垄断还是共赢？解读丰田开放电动化专利

　　[汽车之家 技术] 4月3日，丰田宣布为了应对越来越严苛的排放法规限制，促进车辆电气化技术的普及，将采取两项重要措施：首先无偿开放其关于汽车电气化技术的将近24000件专利的使用权；其次对于使用丰田电气化技术的厂商，丰田将在研发和销售方面提供有偿的技术服务。作为全球最大的汽车制造商，丰田的这项决定意欲何为？下面我们从技术的角度，来看看丰田在汽车电气化技术上有何独到之处，丰田的这个决定，又会带来哪些蝴蝶效应。

　　丰田此次开放的专利涉及丰田在车辆电气化驱动领域的主要技术，包括核心的电机、电池和动力控制单元（电控技术），以及延伸出来的燃料电池、纯电和混动技术。其中最为人所关注的，非丰田的混合动力技术莫属。

世界上只有两种混动，一种是丰田混动，另一种是其他混动？

　　凭借着在相关领域20余年的深耕，丰田的HSD（hybrid synergy drive，丰田的混动品牌，直译即为混合动力驱动）技术取得的成就有目共睹：自1997年推出第一代普锐斯之后，迄今丰田已经累计生产超过1300万台混合动力汽车，凭借着出色的燃油经济性和可靠性，丰田的混合动力技术在用户之间积累了良好的口碑。因此在坊间也流传着一句话：世界上有两种混动，一种是丰田混动，另一种是其他混动。虽然我并不完全赞同，但是这也从侧面印证了丰田在混合动力技术的地位。

　　我们知道，混合动力技术的推出，是为了弥补内燃机天然的缺陷，在内燃机的低效工况时用电力来驱动车辆，从而提升动力系统整体效率。

　　内燃机自诞生至今150多年来，相关技术已经得到了长足进步，最高热效率从最初的10%左右提升到了40%，但是受限于工作原理，内燃机的最高热效率仅仅存在于部分工况下，而在实际使用过程中，由于发动机通过变速传动机构同车轮之间耦合，在走走停停、频繁加速减速的使用环境下发动机很难运行在最高热效率区间。

　　因此，丰田HSD混动技术的基本出发点就是通过特殊设计的传动机构将和电驱动系统将发动机和车轮“解耦”，即令发动机的转速和动力输出同车轮不存在对应关系，令发动机尽可能运行在最高效率区间内，同时电传动系统还可以回收车辆多余的动能，这样一来，能量转换效率得到极大提升，油耗便显著降低。

　　丰田的这套混动系统设计巧妙，加上高效可靠的性能，在世界范围内得到了广泛认可。同时丰田也为这套系统申请了超过4500项专利，在专利保护下，其他厂商想要生产类似的高效混动系统便捉襟见肘。

　　因此，许多厂商为了绕过丰田的专利保护，便另辟蹊径开发其他结构的混合动力系统。其中最常见的便是在发动机和变速箱之间集成一台电动/发电机，配合电池和电控系统组成一套混动系统，即我们常说的P2结构。

　　P2结构的混动系统最大的特点是结构简单，在原有动力系统的基础上仅需对变速箱进行简单的改造便可以实现。相比丰田的HSD系统，这套系统同样可以实现电力单独驱动车辆前进、动能回收、发动机发电等功能，并且通过简单加大电池容量和电机功率，便组成实现插电式混动系统，整体研发成本并不算高。但是与丰田HSD系统相比，这套系统并没有将发动机同车轮“解耦”——发动机仍然通过变速器同车轮相连，因此在多数工况下仍然无法运行在最高热效率区间内，所以整套系统的节油效果较HSD系统有着显著的差距。

　　除了P2系统之外，如今另外一个十分火热的概念是48V：即将车辆的供电系统电压由12V提升至48V，这样一来便可以搭载功率更大的用电设备，藉此来降低车辆的燃油消耗。48V系统最显著的变化在于车辆使了一台大功率的BSG发电/启动电机，这台电机不仅可以实现发动机启/停功能，而且可以直接带动发动机曲轴来驱动车辆前进，实现混合动力的效果。根据混动系统命名规则，这样的混动结构被称为P0（即电动机位于发动机前端）。

　　相比P2结构，48V系统组成的P0结构由于整体结构更加简单，并且不需要大容量的电池和复杂的电控系统，因此整体成本更为低廉。而且在NEDC循环工况下，可以实现15%左右的节油效果，因此最近受到了不少厂商的追捧。但是局限也十分明显：相比P2结构，由于电能介入频率更低，在实际使用时节油效果着实有限。

