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丰田燃料电池汽车中心技能及专利剖析
发布时间:2019-09-27 14:39:00

丰田汽车(Toyota Motor Corporation)是举世最大的整车企业之一,创立已有80众年历史,举世五十众个国家有拼装工场,是第一家汽车年销量超越万万的整车企业。


丰田汽车主要的内部公司按产品类型和地区可分为7个子公司和2个遗迹部,区分为先辈技能开辟公司、丰田小型车公司、中型车公司、啥菝车公司、雷克萨斯国际公司、动力总成公司和新修立的互联汽车公司,以及认真北美、欧洲和非洲营业的第一遗迹部和认真中国,亚洲,中东和北非,东亚及大洋洲,拉丁美洲及加勒比地区的第二遗迹部。


一、高研发加入瞄向减排汽车

技能研发方面,丰田汽车2001财年到2017财年的研发加入平均值为0.8兆日元,2016财年的研发加入最高,为1.06兆日元,研发费用占比为3.7%。近三年来,丰田汽车的研发费用和研发费用占比改造幅度不大,研发费用保持1兆日元以上。


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图1 公司研发费用及营收占比(单位:百万日元)
数据根源:Toyota Motor Corporation Financial Report

丰田汽车于2015年10月14日发布了“丰田状况挑衅2050”目标,提出2050年前完成仅靠发动机行驶的汽车的“零”出售。该方案旨进步混淆动力车(HV)和燃料电池车(FCV)的比率,使新车的二氧化碳(CO2)排放量比2010年淘汰90%。


于是,丰田汽车近年来新能源汽车,特别是燃料电池汽车上加入了大宗研发资金。


从恒久来看,目前丰田汽车的研发开支正处于历史高位,可以认为丰田汽车关于科研十分注重,未来可以会有大宗新能源技能和产品推出。


因为古板电池技能的限制,丰田高层认为燃料电池车柿攴斧环保车,丰田汽车近年来将其未来研发重心从技能成熟的混淆动力汽车渐渐转向燃料电池汽车。


丰田汽车于1992年便开端研发燃料电池汽车,1996年10缘愧布了首款燃料电池汽车FCEV。


随后的十众年里,丰田汽车延续推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等车型,但受制于腾贵的单价和根底方法缺乏,该阶段的燃料电池汽车没有量产和商品化。


二、Mirai动力子体系功用目标

2014年12月15日,丰田汽车日本发布举世首款量产氢燃料电池汽车Mirai,Mirai是天下上率先加入量产的燃料电池汽车。


Mirai的售价为723.6万日元(约44万大众币),经政府补贴后,实行的售价520万日元尊驾(约31万大众币),上市首月的订单抵达1200辆。


目前,氢燃料的售价约为1000日元/千克,Mirai的储氢罐可储存5千克氢气,加满氢气仅需3-5分钟,夹、后可行驶650千米,每公里的资本约为8日元(约0.49元大众币)。


丰田Mirai采用了全新计划的底盘,以及新一代的燃料电池堆和储氢罐,Mirai的整套燃料电池动力体系包罗燃料电池堆、高压储氢罐、升压变频器、电动机、动力掌握单位等等。


值妥当心的是,丰田Mirai可应用燃料电池体系发生的电能为家庭供电。日本的自然灾祸比较众,Mirai举措应急电源救援义务中可以发挥很着述用。


氢燃料电池汽车的续航和夹、燃料的时间与一般内燃机汽车无异,分明优于纯电动汽车。但加氢站等根底方法的修设是氢燃料电池汽车未来开展不得不面临的艰难。


为了使更众的氢燃料电池汽车上道,丰田无偿地对外公然了约5680项燃料电池相关专利,期望以此饱励其他汽车厂商推出燃料电池汽车,低沉加氢站等根底方法的制制和运用资本。


