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為了提高燃油效率并遵守排放法規(guī)，日立汽車(chē)系統(tǒng)有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)正在開(kāi)發(fā)更小、更輕、功率密度更高的電傳動(dòng)系統(tǒng)。 該公司通過(guò)提供逆變器、電動(dòng)機(jī)和電池產(chǎn)品，以及集成這些產(chǎn)品的技術(shù)解決方案，為汽車(chē)的環(huán)保性能做出貢獻(xiàn)。 盡管長(zhǎng)期用于車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系的內(nèi)燃機(jī)一直在不斷發(fā)展，但自本世紀(jì)初以來(lái)，隨著全球范圍內(nèi)環(huán)保型二氧化碳減排舉措的推廣，僅傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛就可達(dá)到的法規(guī)遵從性限制預(yù)計(jì)將在2020年到2025年來(lái)臨。 因此，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）和電動(dòng)汽車(chē)（EV）作為環(huán)保型替代品的引進(jìn)有望在全球范圍內(nèi)增長(zhǎng)。 自上世紀(jì)90年代以來(lái)，日立汽車(chē)系統(tǒng)有限公司一直在為這些電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)和供應(yīng)電力傳動(dòng)系統(tǒng)，并繼續(xù)開(kāi)發(fā)技術(shù)和提高性能，以期待未來(lái)環(huán)保汽車(chē)的普及。 這篇文章討論了應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)電控、電機(jī)和電池上的電力組件技術(shù)，以及他們的集成技術(shù)。 逆變器小型化技術(shù) 逆變器采用脈寬調(diào)制(PWM)控制，將儲(chǔ)存在電池中的直流電(DC)轉(zhuǎn)換為交流電(AC)，當(dāng)車(chē)輛需要驅(qū)動(dòng)時(shí)由電池將電能輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)需要功率再生時(shí)進(jìn)行能量再生操作為電池充電。 由于車(chē)輛上的可利用空間是十分有效的，更小型的逆變器的要求不斷被車(chē)企提出。為逆變器開(kāi)發(fā)高功率密度的電路板成為一項(xiàng)持續(xù)不斷的工作。 與此同時(shí)，高性能的逆變器控制技術(shù)也被用來(lái)進(jìn)行扭矩控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、能量回收控制，同時(shí)按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行包括異常檢測(cè)、故障診斷和指定的功能安全措施。 為了實(shí)現(xiàn)這些機(jī)載應(yīng)用的需求，需要在高壓主電路和高性能控制電路方面進(jìn)行創(chuàng)新，并改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，以便將這些組件封裝在一個(gè)緊湊的PACK中，同時(shí)使機(jī)載應(yīng)用能夠持久地抵抗汽車(chē)的振動(dòng)和產(chǎn)生的熱量。 高功率密度和高壓主電路 對(duì)450V級(jí)別的電池來(lái)說(shuō)，混動(dòng)和純電動(dòng)汽車(chē)的逆變器的大部分體積來(lái)自于高壓主電路，所以改進(jìn)主電路組件部分是減小逆變器尺寸的關(guān)鍵。 日立汽車(chē)系統(tǒng)(Hitachi Automotive Systems)通過(guò)開(kāi)發(fā)雙面冷卻電源模塊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了逆變器尺寸的大幅縮小。該技術(shù)使用不含熱油脂的冷卻水，使逆變器產(chǎn)生大部分熱量的高壓電源模塊能夠直接冷卻(見(jiàn)圖1)。