　　因此，作为混合动力系统的创始者，丰田的这套混合动力结构至今在运行原理和实际节油效果上，相比如今市面上大部分混合动结构仍然存在着不小的优势。

“咖啡法规”和WLTP循环测试标准：狼来了？

　　在全球节能减排的大趋势下，各国对于燃油汽车的“紧箍咒”也愈发严苛：首先对于车辆的油耗，颁布了CAFC（企业平均燃料消耗量，俗称“咖啡法规”）标准，其中对于各类车辆的油耗值有了详细的规定。（关于中国的“咖啡法规”，请点击这里：《86停售只是开始 详解中国CAFC咖啡法规》）其次，对于车辆的污染物排放标准也随之提升，例如中国即将实行的国VI排放标准，主要污染物排放量较国V标准需要降低50%左右。

　　由上表可以看到，在中国的“咖啡法规”中对于车辆的油耗标准低到了“变态”的程度，例如目前市场上销量最高的A级轿车（质量在1000kg-1400kg之间）的油耗标准在5.1L/100km之内。不仅如此，在未来的油耗测试标准中，主要国家也将放弃使用如今广泛使用的NEDC，而采用新的油耗测试标准。

　　目前在欧洲和中国，对于汽车油耗考核的“测试题”采用了1997年由欧盟更新的NEDC（新欧洲驾驶循环）标准。NEDC测试循环旨在模拟车辆行驶在欧洲道路环境下典型的工况，包括在城市路段走走停停以及高速行驶路况，从而测试出车辆的油耗水平。

　　NEDC自推行以来得到了众多国家的认可，并且在此基础上不断提升油耗标准，很大程度上促进了节油减排技术的发展。然而，作为一个20年前推出的油耗测试标准，NEDC的局限性也在不断显露。

　　最为显著的问题是不少车型在NEDC下得出的油耗成绩同实际使用时有着较大的差距。这其中的原因首先是NEDC测试过于“实验室化”：整个测试都在实验室转鼓上进行，通过转鼓来模拟车辆在行驶过程中的阻力，忽视了许多其他变量的影响（例如车内空调、开关车窗、轮胎胎压等）；同时，模拟车辆行驶状态同实际情况也有较大的差异——尤其在城市工况下，NEDC模拟的是缓慢均匀加速和减速，并且还设定了较长时间的空挡怠速状态，事实上，在我们日常使用的过程中，车辆会经历更加频繁的加速/减速过程，并且油门输入也并非像NEDC模拟的那样均匀。

　　其次，越来越多的厂商学会了“应试教育”：即依据NEDC循环对车辆特性进行针对性的调校，这样一来可以用更低的成本来实现“节能减排”，但是在实际使用过程中却并非如测试时那样省油，这显然违背了NEDC的初衷。

　　在这样的背景下，由来自欧盟、日本和印度的专家在2015年推出了一套关于轻型车辆尾气排放和能耗的新型测试方法，即WLTP（worldwide harmonized light vehicles test procedure，世界轻型车辆统一测试程序）。

　　WLTP首先对于车辆测试的环境及车辆状态有了严格的规定，比如车辆负载、环境温度、行驶阻力以及车辆挡位等，其次，相比NEDC标准，WLTP测试时间延长了10分钟，并且车辆的加速\减速工况更加频繁，这样更加接近车辆在实际使用时的情景。因此在WLTP标准下测试出来的车辆能耗，也更具参考意义。

　　就中国来说，WLTP随着国VI排放标准的推广逐渐普及成为排放测试标准，并且预计在2021年成为车辆能耗测试的标准。

　　“咖啡法规”以及WTLP标准的推广，对于各大主机厂来说可谓压力重重：若要达到标准限定的能耗水平，采用新能源技术为必经之路。

　　根据中国《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》规定，采用纯电动技术、燃料电池技术或插电式混合动力技术的车型会获得销量倍数Wi的优惠，因此生产纯电动/插电式混动车型在目前来说是车企快速降低CAFC值的捷径。但是一方面根据规定Wi值会逐年降低，另一方面采用纯电动或插电式混合动力技术的车型如果没有限购、补贴等政策倾斜，对于消费者来说绝非购车的首选项。

