，升壓變頻器負(fù)責(zé)將電壓提升至650V，以滿足高性能電動(dòng)機(jī)的需求，處于世界領(lǐng)xian水平。

 除了為汽車提供動(dòng)力外，Mirai的燃料電池堆還可以為其他設(shè)備供電，Mirai可以作為備用發(fā)電機(jī)使用。

（2）儲(chǔ)能電池

 為了提率，Mirai后備箱中有一塊鎳氫儲(chǔ)能電池，用于吸收燃料電池組輸出剩余的電能和車輛行駛過(guò)程中回收的電能，供汽車急加速或車載電池使用。

 （3）高壓儲(chǔ)氫罐

 氫燃料的安全存儲(chǔ)是氫燃料電池汽車重要的問(wèn)題。Mirai在后排座椅下方布置了兩個(gè)大可承受70兆帕壓力的高壓儲(chǔ)氫罐，其外殼由碳纖維和凱夫拉組成，可以抵抗輕型武器的攻擊。

 氫氣具有可燃性，在空氣中點(diǎn)燃可能發(fā)生爆炸。豐田通過(guò)優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)保護(hù)了儲(chǔ)氫罐，在80km/h的追尾試驗(yàn)中，儲(chǔ)氫罐保持完好。碰撞后，氫氣會(huì)以安全的速度被強(qiáng)制排出，杜絕爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

 Mirai的加氫口位于車身的左后方，高可以承受87.5Mpa的加注壓力。配合專業(yè)的加氫設(shè)備，3分鐘內(nèi)即可為Mirai加滿氫氣。充滿之后，5kg的氫氣可以驅(qū)動(dòng)Mirai行駛650km（日本的JC08標(biāo)準(zhǔn)）。

 （4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)

 Mirai使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與豐田的混合動(dòng)力汽車相同，均為同步交流電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)的大功率為113千瓦，大扭矩為335Nm。

 （5）FC升壓變頻器

 TFCS系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)出的電能還需要經(jīng)過(guò)升壓變頻器的升壓才能供給電動(dòng)機(jī)使用，大輸出電壓為650V。

 （6）動(dòng)力控制裝置

 動(dòng)力控制裝置由逆變器、升壓轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，用于控制燃料電池堆的輸出和電池的充電及放電。

 FCV價(jià)格高昂，主要是燃料電池堆的成本一直下不來(lái)，然而豐田顯然找到了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。和豐田在2008年推出的燃料電池系統(tǒng)相比，Mirai的燃料電池系統(tǒng)成本降低了95%！

 三、 豐田燃料電池相關(guān)分析

 1.年度分布

 截至2017年5月12日，豐田汽車已在21個(gè)國(guó)家和地區(qū)、2個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)了15867件與燃料電池相關(guān)的。

 2004年到2009年，豐田汽車與燃料電池相關(guān)的申請(qǐng)數(shù)量大幅增長(zhǎng)，期間該技術(shù)領(lǐng)域年均申請(qǐng)量為1895件,說(shuō)明豐田汽車在這幾年開(kāi)展了大量氫燃料電池技術(shù)研究。

 2009年后，豐田汽車與燃料電池相關(guān)的申請(qǐng)數(shù)量逐漸下降，年申請(qǐng)量回落到500件左右。

 直到2014年，申請(qǐng)數(shù)量再度回升，2015年的申請(qǐng)量重新回到1000件以上，表明當(dāng)下豐田公司對(duì)燃料電池技術(shù)研究的熱情逐漸回升，未來(lái)可能有較多新技術(shù)和新產(chǎn)品面世。

 2.全球布局

 從與燃料電池相關(guān)的全球布局來(lái)看，豐田汽車的申請(qǐng)主要覆蓋日本、美國(guó)、中國(guó)、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲局等21個(gè)國(guó)家、地區(qū)和2個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織。

 其中，豐田汽車在其總部所在地日本的申請(qǐng)大，累積申請(qǐng)與燃料電池相關(guān)的8712件，占該領(lǐng)域總量的55%，說(shuō)明豐田汽車對(duì)本土燃料電池市場(chǎng)的重視。

 此外，在美國(guó)的申請(qǐng)量占12.2%，在中國(guó)的申請(qǐng)量占9.2%，顯示豐田汽車對(duì)這些地區(qū)燃料電池汽車市場(chǎng)的重視。

 3. 技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)

 為了研究豐田汽車與氫能和燃料電池相關(guān)的技術(shù)研發(fā)情況，利用文本挖掘和IPC分類進(jìn)一步展開(kāi)分析，可以看出該公司技術(shù)重點(diǎn)集中在氫泵、排水閥、電解質(zhì)膜、儲(chǔ)氫罐等技術(shù)。

 從IPC分類號(hào)來(lái)看，豐田汽車在H01M8燃料電池及其制造領(lǐng)域申請(qǐng)的數(shù)量多，達(dá)到9671件，占總量的61%。申請(qǐng)數(shù)量第二多的技術(shù)領(lǐng)域是H01M4電極，占總量的9.5%。

