Con l'obiettivo di recuperare terreno rispetto ai suoi concorrenti globali nel settore dei veicoli elettrici a batteria (BEV), Toyota sta accelerando lo sviluppo di diverse tecnologie per le batterie, al fine di garantire una maggiore autonomia e ridurre al contempo in modo significativo i costi di sviluppo e produzione in serie. Riuscirà la casa automobilistica giapponese a mantenere le promesse?

Il 13 giugno, in quella che è stata finora la sua presentazione più articolata, la Toyota Motor Corp. ha illustrato i dettagli della propria roadmap tecnologica strategica, compresi gli sviluppi relativi alle nuove composizioni chimiche delle batterie, alle celle a combustibile a idrogeno e al percorso da seguire per ottenere una significativa riduzione dei costi di produzione dei veicoli elettrici.

Toyota, uno dei maggiori produttori automobilistici al mondo con un notevole vantaggio tecnologico nel settore dei veicoli ibridi plug-in e con brevetti sulle batterie per veicoli elettrici, è rimasta visibilmente indietro nell'introduzione dei veicoli elettrici a batteria (BEV), perdendo terreno rispetto a Tesla e a diversi produttori di veicoli elettrici giovani ed emergenti, che continuano a compiere rapidi progressi nei settori dei BEV, del software, dell'architettura elettrica/elettronica e delle tecnologie delle batterie.

Ciononostante, il Technical Workshop 2023 di Toyota mira a fornire risposte al crescente scetticismo riguardo alla capacità dell’azienda di mantenere la propria quota di mercato globale nel contesto della transizione verso i veicoli elettrici. Va sottolineato che le informazioni tecnologiche dettagliate fornite dall’azienda sono state rese note nel giro di un trimestre dall’insediamento di Koji Sato come presidente e amministratore delegato di Toyota, in successione al suo predecessore, Akio Toyoda, noto per il suo approccio conservatore nei confronti dei veicoli elettrici a batteria (BEV). Il titolo Toyota ha registrato un balzo del 12-13% al NYSE, a seguito degli annunci, poiché gli azionisti hanno votato a favore della visione della nuova leadership.

La casa automobilistica giapponese ha tenuto una sessione informativa tecnica, durante la quale ha reso noti i propri piani per trasformarsi in un'azienda specializzata nella mobilità. Con l'obiettivo di recuperare terreno rispetto ai suoi potenti concorrenti nel settore dei veicoli elettrici nella seconda metà del decennio in corso, in un panorama automobilistico globale in rapida evoluzione, l'azienda ha presentato la propria visione aziendale — il "Toyota Mobility Concept" — in occasione del workshop tecnico.

Approfondendo le aree strategiche prioritarie dell’azienda nell’ambito del concetto di mobilità Toyota, Hiroki Nakajima, Direttore Tecnico di Toyota, ha sottolineato che la casa automobilistica intende concentrarsi su tre aree principali per garantire la propria crescita futura:

• Elettrificazione
• Intelligenza
• Diversificazione

Per quanto riguarda l'elettrificazione, Toyota intende adottare un approccio su più fronti che non si concentri solo sui veicoli elettrici a batteria (BEV), ma anche sui veicoli ibridi plug-in (PHEV) – che definisce «BEV pratici» –, sui veicoli ibridi elettrici (HEV) e sui veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV).

Mentre Toyota intende introdurre veicoli ibridi (HEV) nei mercati emergenti e nei paesi che non dispongono di un approvvigionamento elettrico costante, la casa automobilistica giapponese ha recentemente stretto una partnership con Daimler Truck per la produzione in serie di veicoli commerciali alimentati a celle a combustibile.

«Per quanto riguarda l'elettrificazione, prendiamo in esame un veicolo elettrico a batteria realizzato da una casa automobilistica che raddoppia l'autonomia e dimezza i tempi di ricarica», ha affermato Nakajima, aggiungendo che «continueremo a promuovere un'elettrificazione adeguata a ciascuna regione (a livello globale), mantenendo il nostro approccio multipiattaforma».

Attuando le proprie aree strategiche prioritarie negli ultimi anni, Toyota ha trasferito le proprie risorse (personale e investimenti) dalla produzione di massa alla ricerca e sviluppo (R&S). Secondo la presentazione di Nakajima, a marzo il 53% del personale di R&S di Toyota (in aumento rispetto al 37% dell’aprile 2016) lavora ora in settori di sviluppo avanzato, mentre il restante 47% (in calo rispetto al 63%) si occupa della produzione di massa. Inoltre, circa il 45% delle spese di R&S dell’azienda è ora destinato ai settori di sviluppo avanzato, contro appena il 24% del 2017.

