丰田汽车坂井光人：丰田电动化技术及方向

2020年12月10日，由国内行业最具影响力的整车厂、高等院校、科研机构及零部件供应商60余家相关单位共同提议、吉利汽车牵头，中国内燃机工业协会乘用车动力总成专业委员会成立大会在宁波杭州湾召开。大会期间，丰田汽车技术研发中心北京创新中心主任 坂井光人先生以《丰田电动化技术及方向》为题发表了主题报告。

以下为演讲实录：

大家好！非常感谢您的介绍，各位专家老师，下午好！

我是丰田研发中心的坂井光人，非常地高兴能够在这里给大家做演讲。今天我将向各位老师介绍一下丰田的电动化技术及其方向。这是今天要讲的内容，首先是汽车产业面临的环境变化以及丰田电动化的改进，然后是混动用发动机技术，再然后是下一代发动机技术的开发，最后再做一个简单的总结！

首先是汽车产业面临的环境变化以及丰田公司对动力总成电动化的一些想法。

20世纪以来随着工业化的发展和技术的进步，全球交通的发展给社会带来了巨大的利好。另一方面也给我们带来了很多需要解决的全球性的社会问题，比如能源安全问题，尤其二氧化碳排放增加导致的全球变暖以及由于臭氧和氮氧化物导致的大气污染等问题。

丰田公司在2015年的时候提出了环境挑战2050计划，目标是实现人、车和自然和谐共生的社会。一共提出了六个方面的环境挑战，其中一个是挑战新车二氧化碳减排，目标是到2050年向全球市场推出的新车碳排放比2010年降低90%。正如大家所熟知的，我们今天也多次提到前段时间发布了技术路线图2.0版提出了不同动力总成的总体目标，丰田公司将致力于在中国推广HEV和纯电动车。刚才提到了电动化车辆的推广，丰田公司以混动技术为核心进行持续的技术开发，通过混动技术的开发在电机、电池和控制器方面积累了丰富的经验，并把这些经验拓展到了PHEV、BEV和HEV上。我们在混动的基础上如果增加了充电功能、增大电池的话就是HPEV，如果在PHEV基础上把发动机去掉，并进一步增大电池的话就是BEV。如果把发动机换成燃料电池堆的话就是FCEV。

如上所述丰田公司以混动为核心进行技术开发，以便于灵活迅速地应对将来能源的多样化以及动力总成多元化的挑战，接下来对电动化核心技术的进化进行说明。

丰田公司的混动系统目前已经发展到了第四代，从最初导入国内的第二代开始增加了一个可以调节电压的升压系统，提高了系统电压调节的自由度，同时实现了控制器和电池系统的小型化，增加了这一套升压系统的基本构架，就是目前丰田公司混合动力系统的核心架构，公司内部叫做THSR。电池电机控制器等这些电器元件每一代都向着小型化、低损失化和低成本化改进。

首先是电池的一个改进，最初使用的是镍氢电池，在改良镍氢电池的同时也用了一部分锂离子电池，如左下图所示电池包体积比第一代降低了70%，同时电池的输入输出性能也得到了大幅度的提升。20多年以来电机也一直在做改进，通过对磁石的改良以及对线圈绕组方法的改进，电机的体积也比初代降低了将近60补锌，同时稀土使用量也大概降低了96%。

控制器的体积也大约减小到了第一代的一半，功率密度翻倍的同时电子元器件的冷却性能也得到了大幅度的提升，这些电动化零部件今后还将继续向小型化、低损失化以及低成本化改进。

刚才向大家介绍的就是作为丰田公司环保车辆核心技术的混动系统技术，出于加快电动化车辆推广的想法，在2019年丰田公司宣布无偿开放电机控制器和系统控制的技术专利，包括中国在内，在全球范围内无偿提供23000多件汽车电动化技术相关专利的使用权。