4.合作與借鑒

 對(duì)豐田汽車申請(qǐng)的與氫能和燃料電池相關(guān)進(jìn)行申請(qǐng)人分析，其結(jié)果顯示了該企業(yè)與其他企業(yè)或個(gè)人的合作研發(fā)情況。

 由下圖可以看出，公司與愛(ài)信、Nippon Soken、豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室等集團(tuán)內(nèi)外部企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有大量合作。

 技術(shù)的借鑒方面，本田汽車與氫燃料電池相關(guān)的被本田汽車、日產(chǎn)汽車、松下公司引用較多，同時(shí)也引用本田汽車、日產(chǎn)汽車、松下公司較多，豐田汽車與這三家公司之間的技術(shù)關(guān)聯(lián)度較高，互相引用、借鑒大量。

5.發(fā)明人分析

 豐田汽車與燃料電池相關(guān)技術(shù)的高產(chǎn)發(fā)明人包括Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等，其中發(fā)明人包括Yoshiaki Naganuma的申請(qǐng)328件，占公司總量的2.1%。

 申請(qǐng)量排名*發(fā)明人是公司技術(shù)研發(fā)核心團(tuán)隊(duì)，申1940項(xiàng)，占公司總量的12.2%，說(shuō)明公司科研團(tuán)隊(duì)龐大，科研人才較多。

 6.價(jià)值分析

 Innography將近十年美國(guó)授權(quán)各指標(biāo)的平均數(shù)值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，歸一化后繪制成雷達(dá)圖。下圖中右側(cè)圖例中的數(shù)據(jù)即為各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，在雷達(dá)圖中以數(shù)值為1表示。

 從圖中可以看到豐田汽車與燃料電池相關(guān)的在訴訟、引用上遠(yuǎn)低于平均值，說(shuō)明豐田汽車的訴訟較少且原創(chuàng)度較高，通過(guò)借鑒或合作進(jìn)行的創(chuàng)新較少。豐田汽車的發(fā)明人高于平均值，說(shuō)明其發(fā)明團(tuán)隊(duì)較大。

 下圖顯示，豐田汽車與燃料電池相關(guān)總量為15867件，其中，10782件是有效的，包括5373件有效授權(quán)和5409件有效申請(qǐng)。豐田汽車失效數(shù)量較少，僅為5085件，占總量的32

 Innography強(qiáng)度指標(biāo)參考了10余個(gè)價(jià)值的相關(guān)指標(biāo)，包括：權(quán)利要求數(shù)量、引用先前技術(shù)文獻(xiàn)數(shù).被引用次數(shù)及申請(qǐng)案的家族、申請(qǐng)時(shí)程、年齡、訴訟等，如果一件強(qiáng)度越高，可以確定該的質(zhì)量和影響力越高。

 對(duì)豐田汽車的所有與燃料電池相關(guān)的族進(jìn)行強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度超過(guò)90的有88件，涉及氫燃料電池控制系統(tǒng)、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池制造等。88件全部有效，僅有3件將在2020年前失效。

豐田Mirai燃料電池汽車技術(shù)全面解析

你可知Mirai的前世今生？

 相信不少人對(duì)豐田Mirai的名字都十分陌生，因其未入華，暫時(shí)來(lái)說(shuō)還沒(méi)有相應(yīng)的*中文名，有些人喜歡音譯成“米娃”，但它的日文名發(fā)音“みらい”——意為“未來(lái)”。

Mirai是豐田FCV（Fuel Cell Vehicle，燃料電池車）計(jì)劃的產(chǎn)物，早在1992年的時(shí)候，豐田就開(kāi)始研究氫燃料電池汽車了，當(dāng)時(shí)受限于種種因素才沒(méi)有開(kāi)發(fā)新車型，而是采用那時(shí)候成熟的汽油車平臺(tái)去改造成氫燃料電池車。

基于現(xiàn)有汽油車平臺(tái)打造新能源車并非方案，只有輕量化科技和適應(yīng)新型動(dòng)力系統(tǒng)布局的平臺(tái)，才會(huì)成為終作品。經(jīng)過(guò)了20年的技術(shù)積累，豐田終于在

2013年?yáng)|京車展推出了FCV概念車。

 直至2014年12月15日，豐田FCV概念車基本完成了技術(shù)驗(yàn)證，得名“Mirai”并在日本正式上市。與此同時(shí)，豐田斥資200億日元用于提高日本愛(ài)知縣工廠氫燃料電池和燃料箱產(chǎn)能，這筆巨資當(dāng)時(shí)折合人民幣10.4億。

2015年1月底，全球首輛量產(chǎn)氫燃料電池車豐田Mirai在日本交貨，售價(jià)為723.6萬(wàn)日元（含稅）左右，享受政府補(bǔ)貼后僅500萬(wàn)日元（折合人民幣26.5萬(wàn)左右）就可以拿下，價(jià)格與皇冠HEV相當(dāng) 。