L'impegno di Toyota nel campo dell'elettrificazione

Il mese scorso, Toyota ha istituito un’organizzazione dedicata denominata «Toyota BEV Factory» per supervisionare tutte le attività relative allo sviluppo dei veicoli elettrici a batteria (BEV) di nuova generazione. La BEV Factory sarà guidata da un unico responsabile, che avrà la supervisione completa dei processi di sviluppo, produzione e commerciali, al fine di garantire un processo decisionale rapido e di creare una struttura agile. L’azienda ha nominato Takero Kato presidente della propria BEV Factory.

Nel ridefinire la strategia di sviluppo e produzione dei veicoli elettrici a batteria (BEV) in Toyota, Kato immagina veicoli di nuova generazione in grado di offrire un'autonomia superiore ai 1.000 km per ricarica. Durante il workshop tecnico, ha affermato che Toyota punta a sviluppare BEV a lungo raggio integrando batterie di nuova generazione, un design aerodinamico — supportato dal deep learning e dall'intelligenza artificiale — e un solido ecosistema software con funzionalità over-the-air per migliorare l'esperienza dei passeggeri. Per offrire un'autonomia di guida estesa, la casa automobilistica sta sviluppando una serie di nuove tecnologie per le batterie, comprese quelle allo stato solido.

Kato ha inoltre rivelato che Toyota svilupperà una nuova struttura modulare per i veicoli, concentrandosi sulle parti anteriore, centrale e posteriore della carrozzeria. È proprio in questi punti che la casa automobilistica intende adottare la tecnica del «giga casting», che consentirà l’unificazione dei componenti, riducendo così il numero di parti nella struttura complessiva e il numero di fasi necessarie per l’assemblaggio del veicolo. Secondo l’azienda, ciò contribuirà a ridurre i costi legati allo sviluppo dei prodotti e alle operazioni di assemblaggio. Secondo la presentazione di Kato, Toyota punta a ridurre i costi di sviluppo dei prodotti del 30% entro il 2026 e del 50% in futuro. Allo stesso modo, ridisegnando le operazioni di fabbrica per i veicoli elettrici a batteria (BEV), punta a ridurre gli investimenti negli impianti del 50% entro il 2026.

«Questa nuova concezione del monozukuri [produzione in giapponese] utilizzerà la tecnologia del gemello digitale per dimezzare i tempi di preparazione della produzione”, ha affermato Kato, aggiungendo che la filosofia BEV di nuova generazione sarà implementata a livello globale con nuovi modelli il cui lancio è previsto a partire dal 2026.

«Entro il 2030, 1,7 milioni di unità su un totale di 3,5 milioni saranno fornite dalla BEV Factory», ha affermato, concludendo la sua presentazione.

Diamo un'occhiata più da vicino a due sviluppi chiave in casa Toyota: le nuove tecnologie per le batterie e l'unificazione dei componenti tramite il processo di giga casting.

La strategia di Toyota in materia di batterie

Nel quadro degli sforzi volti al lancio dei propri veicoli elettrici a batteria (BEV) di nuova generazione a partire dal 2026, la più grande casa automobilistica giapponese ha reso noto che sta lavorando a nuove tecnologie per le batterie al fine di potenziare la propria offerta in questo segmento emergente. Le tecnologie per le batterie di nuova generazione includono:

a) Versione ad alte prestazioni –Per raggiungere l'obiettivo di offrire un'autonomia di 1.000 km per ricarica, Toyota sta sviluppando una batteria di forma quadrata, che sarà essenzialmente una batteria agli ioni di litio liquida con una maggiore densità energetica e tempi di ricarica ridotti. Il raggiungimento dell'autonomia prevista dipende anche da una significativa riduzione del peso e dal miglioramento dell'aerodinamica del veicolo. I veicoli elettrici a batteria (BEV) dotati di questo tipo di batteria saranno lanciati nel 2026 e l'azienda ha dichiarato di puntare a una riduzione dei costi del 20% rispetto all'attuale Toyota bZ4X in vendita.

b) Versione popolare –Come suggerisce il nome, Toyota sta sviluppando anche una tecnologia per batterie a basso costo destinata a veicoli elettrici a batteria (BEV) accessibili, in grado di accelerare i volumi di vendita dell'azienda. Queste batterie saranno sviluppate utilizzando la chimica al litio ferro fosfato (LFP) e dovrebbero essere messe in uso nel 2026-27. Queste batterie avranno una struttura bipolare e sono già utilizzate come una forma di batteria al nichel-metallo idruro nei veicoli ibridi Aqua e Crown. In particolare, Toyota punta a ottenere un aumento del 20% dell'autonomia di guida e una riduzione dei costi del 40% rispetto ai modelli bZ4X attualmente disponibili. Per quanto riguarda la ricarica, l'azienda punta a raggiungere una ricarica della batteria dal 10% all'80% in circa 30 minuti.