圖 1 - 雙面冷卻功率模塊 該結(jié)構(gòu)能夠直接用冷卻水對(duì)功率半導(dǎo)體進(jìn)行雙面冷卻，降低熱阻，提高功率密度。 直接雙面冷卻結(jié)構(gòu)大大降低了熱阻，使電流和功率密度更高。 該雙側(cè)冷卻電源模塊的電流輸出也可以通過(guò)改變所安裝的芯片和部分封裝組件進(jìn)行縮放，以適應(yīng)不同的車(chē)輛重量等級(jí)。 該模塊的二合一結(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)更加緊湊，主電路電感可降低，減少發(fā)電損耗，配置保證了逆變器PACK內(nèi)布局一定程度的自由度。 高性能的控制電路 車(chē)載逆變器需要高性能的矢量控制操作，使用可變電壓、電流和工作頻率的要求，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的啟動(dòng)、加速/減速和停止的基本操作。 這些逆變器還需要使用控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)或FlexRay支持大容量、高速通信、異常檢測(cè)、扭矩安全、故障診斷和功能安全等功能。 為滿(mǎn)足這些需求，日立開(kāi)發(fā)了高性能電機(jī)控制電路技術(shù)，內(nèi)置高性能中央處理器（CPU）和緊湊型功能電路。 以及響應(yīng)來(lái)自控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以操作主電路電源模塊的柵極控制電路。 它們需要以足夠高的速度和電流運(yùn)行，以跟上電力設(shè)備的最新性能發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)確保安全可靠運(yùn)行。 為了滿(mǎn)足這些需求，日立公司開(kāi)發(fā)了一種由高性能集成電路（IC）驅(qū)動(dòng)的緊湊型門(mén)控電路。 緊湊、高可靠性的集成結(jié)構(gòu) 上述技術(shù)已應(yīng)用于日立開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于產(chǎn)品的緊湊、高度可靠的集成結(jié)構(gòu)中。 在滿(mǎn)足車(chē)載安裝要求的同時(shí)，具有較高的可靠性和耐久性。 圖2所示的示例產(chǎn)品與之前的日立汽車(chē)系統(tǒng)產(chǎn)品相比，尺寸減小了40%，產(chǎn)量更高。
圖 2 - 高功率密度逆變器 同時(shí)，該產(chǎn)品還開(kāi)發(fā)了一種效率最高為94%的高效DC/DC變換器。 隨著下一代低損耗SiC功率元件的使用，功率模塊和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不斷發(fā)展應(yīng)減少逆變器的尺寸，并增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程，推動(dòng)未來(lái)幾年電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)。 它提供了車(chē)載逆變器所需的功能，而緊湊、高可靠性的封裝將尺寸縮小40%，并增加了與以前的日立汽車(chē)系統(tǒng)產(chǎn)品相比的輸出。 高效電機(jī)技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)背后的概念是通過(guò)設(shè)計(jì)適合各種不同類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)（HEV、EV、PHEV）以及不同尺寸的電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)減少開(kāi)發(fā)工作量，并標(biāo)準(zhǔn)化部件、生產(chǎn)設(shè)備和制造實(shí)踐。同時(shí)還提供小尺寸、輕重量、高輸出、高效率、安靜運(yùn)行和低振動(dòng)等功能。 開(kāi)發(fā)方法是在提高開(kāi)發(fā)效率的同時(shí)，開(kāi)發(fā)一種低成本的電機(jī)。針對(duì)不同主機(jī)廠(chǎng)的不同接口尺寸，允許在不同類(lèi)型的車(chē)輛上以標(biāo)準(zhǔn)化的方式設(shè)計(jì)車(chē)輛布局，滿(mǎn)足廣泛輸出要求的輸出特性，適合不同類(lèi)型電動(dòng)車(chē)輛特性以及一系列模型變量。 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)定子繞組法 為使標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)定子繞組尺寸小、轉(zhuǎn)矩密度高，選用方絲波繞組。與過(guò)去使用的帶圓線(xiàn)的分布式繞組相比，帶方線(xiàn)的繞組在空間系數(shù)（導(dǎo)體截面/槽截面）上提高了約20%，在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩密度（輸出轉(zhuǎn)矩/（定子鐵心直徑）2×定子鐵心長(zhǎng)度）上提高了約15%。通過(guò)改變線(xiàn)圈直線(xiàn)段的長(zhǎng)度，波繞組分段線(xiàn)圈可以靈活地適應(yīng)定子疊層長(zhǎng)度的變化。 電機(jī)外徑尺寸的選擇 為了使用波繞法創(chuàng)建與不同尺寸的車(chē)輛和各種不同類(lèi)型的電動(dòng)車(chē)輛（如HEV、EV和PHEV）兼容的電機(jī)規(guī)格，日立汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)不同外徑的定子，每個(gè)定子槽具有不同數(shù)量的線(xiàn)圈。