 Mirai的工作原理是？

 在了解Mirai之前，我們先要搞清楚氫燃料電池（Hydrogen Fuel Cell）是什么，它并不是遙不可及的高深事物，從字面意義上解讀就是使用氫作為原料的電池。

氫料電池的基本原理其實(shí)早就被寫(xiě)入了高中化學(xué)課本，并“困擾”著一代又一代學(xué)子，那就是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽(yáng)極，氫通過(guò)陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陽(yáng)極，從而產(chǎn)生出電能。對(duì)于化學(xué)是語(yǔ)文老師教的同學(xué)則可以簡(jiǎn)單理解為通過(guò)氫和氧氣結(jié)合，產(chǎn)生出電能和水，其中電能就輸出供車輛使用，水則排出車外。

那如果把燃料電池這個(gè)技術(shù)運(yùn)用到汽車領(lǐng)域呢？ 

所以，大家對(duì)豐田Mirai的氫燃料電池有了個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)知后，是否覺(jué)得這貨也沒(méi)這么神奇呢？實(shí)則不然，這些小學(xué)問(wèn)背后可是蘊(yùn)含著大道理的，單單燃料電池這一塊豐田就擁有5680個(gè)，涵蓋燃料電池堆、高壓儲(chǔ)氫罐、燃料電池系統(tǒng)控制以及加氫站技術(shù)等。

 我們把目光移回到豐田Mirai上就會(huì)發(fā)現(xiàn)，高壓儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)能電池、燃料電池堆和由動(dòng)力控制裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的動(dòng)力系統(tǒng)均安裝在底盤(pán)上，共同組成了TFCS燃料電池系統(tǒng)（Toyota Fuel Cell System），接下來(lái)就針對(duì)以上各部分進(jìn)行深入講解。

注：至于第三方機(jī)構(gòu)的新車碰撞測(cè)試結(jié)果呢，筆者翻看了J-NCAP、IIHS、NHTSA、E-NCAP等眾多機(jī)構(gòu)的記錄，均無(wú)豐田Mirai的碰撞成績(jī)，因此我們有理由認(rèn)為安全法規(guī)在氫能源車這一方面還未完善，因此無(wú)法做出的碰撞測(cè)試。

你以為Mirai只是一輛車？

 如果單純地認(rèn)為Mirai僅是一個(gè)綠色環(huán)保的交通工具，那你就錯(cuò)了，再怎么說(shuō)它還擁有兩個(gè)大容量?jī)?chǔ)氫罐吖，一來(lái)長(zhǎng)途路上口渴了能去后面的排氣（水）管接水喝，二來(lái)手機(jī)玩沒(méi)電還能當(dāng)充電寶。還別說(shuō)，網(wǎng)上真有人直播喝Mirai排放出來(lái)的水呢！

因此，豐田Mirai不僅僅是一輛氫燃料電池車，它還可以看成是一個(gè)小型發(fā)電機(jī)，只不過(guò)使用的原料是氫氣而不是汽油。

 聊一下Mirai的短板

 加氫難

 就像硬幣都有正反面一樣，所有的事物都有好壞兩面，氫燃料電池車也不例外。相比起特斯拉Model S四小時(shí)的充電時(shí)間，Mirai那只需3分鐘的加氫速度以及續(xù)航里程看似贏了幾條街。

 加氫站的罕見(jiàn)程度有別于我們常見(jiàn)的加油站，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)境內(nèi)已建好的加氫站僅有9座，分布在北京、上海安亭、河南鄭州、大連高新區(qū)、江蘇如皋、廣東佛山和深圳等地。

這也是Mirai遲遲未在國(guó)內(nèi)上市的一個(gè)重要原因。并且建加氫站有異于建充電樁，整個(gè)環(huán)節(jié)中的制氫、儲(chǔ)氫以及運(yùn)輸氫難度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于充電樁。

 車體重

 別看Mirai的車身尺寸跟凱美瑞不相上下，實(shí)際上Mirai的總重量高達(dá)1850kg，比凱美瑞重了整整350kg。那么問(wèn)題來(lái)了，尺寸為4890/1815/1535mm的豐田車居然這么重？究其原因竟是動(dòng)力部分和儲(chǔ)能部分占了多半空間，而再加滿122.4L氫燃料以及四個(gè)乘客就能輕易突破兩噸這個(gè)大關(guān)了。

寫(xiě)在后

 氫燃料電池車的量產(chǎn)為我們打開(kāi)了一扇未來(lái)交通解決方案的大門，與各大國(guó)內(nèi)廠商趨之若鶩的純電動(dòng)車相比，氫燃料電池車的優(yōu)勢(shì)十分明顯，但制約其放開(kāi)手腳的阻撓也相當(dāng)不少。在油價(jià)日益上漲、路上純電車及混動(dòng)車比比皆是的今日，氫燃料電池車這個(gè)領(lǐng)域至今仍處于空白狀，若時(shí)加氫站的數(shù)量得到緩解，Mirai啥時(shí)候入華做個(gè)吃螃蟹的人呢？