從 Gas Turbine Hybrid 到氫能源,Toyota 以多路徑發展實現「量產幸福」的新能源技術史 精選

從1977 年 Sports 800 Gas Turbine Hybrid 概念車開始,到今日龐大的 Hybrid、PHEV、EV 到 FCEV 等全系列新能源產品,Toyota 對於新能源車的開發可說是不於餘力。畢竟能源是實現碳中和的關鍵,但目前全球各地區能源狀況差異很大、消費者習性也不盡相同。這就是為什麼 Toyota希望提供各種碳中和選項來應對任何國家或地區的任何情況或需求。

因此 Toyota 選擇以多元能源方式,來進行逐步的轉型。目前共有HEV(Hybrid Electric Vehicle)、PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)、BEV(Battery Electric Vehicle) 與 EV(Electric Vehicle)四種動力選擇於市場販售,而這次就讓我們來看看 Toyota 是如何發展這四種截然不同的能源選項吧!

TOYOTA 新能源車技術哲學

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在多數車廠爭相投入純電車(BEV)時,Toyota 的想法是:「全世界的用車環境不一樣、每個人需求也不一樣,只推一種解法是不符現實的!」所以 Toyota 一直提倡所謂的多路徑策略(Multi-pathway Strategy),也就是不單押寶一種技術,而是根據不同地區能源政策與市場需求,提供最適合的動力系統。

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依照全球市場分佈來看,Toyota 在新興市場推 HEV/PHEV,在基礎建設完善地區推 EV/FCV。最終的核心目標不僅透過量產與成本控制,使環保車成為大眾選擇,更期望在2050 年達成碳中和(Carbon Neutrality)。

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「不是一定買電動車,而是給你多種選擇,讓大家用自己負擔得起的方式,一起邁向碳中和。」這就是多路徑策略(Multi-pathway Strategy)的核心哲學。

多元能源可能性的前瞻性思考

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而對於多元能源,Toyota早在全球能源危機(如石油危機)爆發的年代就先行預想對策,當各大車廠紛紛尋找傳統內燃機(汽油/柴油)以外的替代方案時,Toyota 便開始研究混合動力系統,並對燃氣渦輪引擎的潛力表示濃厚興趣。最終於 1977 東京車展上以Toyota Sports 800為基礎推出 Gas Turbine Hybrid 原型車。

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油電混合系統需要高性能的電力元件,而燃氣渦輪本身體積小、重量輕,因此非常適合作為混合動力系統的一部分。

不過燃氣渦輪動力並非主流,仍有許多零件尚未成熟、必須進一步開發。因此 Toyota 最終決定轉向開發不使用這些元件的「雙軸式燃氣渦輪引擎」車款。從那時起,油電混合系統的開發與燃氣渦輪引擎的開發,正式分道揚鑣。但油電技術的 know-how也開始慢慢萌芽。

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1997年|油電混合動力車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)起點

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1993年,當 Toyota 內部針對「21世紀的車該是什麼樣子」的討論越來越熱烈時,一項重要的開發計畫也就此展開,這就是後來 Prius 的起點。當年,Toyota 成立了「G21 計畫」,目的是推動新世代技術的研發,由項目總負責人內山田竹志領軍,團隊開始思考如何實現一個能引領21世紀的燃油效率大突破。

G21 計畫起初的目標,是讓燃油效率提升至傳統引擎的1.5倍。但 Toyota 研發部門副社長和田昭弘後來提出更高標準,要求達到「燃油效率提升兩倍」的目標。

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由於混合動力系統有機會達成燃油效率翻倍的目標,因此內部開始決定朝向此一方向進行,整個開發計畫的重心,從原本的「引擎效率提升」,正式轉向「導入油電混合系統」。

1995年秋天,Toyota 完成了一輛搭載電容作為儲電裝置的 Prius油電混合動力原型車,並在當年的東京車展亮相。

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第一代 Prius 量產車於1997年10月上市,是全球首款量產混合動力乘用車。領先同業的「Toyota Hybrid System (THS)」,結合高效率的1.5L Atkinson循環引擎與電動馬達,藉由智慧能源管理系統,能自動切換純電、引擎或混合模式行駛。實現了前所未有的燃油效率與低排放。

Prius的問世不僅讓燃油效率大突破,更為TOYOTA在先進科技領域奠定了不可動搖的領導地位,同時啟發了整個產業的綠色轉型。

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而隨著全球大環境紛紛往綠能與節能並行發展,THS 系統也不斷演進至THS II、THS III,系統效率逐代提升,性能更強、效率更好,也開始推廣到 Yaris、Corolla、 Camry、Crown、Highlander、RAV4 與 Lexus 等其他車款上,從過去的前衛技術,變成日常代步的選擇。

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2009年|插電式混合動力車(Plug-in Hybrid EV, PHEV)

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隨著 HEV 車型大舉擴展,Toyota 當然不滿足於現況,可插電的 PHEV 車型便是下一個著眼的目標。

複合式電動車(PHEV)結合電池電動車及油電複合動力車的優點,短程通勤可使用純電模式,遠程旅行則可使用油電模式,不僅享有電動車的駕馭體驗,並兼顧長途行駛續航力,不會有旅程焦慮。