c) Batteria bipolare agli ioni di litio ad alte prestazioni – Parallelamente allo sviluppo in corso delle batterie LFP, Toyota sta anche lavorando alla combinazione della struttura bipolare con una batteria agli ioni di litio ad alte prestazioni, con l'obiettivo di offrire un'autonomia ancora migliore rispetto alla versione ad alte prestazioni da 1.000 km della batteria agli ioni di litio liquida il cui lancio è previsto per il 2026. Rispetto a quest'ultima, Toyota punta a ottenere un aumento del 10% dell'autonomia, una riduzione dei costi del 10% e un tempo di ricarica più rapido di 20 minuti (da uno stato di carica del 10% fino all'80%) nella sua batteria bipolare agli ioni di litio. Sebbene Toyota consideri la produzione in serie di questa tecnologia una sfida, ha previsto un lancio provvisorio entro il 2027-28.

d) Batterie interamente allo stato solido (ASSB) –Toyota, che detiene oltre 1.000 brevetti nella tecnologia delle batterie allo stato solido, ha rivelato che sta lavorando per lanciare sul mercato un veicolo elettrico alimentato da ASSB già nel 2027. La casa automobilistica ha affermato di aver risolto la sfida di lunga data delle batterie allo stato solido e sta cercando di introdurre la tecnologia inizialmente nei suoi veicoli ibridi elettrici (HEV) convenzionali. Sebbene l'azienda non abbia fornito dettagli sulle difficoltà che aveva in precedenza con le ASSB, è noto che le batterie con elettrolita solido hanno un numero di cicli di ricarica inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio di attuale generazione. Idealmente, una batteria per veicoli elettrici pronta per il mercato deve offrire migliaia di cicli di ricarica, ma le ASSB erano in grado di garantire solo poche centinaia di cicli. Toyota sostiene di aver superato questa barriera tecnologica. L'azienda ha dichiarato di puntare a raggiungere un'autonomia di oltre 1.200 km per ricarica con le sue ASSB, oltre a ridurre ulteriormente il tempo di ricarica a meno di 10 minuti (da uno stato di carica del 10% fino all'80% della carica della batteria). Detto questo, Toyota sta lavorando su due sfide principali in questo settore: una metodologia efficace per la produzione di massa e l'alto costo di produzione delle batterie ASSB. La casa automobilistica spera di risolvere queste due sfide nei prossimi 3-4 anni.

e) Batterie ASSB avanzate –Il reparto R&S di Toyota sta inoltre lavorando a una variante avanzata della sua batteria allo stato solido, con la quale la casa automobilistica punta a raggiungere un'autonomia di circa 1.500 km per ricarica. L'azienda non ha rivelato ulteriori dettagli su questa variante.

La nuova strategia produttiva di Toyota

Mantenere la redditività durante la transizione verso la produzione di massa di veicoli elettrici rappresenta una delle sfide più grandi per le case automobilistiche. Mentre si impegnano a ridurre i costi dei veicoli elettrici, le case automobilistiche stanno anche modificando i processi produttivi tradizionali con l’obiettivo di eliminare le attività superflue in officina. Toyota intende implementare la tecnologia del giga casting, con l'obiettivo di ridurre significativamente il numero di componenti utilizzati nei telai anteriore e posteriore. Ad esempio, l'azienda punta a integrare rispettivamente 90 e 85 componenti diversi nei telai anteriore e posteriore grazie al giga casting.

Che cos'è il giga casting?

La fusione giga è una soluzione/tecnica di pressofusione sempre più utilizzata dai produttori di auto elettriche per realizzare l'intera scocca grezza o sezioni quali la parte anteriore, quella posteriore o il sottoscocca come un unico pezzo. Questo processo consente alle case automobilistiche non solo di ridurre notevolmente il numero di componenti, ma anche di eliminare la necessità di rivettarli e saldarli tra loro, semplificando così il flusso di produzione. L'utilizzo della fusione giga consente inoltre di risparmiare sui costi e di ridurre i tempi di produzione dei telai.

