以技术为导向的变革 丰田电动化“黑科技”全解析

进入2018年，随着新能源车突飞猛进的增速发展，以及AI智能科技的雏形展示等等，很肯定地说智能的新能源车无疑是汽车未来的发展趋势和大方向，不过从根源上来看，其实推动这些改变和进步的核心还是技术。用更简单的一句话来说，这是一场“以技术为导向的变革”。

汽车是个非常复杂的机械组合，而从汽车到新能源车的变化，最有代表性的就是驱动力的变革。早在几年前，我们已经历了从内燃机到混动系统的进步，而从2016年开始插电式混动车的兴起，再到2017年纯电动车在政策推动下的迅速崛起，以及未来将做到真正环保出行的氢燃料电池车等，这些都是从技术角度上在发生质变。然而，这一切的变化都离不开“电动化”的基础。

而提到“电动化”的概念，在脑海里第一时间会联想到丰田汽车，这家在70年代就研发并推出“油电混动系统”的车企，早在那个时候就已开始在“电动化”方面着手研究和创新了，因此随着市场的变化，丰田也一直扮演着行业领导者的角色，并凭借着在“电动化”技术上丰富的经验和储备，能够在后续打造和推出更丰富的电动化新能源车来满足不同的市场需求。

什么是“三电”技术？对电动化又有哪些价值？

丰田是较早研发和创新“电动化”技术的领导者之一，从自主研发“内燃机+电动机+PCU电控+电池”所组成的油电混动系统开始，并认为其中的“三电系统”（电机、电控、电池）将是未来汽车发展最核心的重要部件，因此这3者就被称为“三电”。

电机、电控和电池被称为电动化技术中的“三电”

丰田汽车认为只要在“三电”技术上实现了突破和创新，那未来无论是插电式混动（PHEV）、纯电动车（EV），还是氢燃料电池车（FCV）的研发和推出都将变得更加容易，同时在核心技术上也能得到领先。毕竟插电式混动车（PHEV）只是在“三电”基础上对电池进行增容和支持外接充电；纯电动车（EV）更是取决于对电池技术的依赖；而氢燃料技术（FCV）则以“三电”为基础，增加储氢罐并内置专用FC装置来取代传统内燃机即可。

“小型/轻量化”、“低损失化”和“低成本化”是丰田在三电上的诉求

因此，所有电动化车辆都能够在电机、PCU电控、电池的基本上，通用所对应需要改进的设备上升级来实现。与此同时，如果能在“三电”基础上做好最优化的革新和突破，那么未来旗下的任何电动化车型都将具备绝对性的优势。为此丰田则在“三电”上努力进行着“小型/轻量化”、“低损失化”和“低成本化”的专研，这就给未来丰田电动化车型打下了扎实的基础。

目前市面电动化车型现状 仅丰田不以市场为导向研发

当然，全世界车企都深知“三电”对电动化车型的影响，因此也在陆续在三电技术上进行了研发和共享。其中研发也分为正向研发和逆向研发，例如丰田和特斯拉都是正向研发“三电”的代表，而逆向研发主要集中在国内新兴品牌，也就是所谓的新势力造车企业。另外，还有些不善于或暂时没能力自主研发的国内传统车企，则会进行采购来满足推出自家电动化车型的需求。

纵观上述对于“三电”的情况来看，因为目前中国是电动化车型最大的市场之一，同时加上利好政策的推动和鼓励，国内消费者在选择电动化车型时，更多看重“续航里程”的参数，因此导致目前绝大多数车企并没有专心去研发和升级“三电”技术，相反则是不停增大电池容量和体积来提升市场所“需要”的续航里程。

但静观丰田汽车，毕竟有着近20年“电动化”技术的研发经验和技术储备，但并没有随波逐流的尽快推出相对应的产品，这并不是因为丰田不重视市场，而是以技术为导向发展的丰田汽车认为，只有当“电动化”技术足够完善和强大时，才是推出相应产品的最佳时机，同时产品在核心上有了绝对的优势，随后自然会坐拥市场，并已公布了将于2019年向中国导入插电式混动车，2020年引入全新纯电动车的计划。

丰田汽车在“三电”系统上的“黑科技”全解全析

其实丰田汽车在70年代研发初代混动系统时，就已经开始对电动化核心部件进行重点专研了，随后在90年代中期还推出了RAV4 EV纯电动车型，这也是基于“三电”为基础打造的新车。而截止到今年4月，旗下的油电混动（THS）系统早已升级到第四代，混合动力车的累计销量已超过1200万辆，觉得这样的成绩也离不开不断迭代更新的电动化“三电”技术。

1. 电机：

电动机在混动系统（THS）中主要用于启动和在低速时提供驱动力，而随着车速逐步上升后，会配合内燃机来共同提供驱动力，期间主要能让内燃机稳定在最佳的转速区间内，从而达到省油的目的。而在纯电动车中则取代了内燃机，借助动力电池的电能来直接驱动车轮。

丰田则是通过汽车变速器积累的驱动技术和电动机技术相结合，来不断优化电动车的动力总成。电机主要从“小型/轻量化”、“冷却性能”、“低损耗化”和“静谧性”这几个方面来优化和升级。

小型化/轻量化方面，丰田主要通过改变齿轮组、电机高转速和提高冷却性能来实现。因为通过电机减速装置可实现高转速化（从第一代的5600rpm到第四代的17000rpm）和小型化，再通过进一步的小型化来实现电机的多轴化配置，同时还要提高冷却性能。