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Toyota 第一台 Plug-in Hybrid 車是在 2007 年以第三代 Prius 為基礎而來,主要是提供給歐洲和日本政府部門、研究機構做測試。雖然電池很小、純電距離大概只有 10km 左右,但它是 Toyota 第一次把「插電」這件事做進量產車的雛形裡。

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直到2012 年,Toyota 才推出了第一台正式量產的 Plug-in Hybrid 車型:Prius Plug-in Hybrid(也叫 Prius PHV),不僅保留 Prius 的節能優點,短途可當作電動車開,長途又有引擎支援,又能插電充電、純電行駛超過 20km。主打「市區用電、長途用油,沒有里程焦慮」,適合上下班天天通勤的用戶。

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自此 Toyota 也開始陸續擴張 PHEV 產品線,直到目前為止更推出 Crown Sport PHEV、Prius PHEV、Alphard PHEV…等車型,續航力更大幅提升至97km 的水準。成為近兩年電動車銷售趨緩時,最為中庸的解決方案之一!

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2012年|純電動車(Battery Electric Vehicle, BEV)商品化嘗試

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當大家還在問「Toyota 你什麼時候要出純電車?」Toyota 回答的是:「我們早就做了,只是希望能夠在電池技術達到一定程度的時候才投入。」而這段歷史最早可以回溯到豐田喜一郎對電動車的探索。

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在1940年,位於刈谷的電裝工廠在豐田喜一郎的指示下,開始進行電動車的開發,並著手試作使用玻璃包覆線圈的不燃型電動馬達。同年8月,一輛以EA型小型乘用車底盤為基礎、搭載來自東京芝浦工廠的蓄電池與電裝工廠製造的不燃電動馬達的電動車試作完成。這輛試作車被稱為「EC型電動車」,單次充電可行駛距離約為60公里。

1941年,當豐田喜一郎就任豐田自動車工業的社長後,電動車成為由社長親自督導的研究項目,研究工作繼續在電裝工廠進行。以1940年開發的BA型系列乘用車底盤為基礎,他們試作了6輛搭載自製蓄電池與電動馬達的電動車,並活用這些技術來推動電動車的開發,不過後來二戰爆發後就暫停了。

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時過境遷,在 Hybrid 技術不成熟的 80 年代,Toyota 也持續投入、打造過好幾款 EV 純電試驗車,但他們不是「一頭栽進去」,而是「先 Hybrid、再 PHEV、最後 BEV 」的研發路線,畢竟以技術而言, Hybrid / PHEV 的相關電能技術是與 BEV 純電技術共通的。

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進入到 1990 年代,Toyota 在豐田第三開發中心內設立電動車開發部門,將各工程部門的電動車開發部門整合為一個組織,目標是開發符合美國加州將於 1998 年生效的零排放汽車 (ZEV) 法規的技術。

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於是Toyota 選擇當時評價最好的 RAV4車型作為基礎、並且試圖以零油耗、零污染的 SUV形象使消費者感受到明顯差異,於 1997 年推出第一代 RAV4 EV,這款因應加州 ZEV Program 而誕生的電動車,從 1997 年至 2003 年為止一共在美國加州銷售 1484 輛,而日本國內也銷售了少量車型。

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第一代 RAV4 EV 的電池組為 Panasonic 研發的 24 顆 12V 2495Ah 的鎳氫 Ni-MH 電池組成,能儲存 27.4kWh 電量。最大續航力介於 130 公里至 190 公里之間(視駕駛狀況)。使用壁掛式的 220V 30 安培專用充電器,將電力完全耗盡的電池組充電至全滿約需 5 個小時。

不過純電車的關鍵技術問題在於電池技術,畢竟電池技術方面一直沒有重大突破,電池重量與續航力都嚴重阻礙電動車發展的。於是 Toyota便將 Hybrid車型作為研發重心,因為這是在現有內燃機架構下最能快速展現低碳排放的技術。

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而在2012~2014 年,Toyota 則選擇與 Tesla 合作推出第二代 RAV4 EV,販售地點同樣限美國加州。這次不同的地方在於 RAV4 EV 的動力總成來自於Tesla 電池與馬達,最大續航約 160km。但合作沒有繼續,後來雙方就各走各路。Toyota 也再次把純電車「收起來」,繼續在油電與氫能領域鑽研,但依舊沒有完全放棄純電動車研發計畫。

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2014年|氫燃料電池車(Fuel Cell EV, FCEV)

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在發展 Hybrid、PHEV 與 BEV 車型的同時,還有一個創新的能源一直被大眾所忽略,那就是氫燃料電池車 FCEV。可以說在與 BEV 發展的同一時間,Toyota 在 1990 年代就開始研究「燃料電池車」(Fuel Cell Vehicle,簡稱 FCV),架構也很簡單,就是把氫氣與空氣結合產生電能來推動馬達,而且排放出來的不是廢氣,是「水」!