圖 3 - 每個(gè)定子設(shè)計(jì)中每個(gè)槽的線(xiàn)圈外徑和數(shù)量 圖3顯示了每個(gè)設(shè)計(jì)的定子外徑和每個(gè)槽的線(xiàn)圈數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)每個(gè)槽有4個(gè)線(xiàn)圈，定子外徑為φ200 mm。
通過(guò)保持定子內(nèi)徑不變，改變各槽中的定子外徑和線(xiàn)圈數(shù)，設(shè)計(jì)出了與各種電機(jī)特性相適應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。 以129.5 mm定子內(nèi)徑作為最小外徑（185 mm）的標(biāo)準(zhǔn)，在批量生產(chǎn)直徑為φ200 mm、φ215 mm和φ230 mm的定子時(shí)，可以通過(guò)在芯內(nèi)徑側(cè)使用2線(xiàn)圈夾具來(lái)共享設(shè)備。 這四種定子設(shè)計(jì)可以在同一臺(tái)設(shè)備上生產(chǎn)。它們支持各種輸出特性和電機(jī)外徑，從加長(zhǎng)的圓柱形EV電機(jī)到扁平型HEV電機(jī)（見(jiàn)圖4）。
圖 4 - 外徑為Φ200 mm、Φ215 mm、Φ230 mm定子的扭矩輸出特性 按照上述所述的設(shè)計(jì)進(jìn)行配置，可以實(shí)現(xiàn)可變的外徑，使用波形繞組可以實(shí)現(xiàn)可變的定子疊層長(zhǎng)度，從而可以使用相同的生產(chǎn)設(shè)備支持各種電動(dòng)車(chē)輛的電機(jī)規(guī)格要求。 改變定子的外徑和疊層長(zhǎng)度，可以與各種電機(jī)特性兼容。 新一代鋰離子電池組 電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)預(yù)測(cè)與倡議 作為一種提高燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)，輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)最近一直吸引著人們的興趣。這些系統(tǒng)使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為行駛輔助，以及電池和馬達(dá)動(dòng)力。 預(yù)計(jì)全球輕度混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)量將從2016年的約45萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2023年的逾1280萬(wàn)輛。 歐洲和中國(guó)的輕混合動(dòng)力系統(tǒng)預(yù)計(jì)將特別快速增長(zhǎng)，這是由48伏鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的，可以相對(duì)便宜地提高燃料消耗效率。 日立汽車(chē)系統(tǒng)（Hitachi Automotive Systems）在2016年3月宣布開(kāi)發(fā)一款適用于輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的48 V鋰離子電池組，以應(yīng)對(duì)這些趨勢(shì)。開(kāi)發(fā)工作將把混合動(dòng)力汽車(chē)的鋰離子電池制造技術(shù)和電池管理系統(tǒng)（BMS）技術(shù)結(jié)合起來(lái)。 輕型混合動(dòng)力汽車(chē)用48V鋰離子電池組的研制 鋰離子電池通過(guò)鋰離子在電極材料上的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行充放電。到目前為止，電池的輸出密度一般是通過(guò)減小電極膜厚度來(lái)減小電阻來(lái)提高的。 但是，隨著輸出密度的增加，存儲(chǔ)能量的減少是一個(gè)問(wèn)題。新的鋰離子電池組改進(jìn)了微米級(jí)的電池電極結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了一種更容易使鋰離子流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在不降低膜厚、增加輸出密度的情況下降低了電阻。 正負(fù)電極的材料組成也得到了改善，通過(guò)增加每單位重量可儲(chǔ)存的鋰的數(shù)量，增加了能量密度。與以前的產(chǎn)品相比，這些技術(shù)增加了25%的輸出密度和50%的能量密度。 通過(guò)降低電池內(nèi)部的發(fā)熱和電阻，以及在鋰離子電池組外殼中使用具有高導(dǎo)熱和散熱性能的金屬，消除了對(duì)冷卻風(fēng)扇的需求。這些進(jìn)步提高了噪音，使設(shè)計(jì)更薄，安裝更自由（見(jiàn)圖5）。