丰田公司从1997年开始全球首次销售普锐斯，到今年10月为止在全球范围内一共销售了1600多万台，累计二氧化碳减排达到了1.3亿吨。

接下来介绍一下混电用发动机技术。

丰田公司为了提高热效率并且扩大热高效区提高扭矩和功率，采用了如图所示的多种技术，开法了TNGA系列发动机。

接下来介绍几项表中的关键性技术。制造工艺革新后采用了激光熔覆阀座，激光熔覆阀座的使用提高了气道设计的自由度，同时因为可以根据燃烧式形状来设计气道的角度，进而优化了缸盖进气，通过这些优化的措施同时提高了滚流比和空气流量系数。这两张图是TNGA2.5L发动机与前一代发动机在全负荷下的扭矩对比图，为了获得强劲的动力感受，从低转速到高转速的整个区域都提高了扭矩。

这两张图是热效率脉谱的对比图，左边是混动用发动机，右边是传统燃油车用发动机，这两款发动机都比旧款发动机的最高热效率要高，而且扩大了高热效率的范围，混动用发动机的热效率达到了41%。

这张图是从全生命周期二氧化碳评价的观点来比较不同动力总成的二氧化碳的减排效果。灰色的柱子表示的是车辆使用过程中的碳排放，我们可以看到BEV是0，跟混动车型和传统车箱比显示了其优越性。大家可以看到蓝色的柱子表示的是燃料生产过程当中的碳排放，这个是丰田公司自己测算的结果，在这里我们对BEV进行了两种不同情境下的测算，前提如图所示，我们可以看到从油井到车轮的观点来看，BEV和HEV更具有减排的潜力。黄色的柱子表示的是车辆生产和报废过程当中的碳排放，如果混动用发动机的热效率能够提高到50%，同时参混使用20%的可再生燃料的话，下一代混动的全生命周期二氧化碳的排放水平是可以接近BEV水平，通过以上的测算可以看出BEV和HEV都具有很大的二氧化碳减排的潜力。

接下来给大家介绍一下下一代发动机技术的开发。这是丰田公司在提高发动机热效率方面以前做的一些工作以及将来开发的一个方向性，丰田公司觉得可能在不久的将来热效率需要达到50%，所以为了实现这个目标还有很多的工作要做。

这是丰田公司对提高热效率做的一些开发工作的总结。我们认为增压稀燃和增压EGR是非常重要的技术，应该能够达到45%以上热效率的潜力。

右边的图显示的是稀燃状态下有效热效率跟氮氧化物排放的关系，我们都比较情况在稀燃的情况下氮氧化物的排放是比较大的问题。如图所示右图粉色的部分是丰田公司近年来研究的氮氧化物排放比绿色部分表示的以前发动机量产氮氧化物的排放，是它的1/30左右。随着排放法规的加严，为了继续降低氮氧化物的排放，丰田公司对于扩大稀燃界限也一直在持续地做着开发工作。

这是丰田公司在燃料研究方面做的一些工作，是跟日本的能源公司GXTJ做的共同研究项目，正在研究往燃料里面添加乙醇、呋喃等含氧燃料，看看能达到什么样的效果。这张图显示的是通过改变燃料的构成成分对于稀燃界限的扩大和热效率的提高所达到的一个效果，随着燃料成分的变化，稀燃的界限在不断地扩大，热效率也在提高。

丰田公司接下来对于下一代的燃料还会继续跟能源公司进行研究，结合发动机本体的改良以及后处理技术的开发，力争实现近零排放。

在开始的时候也提到了二氧化碳减排是全世界接下来要面临的一个共通的问题，面对这个问题，丰田公司认为除了发动机技术之外，从燃烧科学的观点来看，石油精炼的过程中二氧化碳减排也是非常有潜力的，所以燃料技术的研究也非常地重要，丰田公司认为发动机技术的开发和燃料技术的开发是今后重要的研究方向。

最后是做一个简单的总结，为了实现二氧化碳零排放和排放物零排放的社会，需要在碳中和、燃料制造、基础设施建设、新一代动力总成开发等方面进行全方位的开发和挑战，丰田公司将继续以混合动力技术为核心，进一步改善提高的同时，进一步提高与其他技术相辅相成的效果。另外不能忘记的是除了进行技术开发，丰田公司的目标是实现可持续发展的社会和赢得客户的笑脸，我们希望跟大家一起向着这一目标共同努力。

谢谢大家！

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）

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