　　得益于电池技术的发展，主流纯电动汽车的续航里程如今已经可以媲美燃油车，但是在极端天气下的续航衰减以及充电难、价格贵等问题仍然让众多消费者望而却步。

　　至于插电式混合动力汽车，大容量电池的加入不仅提升了车辆自重，令车辆在亏电状态下油耗升高，而且侵蚀车辆乘坐和储物空间，还提升了车辆价格——这对于主流价格区间的车型来说，采用插电式混合动力技术可谓丝毫没有竞争力。

　　至于采用P2结构及48V混动系统的混合动力车型，可以预见的是在WLTP标准下油耗水平并不会十分乐观——由于新的标准大幅削减了车辆停车怠速的工况，因此自动启/停系统的优势被急剧削弱，此外在测试标准中高速工况的增加，也令P2结构车型纯电行驶工况比例降低，从而导致测试油耗升高。

　　在这样的条件下，丰田HSD混合动力技术的优势凸显：高效的混动原理和结构设计令车辆在全工况下都可以保证高效运转，另外得益于混动系统的高普及率和销量，整套技术成本得以降低，从丰田旗下混动车型的热销也可以看出，即便没有政策倾斜和补贴，消费者对于HSD技术仍有非常高的接受程度。因此在未来当“咖啡法规”和WLTP标准双重限制下，采用高效省油混动技术的车型凭借着低油耗、高实用性和高性价比，在市场上将会具备明显的优势。

丰田开放专利 影响几何？

　　之前分析到，在“咖啡法规”和WLTP标准广泛普及之后，采用类似丰田HSD这样高效混动技术可能是不少主机厂商的必由之路。而丰田在此刻开放专利，并且提供有偿技术援助，对于不少在技术路线上“跑偏”的车企来说是个非常有诱惑力的选项。

　　根据丰田的规划，丰田在未来不仅是一家车厂，还是一家电驱技术集成系统的供应商。其包括混合动力和燃料电池技术在内的电驱技术可以在各种交通工具公司进行推广，并且还可以作为高校和研究机构的研究样本。

　　HSD标识对于产品来说是一个很好的背书：采用丰田技术通常意味着出色的油耗和高可靠性的动力总成。对于新推广的产品而言悬挂HSD标识很大程度上就是销量的保障。

　　但与此同时，丰田全球第一大汽车厂商的身份也会令不少车企有所顾忌——倘若对丰田旗下的产品构成竞争威胁，丰田是否会一如既往地提供产品和技术？这就需要双方拿出契约精神和合作的诚意。

　　事实上丰田此举同如今的互联网公司类似：通过自己的平台化技术打造“生态闭环”，例如苹果的iOS系统，藉此来提升自身的影响力和技术垄断。当然不可否认的是，HSD混动技术的普及对于全球汽车的节能减排来说，有着里程碑式的意义:它可以大幅降低车辆的能耗和排放水平，并且是在不牺牲用户体验的前提下。但是对于如今其他有着类似技术的厂商来说，就是一个不小的挑战。

　　其中之一就是本田公司。事实上关于混合动力技术，本田起步并不比丰田晚：在第一代普锐斯推出的同期，本田就推出了采用IMA混动技术（采用P2结构）的Insight，凭借着轻量化和低风阻的车身，Insight甚至实现了比普锐斯更低的油耗。但是并不实用的车身设计和IMA系统的可靠性问题，导致Insight并没有像普锐斯一样一炮打响。

　　在2013年，本田推出了i-MMD锐·混动技术并搭载在第九代雅阁上。这套混动技术采用了双电机直连的方式将发动机同驱动轴解耦，在低速工况下依靠电机驱动车轮前进，而发动机没有任何变速机构与其相连，基本可以时刻运行在最高效率区间内。因此，这套创新的技术在节油效果上达到甚至超过了丰田的HSD系统。

　　不仅如此，由于i-MMD混动系统采用了功率更高的驱动电机，并且整体结构更加简单紧凑，更容易改造成为插电式混合动力系统。面对来势汹汹的丰田，像本田这样的公司如何回应令人期待。

全文小结：

　　很多观点认为丰田此举是为了同发展迅猛的纯电动汽车争夺市场份额和未来的话语权，但我认为在任何时候，消费者“用脚投票”都是亘古不变的市场规律：谁的产品用户体验更好，性价比更高，更能满足典型的使用场景需要，谁就能取得成功之钥。因此，未来的新能源汽车究竟要采用什么样的技术路线，目前下结论还为时尚早，而丰田开放专利之后，最大的受益方，应该是消费者。（文/图 汽车之家 王兴宇）