Toyota non è l'unica casa automobilistica a valutare l'introduzione del "giga casting" nel proprio processo produttivo. I "giga casting" o "megacasting" – come preferiscono chiamarli i produttori di primo equipaggiamento a seconda delle dimensioni – sono stati impiegati per la prima volta in uno stabilimento automobilistico da Tesla. L'utilizzo di tali pezzi pressofusi nella produzione dei telai da parte di Tesla è considerato una delle innovazioni più significative a livello di stabilimento. Ad esempio, la scocca grezza della Tesla Model Y viene prodotta utilizzando due di questi pezzi fusi, che sostituiscono le strutture anteriori e posteriori. Il processo elimina diverse centinaia di singoli componenti, punti di stampaggio e saldatura e macchinari associati, semplificando così il processo di produzione e consentendo un risparmio in termini di costi e tempo.

Tesla ha installato una pressa per fusione nello stabilimento tedesco e utilizza la tecnica del megacasting per la produzione della Model 3. Secondo quanto riferito, il costruttore statunitense di veicoli elettrici starebbe installando una giga press da 9000 tonnellate per applicare la tecnica del megacasting alla produzione del Cybertruck.

Anche la casa automobilistica svedese Volvo Cars sta lavorando per introdurre il processo di megacasting nello stabilimento di Torslanda per la produzione di veicoli elettrici. La sua società madre, Geely Holdings, sta inoltre utilizzando la pressofusione di alluminio per realizzare il sottoscocca del minivan Zeekr 009. Diverse altre importanti case automobilistiche stanno valutando attentamente la tecnica del giga casting nei propri stabilimenti, tra cui Mercedes-Benz, Nio e General Motors.

Toyota ha reso noto che sta sviluppando una nuova tecnologia per lo stampaggio integrato con pezzi pressofusi in alluminio. Il gruppo stampo sarebbe composto, in genere, da decine di parti in lamiera. «Dopo aver analizzato la tecnologia di pressofusione sviluppata nel settore automobilistico genba (termine giapponese che significa ‘luogo reale’) con un elevato grado di precisione, abbiamo rivisto il progetto strutturale per renderlo più semplice e snello”, ha dichiarato l’azienda in un documento.

Inoltre, Toyota intende realizzare uno stabilimento di produzione di veicoli elettrici a batteria (BEV) altamente flessibile, in cui i nastri trasportatori saranno sostituiti da una linea di assemblaggio semovente. Come già indicato, questi interventi rientrano nel piano a lungo termine della casa automobilistica volto a ridurre del 50% gli investimenti negli stabilimenti, dimezzare i tempi di preparazione della produzione e ottenere una significativa riduzione dei costi fissi.

Analisi di S&P Global Mobility

Batteria: Toyota, che ha istituito la propria divisione di ricerca sulle batterie nel 2008, è nota per aver sviluppato la versione iniziale della propria batteria allo stato solido nel 2020. Nel giugno dello stesso anno, Toyota ha sviluppato un veicolo alimentato da batterie allo stato solido e ha condotto dei test di guida. Tuttavia, nel corso dello sviluppo, la casa automobilistica ha riscontrato che le batterie allo stato solido si deteriorano più rapidamente a causa della formazione di fessure all'interno dell'elettrolita solido, il che indica una sfida legata alla durata di vita più breve (rispetto alle batterie agli ioni di litio). È stato allora che gli ingegneri di Toyota specializzati in batterie hanno compreso che era necessario un ulteriore sviluppo dell'elettrolita solido.

Secondo Graham Evans, direttore della ricerca sulle tecnologie di elettrificazione presso S&P Global Mobility, la strategia di Toyota è stata quella di fare un passo indietro e dedicarsi alla ricerca di base sulle tecnologie delle batterie, per poter superare la concorrenza e risolvere i ben noti punti critici per i consumatori, quali l'autonomia in modalità completamente elettrica e i tempi di ricarica.

«Se questo progetto riuscirà a essere realizzato con successo su larga scala, potremmo aspettarci che la Toyota emerga come leader», ha affermato Graham, aggiungendo che resta da vedere se le soluzioni tecniche della Toyota riusciranno a superare i ben noti punti critici della tecnologia allo stato solido.

Riassumendo i punti chiave emersi dal workshop dell'azienda, il dott. Richard Kim, vicedirettore della ricerca sulle batterie presso S&P Global Mobility, ha dichiarato: «Con la strategia di nuova generazione per i veicoli elettrici a batteria appena annunciata da Toyota, l'azienda punta a realizzare diversi progressi, tra cui una maggiore flessibilità del sistema, una maggiore autonomia in modalità completamente elettrica e tempi di ricarica più rapidi. Uno degli aspetti chiave di questa strategia è lo sviluppo di una nuova batteria che utilizza sia una composizione ad alto contenuto di nichel sia una composizione a base di ferro e fosforo senza nichel. Questo approccio consente a Toyota di soddisfare le richieste dei consumatori di veicoli elettrici sia nella versione standard che in quella a lunga autonomia. Offrendo diverse varianti di capacità della batteria a costi variabili, Toyota può fornire due opzioni distinte per soddisfare le esigenze di consumatori diversi in diverse aree geografiche.