2015年,Mirai销量为700辆;2016年,Mirai的销量增至2000辆,占举世燃料电池乘用车总销量的88%。


因为产能有限,目前订购Mirai的消费者需求等候起码两年时间才干提车,丰田汽车估量到2020年,Mirai的年产量将30000台尊驾。


Mirai运用的燃料电池体系(Toyota Fuel Cell System, 简称TFCS)由丰田汽车自助研发,主要包罗六个子体系,区分是燃料电池堆、储能电池、高压储氢罐、驱动电机、PC升压变频器和动力掌握安装。下文将从整车和零部件两个方面来先容Mirai。


1.整车


Mirai的续航里程抵达502km,最高输出功率为114kW,最高时速为175km/h。


Mirai的输出功率以及最高时速和加速与目今市售的家用轿车相差无几,且因为没有内燃机,Mirai行家驶进程中只要胎噪,比较古板汽车更为恬静。


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外1  Mirai参数
数据根源:2016 Mirai Product Information

2.子体系


(1)燃料电池堆


Mirai的燃料电池为固体会合物电解质燃料电池(Solid polymer electrolyte FC),最大输出功率为114千瓦,由370片电池构成,重量仅56kg,体积仅37L。


体积功率密度和质料功率密度区分为3.1kW/L,2.0kW/kg,升压变频器认真将电压晋升至650V,以满意高功用电动机的需求,处于天下领先程度。


除了为汽车供应动力外,Mirai的燃料电池堆还可认为其他配备供电,Mirai可以举措备用发电机运用。


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外2  燃料电池堆参数
数据根源:2016 Mirai Product Information

(2)储能电池


为了进步服从,Mirai后备箱中有一块镍氢储能电池,用于接纳燃料电池组输出盈余的电能和车辆行驶进程中接纳的电能,供汽车急加速或车载电池运用。


(3)高压储氢罐


氢燃料的平安存储是氢燃料电池汽车最主要的题目。Mirai后湃御椅系澜布置了两个最大可承受70兆帕压力的高压储氢罐,其外壳由碳纤维和凯夫拉构成,可以抵御轻型武器的攻击。


氢气具有可燃性,气氛中点燃可以爆发爆炸。丰田通过优化车身构造维护了储氢罐,80km/h的追尾试验中,储氢罐保持齐备。碰撞后,氢气会以平安的速率被强制排出,杜绝爆炸的损害。


Mirai的加氢口位于车身的左后方,最高可以承受87.5Mpa的夹、压力。配合专业的加氢配备,3分钟内即可为Mirai加满氢气。充满之后,5kg的氢气可以驱动Mirai行驶650km(日本的JC08标准)。


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外3 高压储氢罐参数
数据根源:2016 Mirai Product Information

(4)驱动电机


Mirai运用的驱动电机与丰田的混淆动力汽车相同,均为同步交换电机。该驱动电机的最大功率为113千瓦,最大扭矩为335Nm。


(5)FC升压变频器


TFCS体系中,燃料电池发出的电能还需求颠末升压变频器的升压才干供应电动机运用,最大输出电压为650V。


(6)动力掌握安装


动力掌握安装由逆变器、升压转换器和DC/DC转换器构成,用于准确掌握燃料电池堆的输出和电池的充电及放电。


FCV价钱昂扬,重假如燃料电池堆的资本不停下不来,然而丰田分明找到理办理题目的要害。和丰田2008年推出的燃料电池体系比较,Mirai的燃料电池体系资本低沉了95%!


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三、 丰田燃料电池相关专利剖析


1.专利年度分布

截至2017年5月12日,丰田汽车已21个国家和地区、2个国际常识产权构造申请了15867件与燃料电池相关的专利。


2004年到2009年,丰田汽车与燃料电池相关的专利申请数目大幅增加,时代该技能范畴年均专利申请量为1895件,阐明丰田汽车这几年展开了大宗氢燃料电池技能研讨。


2009年后,丰田汽车与燃料电池相关的专利申请数目渐渐下降,年申请量回落到500件尊驾。


直到2014年,专利申请数目再度回升,2015年的专利申请量从头回到1000件以上,外明当系泪田公司对燃料电池技能研讨的热诚渐渐回升,未来可以有较众新技能和新产品面世。


