豐田汽車（Toyota Motor Corporation）是全球最大的整車企業(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，是第一家汽車年銷量超過(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、雷克薩斯國(guó)際公司、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)的第一事業(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，2016財(cái)年的研發(fā)投入最高，為1.06兆日元，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。

圖1 研發(fā)費(fèi)用及營(yíng)收占比（單位：百萬(wàn)日元）數(shù)據(jù)來(lái)源：Toyota Motor Corporation Financial Report

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)為燃料電池車是終極環(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)布了首款燃料電池汽車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)布全球首款量產(chǎn)氫燃料電池汽車Mirai，Mirai是世界上率先投入量產(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，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)專利，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量；2016年，Mirai的銷量增至2000量，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，最高輸出功率為114kW，最高時(shí)速為175km/h。Mirai的輸出功率以及最高時(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。

表1  Mirai參數(shù)

數(shù)據(jù)來(lái)源：2016 Mirai Product Information

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），最大輸出功率為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)先水平。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。

表2  燃料電池堆參數(shù)

數(shù)據(jù)來(lái)源：2016 Mirai Product Information

（2）儲(chǔ)能電池

為了提高效率，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)是氫燃料電池汽車最重要的問(wèn)題。Mirai在后排座椅下方布置了兩個(gè)最大可承受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，最高可以承受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)）。

表3 高壓儲(chǔ)氫罐參數(shù)

數(shù)據(jù)來(lái)源：2016 Mirai Product Information

（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)的最大功率為113千瓦，最大扭矩為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，最大輸出電壓為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，用于精確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%！