冷却性能方面，随着电机小型化的升级，丰田对冷却系统也研发出了应对小型化导致发热密度UP的技术，这其中还是从初代的水冷空气室外壳，间接冷却电机室，逐步提升到通过油泵直接向电机“浇”冷却油来进行达到更好冷却目的的技术。

低损耗化方面，通过改变齿轮组（减少齿轮啮合齿数）、电机室油室化和优化油位等来降低损耗，而从初代到最新的已降低了60%。其中电机室油室化则是通过取消密封件结构减少拖拽损耗，并开发耐ATF性的有质电机绝缘材料来以确保可靠性。而油位的优化则是行驶时将油积储油槽，并降低搅拌的损耗来逐步实现。

静谧性方面，主要是通过改变齿轮组（减少齿轮啮合齿数）等来提高的。其中将电机减速机构从行星齿轮式改为并行齿轮式便可提高静谧性，同时优化啮合相位和刚性，来降低啮合强制力也能提升静谧性。

2. PCU电控：

动力控制单元PCU电控又被称为“电动化”组件中的“智能大脑”，主要作用是将电池的电力（直流）传送给电动机（交流）的电力转换器。其中丰田不仅将PCU电控的体积越做越小，同时功率密度也得到了倍数的增长，其中“世界首创”的追加升压变频器更是优化了“三电”的性能，在同等功率下可实现高效、小型、轻量和低成本的系统。

如今已小型化的PCU主要是由IPM、升压变压器、电抗器、冷却器和DCDC变频器这5个核心部件所组成，在从初代的到如今第四代PCU，丰田在逐代上都进行了小型轻量化的升级，并实现了体积和质量减小1/2，功率密度提升2.5倍的成果。另外，PCU在发展过程中提高冷却性能和实现长期耐用性也是丰田一直研发的核心，并从单面冷却结构开始，研发了世界首创的“直接冷却结构”（第3代）和双面冷却结构（第4代）。

与此同时，PCU的结构上也有些变化，前3代PCU均采用了平面配置结构，其中初代和第2代为普锐斯专用，第3代则向普锐斯以外的小型车推广使用，而发展到第四代时，则采用了全新叠层式结构，这主要是考虑到要向其它车型所推广，主要面向各种小型、中型和大型车上所使用。

PCU的体积也越来越小型轻量化，搭载位置也出现了变化

每当打开发动机盖看到舱内时，在发动机的右侧能便能看到PCU组件，而从初代到如今的第4代，PCU除了体积在不断缩小外，其实搭载方式也出现了变化。其实前3代都采用了车身搭载形式，初代和第2代都搭载于发动机舱的专用设计处，而第3代则搭载于辅助电池原位处，这是为了能向普锐斯之外的小型车适用。到了第4代则实现了驱动桥上方搭载，这边能实现低重心的理念，比如TNGA架构。

其实在PCU组件上还有个非常重要的物件，那就是功率半导体。为了能更好的降低油耗和系统小型化，功率半导体也通过了低损耗化向小型化（高电流密度化）的发展。其中在技术上丰田就世界首创了“温度传感器内置”、“He离子照射”和“耐压专用设计”的技术，其中还首次在汽车上应用了“沟槽栅极”的技术，而实现低损耗化则主要通过块状硅薄片化和采用载流子积累结构来实现。

3. 电池：

电池组就非常好理解了，主要是用于输出电能和储存再生能源。丰田则通过车用电子零部件积累的技术和电池高功率化，改善车用电池包的技术，同时再通过小型化（有效率用空间）、轻量化、电极材料和控制的改良来提高电池性能。

丰田电池包内部的零部件包括电池模块、电池控制单元、电池冷却风机、维修塞等所组成。与此同时，这些核心零部件从历代的升级中均实现了小型化的转变，最终让我们看到的就是电池包整体小型化和轻量化，这点通过丰田每代混动车型的电池布局即可看出，从初代放置于后座背面，到如今的后座下方，完美解决了对行李厢空间占用的问题。

而电池包在小型/轻量化方面主要得益于以下3点的改进：

1. 通过开发和搭载Ni电池推送小型化；

2. 混动系统中加入升压转换器，从而减低电池额定电压，并减少电池单体数量；

3. 开发Li-ion方形金属制207V电池。

丰田电池包采用了冷却风机，通过扩大风机口径来降低噪音，同时低转速还能确保冷却风量；再通过采用无刷电动机实现整体轻量化，并优化散热片形状，同时也减少开关损耗来提升功率。

另外，丰田对电池包的外壳模块也有很高的要求，初代电池包为金属壳，而从第2代开始使用了新开发的树脂壳，通过减少电池单体数量、改变接电结构改良电极材料来提高输入/输出性能。目前第4代新电池只有56节，而初代的则有240节。

总结：汽车向新能源车的发展无疑是必然趋势，其实从核心上来看，技术永远是第一驱动力。尽管全世界车企都明确了向“电动化”发展的目的，但真正能以技术为导向去研发的车企并不多，而丰田汽车就是个典范，并没有像目前蓬勃发展的市场的所妥协，相反更快的在加速研发最新的“三电”基础，来给未来的电动化车型打下扎实的基础。

通过对丰田汽车在电动化核心的“三电”技术上较全面的解析，不难看出丰田在“电动化”技术上的雄厚实力、丰富经验和强大储备力量，同时也让我们有理由相信未来丰田出品的新能源车无疑是最为可靠和前言的，并能更好的满足不同的消费类市场需求。

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