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丰田借助电池技术多样化其下一代汽车战略

2023-03-08 15:05:54 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
作为最早将电动汽车商业化的公司之一,丰田现在生产种类繁多的汽车,例如燃料电池电动汽车(FCEV)、电池电动汽车(BEV)和混合动力汽车。涵盖下一代汽车所涉及的大部分技术的综合知识产权战略,是这种重新定位的重要支持者。

汽车行业正在经历一场重大变革。汽车制造商必须做出改变,为明天的汽车(包括电动汽车、氢燃料汽车和自动驾驶汽车)做好准备,以遵守增加的二氧化碳排放规定,并提供更安全的自动驾驶汽车。8h7ednc

作为最早将电动汽车商业化的公司之一,丰田现在生产种类繁多的汽车,例如燃料电池电动汽车(FCEV)、电池电动汽车(BEV)和混合动力汽车。涵盖下一代汽车所涉及的大部分技术的综合知识产权战略,是这种重新定位的重要支持者。图1总结了丰田的下一代汽车专利战略。8h7ednc

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图1:丰田下一代汽车的专利战略。(图片来源:KnowMade)8h7ednc

氢基燃料电池汽车

凭借在20多年的工作中所颁发的12,000多项专利发明,丰田集团创造了世界上最大的燃料电池专利组合。在2000年代,该公司对与FCEV相关的技术进行了大量投资,考虑到了它们在对环境的影响、自主性、速度和充电便利性方面优于其他类型车辆的优势。8h7ednc

为了开发FCEV技术,丰田汽车(约占这些专利申请的75%)可以依靠其所有关联公司和子公司。为了加快多年来的发明进步,丰田仍然加强了其在特定学科的专业知识,并通过建立外部联盟(通常是与日本地区企业、大学和研究机构)建立了一个工业模型。为了推广FCEV并帮助该行业的发展,这家日本汽车制造商在2015年授予了其当时5,000多项FCEV相关专利许可的免版税使用权。8h7ednc

该公司并不专注于单一的燃料电池技术。为了保持使用任何类型燃料电池的灵活性,其大部分专利都涵盖通用燃料电池技术。最初,该公司为燃料电池器件创建了电催化剂、膜电极组件和堆叠结构。自2016年以来,丰田一直在整个FCEV供应链上扩大其研发工作并研究新领域。其中之一是燃料电池运行期间运行参数的调节。8h7ednc

从氢气的制造到基础设施的安装以及在丰田FCEV中的应用,丰田集团实施了一个垂直创新整合的过程。丰田集团还致力于开发多种尖端制氢技术,包括固体氧化物电解槽、高性能质子交换膜电解槽和光催化水分解。此外,它还从事用于存储和运输的氢载体专利,例如金属有机框架。8h7ednc

电池创新

在成为商业焦点之前的几十年,丰田就预见到了向混合动力汽车和纯电动汽车的过渡。多年来,该公司创造了广泛的电池相关技术,这是影响电动汽车性能(自主性、速度和安全性)的主要因素之一。作为其研究计划的一部分,丰田在日本和国外就电池进行了广泛合作。因此,该公司在电池和电动汽车的主要生产和商业化地点获得了知识产权,其电池发明现在涵盖了当前和未来潜在技术的整个供应链(日本、韩国、中国、欧洲和美国)。为了满足电动汽车市场的需求,丰田非常愿意参与电池特性(能量和功率密度、充电速度、寿命等)的提升。为实现这些目标,丰田决定专注于两个主要方向:改进电动汽车中已有的锂离子电池技术,以及开发具有卓越性能的新电池技术。8h7ednc

一方面,该公司正在开发用于锂离子电池的新材料和现有材料。这些材料包括固体电解质、NMC/NCA、锂金属、钛酸锂(LTO/Li4Ti5O12)和硅。考虑到其在整个供应链中的强大知识产权地位,丰田是目前最重要的固态电池专利受让人。8h7ednc

另一方面,丰田正在研究理论上性能优于锂离子电池的新电池技术。该业务致力于成熟的后锂离子技术,包括锂空气、锂硫和钠离子电池,以及更尖端的技术,如Mg、F、Al、Ca、K和Zn离子电池。8h7ednc

电动汽车用SiC功率器件

自2018年以来,电装(Denso)一直是碳化硅MOSFET开发领域的领先公司。通过将其必要专利转让给电装,丰田汽车期待在下一代电动汽车中集成SiC MOSFET。整个供应链,从SiC材料到SiC功率器件、模块和电路,都在丰田和Denso的专利活动中(图2)。丰田的知识产权活动侧重于让该公司在SiC供应链向下移动时在电动汽车应用方面具有竞争优势的想法。8h7ednc

在供应链上游,丰田的专利组合涵盖范围广泛的技术,包括尖端的SiC晶体生长技术(PVT)和非常规技术(CVD、溶液生长)。得益于SiC衬底技术的广泛覆盖,丰田有能力在中长期内克服与SiC材料相关的大多数技术障碍,包括成本、质量或晶圆尺寸。8h7ednc

有趣的是,自2010年以来,丰田汽车一直是芯片贴装技术TLP键合技术开发的领导者。该工艺有望替代传统的焊接方法和用于高温操作的银或铜烧结方法。8h7ednc

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图2:丰田集团与SiC相关的专利出版物的时间演变——截至2021年8月所公布的专利。(图片来源:KnowMade)8h7ednc

自动驾驶汽车

汽车行业正在准备的第二次革命与自动驾驶汽车和机器人计程车有关。虽然混合动力汽车和BEV的推出已经巩固了电气化,但机器人出租车和全自动驾驶汽车的推出需要更长的时间。8h7ednc

丰田集团在高级驾驶辅助系统和自动驾驶汽车技术领域的知识产权活动是该组织中最活跃的活动之一。如此大的研发活动不仅要与老牌汽车制造商竞争,还要与新兴的机器人出租车制造商竞争。8h7ednc

由于摄像头、雷达和激光雷达(LiDAR)被视为创建车辆环境3D映射必须结合的三大主要技术,因此丰田集团在这些领域的早期专利工作有利于该公司的现代技术进步。然而,这家日本公司已决定缩减其LiDAR研发工作,转而支持在车辆中集成和管理众多传感器(尤其是摄像头)的系统。8h7ednc

总结

丰田在申请专利方面的努力反映了其希望在创造未来汽车方面发挥重要作用的愿望。丰田已经提交了大量专利申请,涵盖从材料到系统的方方面面,包括器件、控制电路和封装,涉及所有关键学科(如电池、燃料电池、传感器和电力电子)。此外,丰田还拓宽了技术范围,将自己确立为过去、现在和未来关键技术的领导者。8h7ednc

参考文献

1KnowMade. (Sept. 27, 2022). “Insights on Toyota’s patent strategy for next-generation vehicles.” Press release.8h7ednc

3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源管理芯片提供商,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参会,并到场交流。8h7ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power ELectronics News,参考链接:How Toyota Is Diversifying Its Strategies for Next-Gen Vehicles,由Franklin Zhao编译。)8h7ednc

本文为《电子技术设计》2023年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里8h7ednc

责编:Franklin
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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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