不過這項技術雖然也被許多歐系大廠看上,但基礎設施的不足與高昂的成本最後也讓許多車廠黯然退出,唯有 Toyota 不斷地投入資源來支持氫能源車的開發。

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而在 2013 年左右,Toyota 率先公開說已經在燃料電池領域取得了技術突破,可以使車用燃料電池的成本大幅下降,當初還有許多業者斥之以鼻。不到二年的時間,Mirai 就這麼出現在大眾面前,而且是款「大量販售的市售車」,Toyota 雖不是第一家推出,但卻是最大力推廣普及化燃料電池車的車廠。

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Mirai 的動力系統是以 FCA110 燃料電池堆為核心組件的混合動力系統,這個被稱作 TFSC(Toyota FC Stack)的架構佈局與「串聯式油電」油電混合車相同(引擎用來發電、由馬達推動車子),差別在於內燃機引擎變成燃料電池堆。

行駛時前方進氣口吸入大量的空氣,而空氣中的氧會與高壓儲氫筒中的氫在燃料電池中產生電能與水,之後電就用來驅動馬達,產生的水則排出車外。

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以車輛生命週期觀點評估,氫能電動車(以下簡稱FCEV,Fuel Cell Electric Vehicle)除具有行駛過程零碳排放的優點外,也不會產生因純電車(BEV,Battery Electric Vehicle)大電池生產及報廢回收造成的碳排及其他汙染物,是達成碳中和目標的重要電動化車輛之一。

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FCEV在歐美、日本及韓國等地區已有許多營運實績,且銷量穩定成長,顯見FCEV在全球電動化車輛市場的重要性日趨提高。而 2021 年 Toyota 也推出了第二代 Mirai,加滿一次氫氣可以跑 650 km(日規車型以 WLTP 模式測量為850km),在700bar氫氣補充站可於五分鐘補滿氫氣。這次 Toyota 更是著重於操控性能的提升,務求讓 Mirai 成為未來實現氫能社會的新起點。

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另外在商用部門上,由於市區公車及公部門用車的電動化也是減碳的一環,氫能車也可望成為其中要角。 Toyota 也積極開發氫能低底盤巴士 - TOYOTA CAETANO H2 CITY GOLD便是已經商品化的一員。

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2020 年後|全面電動化戰略(Toyota bZ 系列)

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2016年底時,Toyota成立自己的電動車研發部門,並且由當時的總裁豐田章男直接領導,試圖打造屬於自己的電動車。

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在累積了30年電動化經驗之後,Toyota 終於在2022年推出了「beyond Zero (bZ)」純電系列,象徵其超越零排放承諾、同時還要帶來更高的移動價值體驗。

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bZ系列車款基於電動車專屬的e-TNGA平台打造,實現低重心、高剛性車身結構,並優化了電池佈局與車內空間。而bZ4X作為bZ系列的首款全球戰略純電車款,將 Toyota 多年的的造車工藝與電動化技術精髓融入其中,目標是提供消費者可靠、安心且充滿駕馭樂趣的純電體驗,而非提供華而不實的科技產品。

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在 bZ 純電車系推出至今,全球累計已銷售超過23萬台,對於想要體驗純電車的初學者而言,Toyota 不僅提供最具保障、安心且熟悉的用車思維,處處為消費者貼心思考的研發基準,更是最符合大眾需求的純電車款。

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而且在電池等關鍵技術上, Toyota還握有下一世代固態電池的多項專利,參考日經新聞與專利調查公司Patent Result的調查,Toyota擁有1,331項已知專利、可說占據主導地位。因此在布局電動車方面,Toyota並沒有因為目前的狀況而自亂陣腳,反而是鴨子划水的持續保持優勢。

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持續堅持「多路徑能源」發展

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在面對電動化未來的關鍵技術挑戰時,TOYOTA 始終堅持深入投入研發,特別是在備受關注的次世代固態電池領域,持續追求更長的續航、更快的充電速度,以及更高的安全標準,期望帶來電動車發展的重大突破。

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與此同時,TOYOTA 秉持「多元路徑(Multi-Pathway)」的策略核心,認為邁向碳中和的最佳方式,並非單一技術的全面取代,而是根據全球不同地區的實際條件,提供多樣化的電動化解決方案。從混合動力(HEV)、插電式混合動力(PHEV)、純電動車(BEV),到氫燃料電池車(FCEV),TOYOTA 力求以多角度的產品策略,回應不同能源結構、消費習慣與基礎建設所面臨的挑戰。

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正如豐田章男 會長所提出的理念:要實現碳中和,不能一味依賴單一技術,而應以更靈活、全面的方式來應對各種使用場景,才能達到最實際且有效的減碳成果。

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此外,TOYOTA 對永續的承諾不止於車輛本體,更延伸至從設計、生產、使用、回收的整個生命週期中,致力於全面降低環境負擔,實現真正對地球友善的永續價值。Toyota最終目標是成為「希望、行動並支持人們的幸福,並為地球環境做出貢獻的公司」也就是為人類和社會「大量生產幸福的公司」,相信藉由「多元路徑(Multi-Pathway)」的策略核心,可以實現這個目標!

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