多元化策略推動下一代電動車安全上路
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，Power Electronics News主編
Toyota積極生產種類繁多的新一代車輛，例如燃料電池電動車、電池電動車以及混合動力車等，而其涵蓋下一代汽車技術的完整IP策略，更是支持這種重新定位的重要推手...
車輛產業正經歷一場重大變革。汽車製造商必須做出改變，才能為明日的汽車——包括電動車(EV)、氫燃料車和自動駕駛車做好準備，以遵循新增的二氧化碳(CO2)排放規定，提供更安全且環保的自動駕駛車。
豐田集團(Toyota Group)現正積極生產種類繁多的新一代車輛，例如燃料電池電動車(FCEV)、電池電動車(BEV)以及混合動力車，成為首批讓電動車商業化的公司之一。而其涵蓋下一代汽車涉及之大部份技術的完整智慧財產權(IP)策略，更成為支持這種重新定位的重要推手。圖1總結豐田的下一代車輛專利策略。
圖1：豐田的下一代車輛專利策略。(圖片來源：KnowMade)
氫基燃料電池電動車
憑藉其於20多年來累積的12,000多項專利發明，豐田集團創造了至今最大的燃料電池專利組合。考慮到FCEV對於環境的影響、自主性、速度和充電便利性方面較其他類型車輛更具優勢，該公司在2000年代針對與FCEV相關的技術進行了大量投資。
為了開發FCEV技術，豐田汽車(Toyota Motor；約佔這些專利申請的75%)依仰賴於其所有相關公司和子公司。為了加快多年來的發明進步，豐田持續加強其於特定學科的專業知識，並透過對外與日本地區企業、大學和研究機構共組聯盟，建立起產業合作模式。為了推廣FCEV並協助該產業的發展，這家日本汽車製造商還在2015年時開放當時所擁有的5,000多項FCEV相關專利執照的免授權使用。
該公司並非僅專注於單一的燃料電池技術。為了保持使用任何類型燃料電池的靈活性，豐田的大部份專利都涵蓋通用燃料電池技術。最初，該公司為燃料電池元件創建了電催化劑、薄膜電極元件和堆疊結構。自2016年以來，豐田一直在整個FCEV供應鏈上擴大其研發任務並研究新領域。其中之一是在燃料電池運作期間調節其運作參數。
從氫氣的製造到基礎設施的安裝，以及在豐田FCEV中的應用，豐田集團實施了一個垂直創新整合的過程。豐田集團還致力於開發多種尖端製氫技術，包括固體氧化物電解槽、高性能質子交換膜電解槽和光催化水分解。此外，它還從事用於儲存和運輸的氫載體專利，例如金屬有機架構。
電池創新
在成為商業焦點之前幾十年，豐田就預見即將過渡到混合動力車和純電動車的未來。多年來，該公司創造了廣泛的電池相關技術，這是影響電動車性能(自主性、速度和安全性)的主要因素之一。作為其研究計畫的一部份，豐田在日本和海外就電池進行了廣泛合作。因此，該公司確保了其於電池和電動車主要生產和商業化的IP地位，其電池發明如今已涵蓋當前和未來潛在技術的整個供應鏈(日本、韓國、中國、歐洲和美國)。
為了滿足電動車市場的需求，豐田展現其充份投入電池特性(能量和功率密度、充電速度、壽命等)的持續提升。為了實現這些目標，豐田決定專注於兩個主要方向：改進電動車中已有的鋰離子電池技術，以及開發具有卓越性能的新電池技術。
一方面，該公司開發用於鋰離子電池的新材料和現有材料。這些材料包括固體電解質、鎳錳鈷/鎳鈷鋁鎳鈷鋁(NMC/NCA)三元電池、鋰金屬、鈦酸鋰(LTO/Li4Ti5O12)和矽。考慮到其於整個供應鏈中的強大IP地位，豐田正成為目前最重要的固態電池專利企業。
另一方面，豐田正在研究理論性能優於鋰離子電池的新電池技術。該業務致力於成熟的後鋰離子技術，包括鋰空氣、鋰硫和鈉離子電池，以及更尖端的技術，如Mg-、F-、Al-、Ca-、K-和鋅離子電池等。
電動車用SiC功率元件
自2018年以來，電裝(Denso)一直是碳化矽(SiC) MOSFET開發領域的主導業者。豐田汽車由於將其標準必要專利轉移給電裝，期待能在下一代電動車中整合SiC MOSFET。整個供應鏈，從SiC材料到SiC功率元件、模組和電路，都包涵在豐田和Denso的專利活動中(圖2)。豐田的IP活動所側重的想法是向SiC供應鏈移動，從而使其電動車應用更具競爭優勢。
針對此SiC供應鏈，豐田的專利組合涵蓋範圍廣泛的技術，包括先進的SiC晶體生長技術(PVT)和非常規技術(CVD、溶液生長)。得益於其廣泛覆蓋的SiC基底技術，豐田能夠在中長期內克服與SiC材料相關的大多數技術障礙，包括成本、品質或晶圓尺寸。
有趣的是，自2010年以來，豐田汽車一直是晶片貼裝技術TLP鍵合技術開發的領導業者。該製程可望取代傳統的焊接方法，以及用於高溫操作的銀或銅燒結方法。
圖2：豐田集團SiC相關專利出版品時間演變——截至2021年8月所公佈的專利。(圖片來源：KnowMade)
自動駕駛車
汽車產業正準備展開的第二次革命牽涉到自動駕駛車和自動駕駛計程車。雖然混合動力車和BEV的推出已經鞏固了電氣化，但推出自動駕駛計程車和全自動駕駛車需要更長的時間。
豐田集團在先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛車技術領域的IP活動是該組織中最活躍的舉措之一。如此看重此研發活動不僅在於與老牌汽車製造商競爭，也為了與新興的自動駕駛計程車製造商較勁。
由於攝影機、雷達和光達(LiDAR)被視為創建車輛環境3D映射必須結合的三大主要技術，因此豐田集團在這些領域的早期專利工作有利於該公司的現代技術進展。然而，這家日本公司已決定縮減其LiDAR研發工作，轉而支援在車輛中整合和管理眾多感測器(尤其是攝影機)的系統。
總結
豐田在專利申請方面的努力反映其於創造未來汽車方面發揮重要作用的願景。豐田已經提交了大量專利申請，涵蓋從材料到系統等各方面，包括元件、控制電路和封裝，涉及所有關鍵學科(如電池、燃料電池、感測器和電力電子)。此外，豐田還拓展其技術範圍，確立自家公司為過去、現在和未來關鍵技術的領導者。
編譯：Susan Hong
(參考原文：How Toyota Is Diversifying Its Strategies for Next-Gen Vehicles，by Maurizio Di Paolo Emilio)
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