«Per quanto riguarda l'autonomia, Toyota intende aumentare la densità energetica sia a livello di cella che di pacco batterie. Passando da materiali catodici a medio contenuto di nichel a quelli ad alto contenuto di nichel, cosa non dichiarata ma molto probabile, e aggiungendo silicio ai materiali anodici, Toyota prevede di migliorare di circa il 20% la densità energetica volumetrica delle celle entro il 2026 per la versione ad alte prestazioni dei propri veicoli elettrici. Inoltre, si prevede che una struttura ottimizzata del pacco batterie contribuirà per circa il 30% ad aumentare l’autonomia. Grazie a questi miglioramenti, la prossima generazione di veicoli elettrici Toyota dovrebbe avere una capacità della batteria superiore del 5-60% rispetto all’attuale versione del bz4x, che offre un’autonomia CLTC di 651 km. Vale la pena notare che l’aumento di peso del pacco batterie può essere compensato dall’ottimizzazione della struttura della carrozzeria e di altri sistemi, rendendo plausibile stimare un’autonomia di 1.000 km.”

Il dottor Kim ha aggiunto: «L'ultimo miglioramento significativo nella strategia di Toyota in materia di batterie verte sulle prestazioni di ricarica. L'azienda intende raggiungere questo obiettivo attraverso una serie di passi graduali, tra cui l'introduzione sul mercato di batterie con tecnologia bipolare, di batterie con anodo contenente silicio (non ancora annunciate ma molto probabili) e, infine, di batterie allo stato solido. Questi progressi mirano a rispondere alle preoccupazioni dei consumatori riguardo all'autonomia e ai tempi di ricarica, migliorando ulteriormente l'attrattiva complessiva e la praticità dei veicoli elettrici Toyota».

Il dottor Kim prevede un forte aumento della domanda di batterie allo stato solido nel corso di questo decennio, a partire dal 2024. "Prevediamo che la domanda di batterie ASSB passerà da zero quest'anno a 67 MWh nel 2024 e registrerà una crescita vertiginosa fino a 63,548 GWh entro il 2030, poiché tutte le principali case automobilistiche lanceranno veicoli elettrici a batteria (BEV) alimentati da batterie allo stato solido", ha affermato.

Telaio: Commentando il piano di Toyota di introdurre la tecnica del giga casting nella sua fabbrica di veicoli elettrici a batteria (BEV), Edwin Pope, Principal Research Analyst presso S&P Global Mobility, ha dichiarato: “Il giga casting adottato da Toyota riguarda specificamente l’impatto della linea di produzione sull’assemblaggio dei veicoli, che è un elemento centrale dei processi di produzione incentrati sul Kaizen. Mi aspetto che i processi di riparazione in caso di incidente prevedano probabilmente una fase di segmentazione, come già menzionato in precedenza da altri OEM (non Tesla), per garantire che le riparazioni possano essere eseguite correttamente sui loro veicoli.”

«Inoltre, le tariffe assicurative per i clienti dei veicoli elettrici a batteria (BEV) sono state recentemente al centro dell’attenzione come ostacolo all’adozione a lungo termine di questa tecnologia. Poiché i clienti Toyota tendono a privilegiare i costi a lungo termine e l’affidabilità, e si aspettano che il veicolo possa essere riparato a costi contenuti, mi aspetto che Toyota segua l’esempio con una gestione oculata della gestione post-vendita in caso di sinistri.»

Pope ritiene inoltre che l'ampliamento delle dimensioni dei pannelli grazie a nuovi strumenti di lavorazione possa rappresentare un ulteriore fattore trainante per l'adozione dei giga-casting, in particolare sui veicoli elettrici prodotti con metodi di assemblaggio tradizionali.

«Questo approccio potrebbe consentire ad alcuni siti dismessi di ottenere una maggiore efficienza in termini di costi con modifiche minime alla superficie degli impianti. Affinché i veicoli possano adottare getti di grandi dimensioni, l’intero impianto di produzione deve ripartire da zero per poter essere integrato correttamente nei flussi di lavoro e raggiungere un’effettiva efficienza a livello di stabilimento di assemblaggio. Pertanto, qualsiasi linea di assemblaggio esistente negli impianti di produzione dovrebbe prevedere un processo di chiusura totale e ricostruzione per adottare le nuove procedure in un ambiente ottimizzato», ha aggiunto.

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