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图2 专利年度申请量
数据根源:Innography.com

2.举世专利构造

从与燃料电池相关的举世专利构造来看,丰田汽车的专利申请主要掩盖日本、美国、中国、天下常识产权构造、欧洲专利局等21个国家、地区和2个国际常识产权构造。


此中,丰田汽车其总部所地日本的专利申请最大,累积申请与燃料电池相关的专利8712件,占该范畴总量的55%,阐明丰田汽车对本土燃料电池墟市的注重。


另外,美国的申请量占12.2%,中国的申请量占9.2%,显示丰田汽车对这些地区燃料电池汽车墟市的注重。


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图3 专利举世构造
数据根源:Innography.com

3. 技能研发要点

为了研讨丰田汽车与氢能和燃料电池相关的技能研发状况,应用专利文本开掘和IPC国际专利分类进一步睁开剖析,可以看出该公司技能要点汇合氢泵、排水阀、电解质膜、储氢罐等技能。


从IPC分类号来看,丰田汽车H01M8燃料电池及其制制范畴申请的专利数目最众,抵达9671件,占总量的61%。专利申请数目第二众的技能范畴是H01M4电极,占总量的9.5%。


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图4 要害技能看法
数据根源:Orbit.com

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外4 要害技能范畴专利申请量排序
数据根源:Innography.com

4.协作与鉴戒

对丰田汽车申请的与氢能和燃料电池相关专利举行申请人剖析,其结果显示了该企业与其他企业或私人的协作研发状况。


由下图可以看出,公司与爱信、Nippon Soken、丰田中心研发实行室等集团表里部企业和科研机构有大宗协作。


技能的鉴戒方面,本田汽车与氢燃料电池相关的专利被本田汽车、日产汽车、松下公司援用较众,同时也援用本田汽车、日产汽车、松下公司较众专利,丰田汽车与这三家公司之间的技能联系度较高,互相援用、鉴戒大宗专利。


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图5 专利协作申请状况
数据根源:Orbit.com


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图6 申请人世援用状况
数据根源:Innography.com

5.发明人剖析

丰田汽车与燃料电池相关技能的高产发明人包罗Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等,此中发明人包罗Yoshiaki Naganuma的专利申请328件,占公司专利总量的2.1%。


申请量排名前10发明人是公司技能研发中心团队,申请专利1940项,占公司专利总量的12.2%,阐明公司科研团队庞大,科研人才较众。


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图7 专利发明人
数据根源:Innography.com

6.专利代价剖析

Innography速要十年美国授权专利各目标的平均数值举措评判标准,归一化后绘制成雷达图。下图中右侧图例中的数据即为各项目标的标准数值,雷达图中以数值为1外示。


从图中可以看到丰田汽车与燃料电池相关的专利诉讼、专利援用上远低于平均值,阐明丰田汽车的专利诉讼较少且专利原创度较高,通过鉴戒或协作举行的立异较少。丰田汽车专利的发明人高于平均值,阐明其发明团队较大。


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图8 专利代价剖析
数据根源:Innography.com

下图显示,丰田汽车与燃料电池相关的专利总量为15867件,此中,10782件专利是有用的,包罗5373件有用授权和5409件有用申请。丰田汽车失效专利数目较少,仅为5085件,占专利总量的32%。


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图9 专利有用性
数据根源:Innography.com

Innography专利强度目标参考了10余个专利代价的相关目标,包罗:专利权益请求数目、援用先前技能文献数目、专利被援用次数、专利及专利申请案的家族、专利申请时程、专利年事、专利诉讼等,假如一件专利强度越高,可以确定该专利的质料和影响力越高。


对丰田汽车的通通与燃料电池相关的专利族举行专利强度剖析,发明其专利强度超越90的专利有88件,涉及氢燃料电池掌握体系、燃料电池堆、冷却安装、燃料电池制制等。88件专利通通有用,仅有3件专利将2020年前失效。


外5  高专利强度专利状况

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数据根源:Innography.com
稿件根源: 氢能观察
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