圖 5 - 48 V 輕混合動(dòng)力汽車(chē)用鋰離子電池組 輸出密度的提高使電機(jī)加速輔助期間的扭矩特性更好，最大輸出功率為12千瓦，從靜止加速時(shí)可獲得強(qiáng)大的性能。 最大輸入功率也可以達(dá)到15千瓦，使大量的再生能量在突然減速時(shí)能立即恢復(fù)，并減少能量損失。更好的輸入/輸出特性和更高的能量密度的結(jié)合有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性（見(jiàn)表1）。 日立汽車(chē)系統(tǒng)公司的鋰離子電池也具有卓越的耐用性、低環(huán)境影響和安全性。通過(guò)與日立建筑機(jī)械有限公司的聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，這些功能正在開(kāi)發(fā)和發(fā)布ZH200-6混合液壓挖掘機(jī)的鋰離子電池模塊。 開(kāi)發(fā)的電池組主要由電池模塊、BMS和接線(xiàn)盒組成。
表1 - 輕型混合動(dòng)力汽車(chē)用48V鋰離子電池組主要技術(shù)條件 電力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真技術(shù) 電動(dòng)動(dòng)力總成部件的關(guān)鍵問(wèn)題是如何單獨(dú)或與最終使用的其他部件組合達(dá)到所需性能。車(chē)輛是許多不同產(chǎn)品的集合，僅通過(guò)局部?jī)?yōu)化不太可能實(shí)現(xiàn)高性能。 日立汽車(chē)系統(tǒng)（Hitachi Automotive Systems）正利用模擬驅(qū)動(dòng)分析來(lái)研究適合這些電動(dòng)動(dòng)力總成部件特定組合的產(chǎn)品規(guī)格和控制技術(shù)。 能量/nv耦合模擬器 除了電力來(lái)源外，電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)也是機(jī)電產(chǎn)品，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生扭矩，包含旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和類(lèi)似部件的區(qū)域。 優(yōu)化這些系統(tǒng)需要分析和驗(yàn)證，包括功率性能和系統(tǒng)安裝在車(chē)輛上時(shí)產(chǎn)生的噪聲振動(dòng)（機(jī)電問(wèn)題）。 即使是具有高功率性能的車(chē)輛，如果它們產(chǎn)生高噪聲水平，在市場(chǎng)上也不可行。 日立汽車(chē)系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)了一種能源/NV耦合系統(tǒng)模擬器，使其能夠在開(kāi)發(fā)過(guò)程中驗(yàn)證電動(dòng)動(dòng)力總成部件的性能，并評(píng)估NV在原型制作之前進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)改進(jìn)。 舊的模擬方法通常分別分析能量和nv，當(dāng)這些參數(shù)耦合到機(jī)電產(chǎn)品中時(shí)，必須創(chuàng)建一個(gè)原型來(lái)評(píng)估產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲和熱量。 因此，有時(shí)需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大修改。使用耦合模擬器可以在原型制作之前提前研究振動(dòng)、噪音和熱量，以便在那時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。 該模擬器使產(chǎn)品階段驗(yàn)證和性能保證更加可靠（見(jiàn)圖6）。
圖 6 - 能量/nv耦合模擬器 該模擬器分析了從電池流向逆變器和電機(jī)的能量，并對(duì)該能量在完全耦合狀態(tài)下產(chǎn)生的機(jī)械現(xiàn)象（噪聲、振動(dòng)和熱）進(jìn)行了模擬分析，以反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 結(jié)論 本文討論了電動(dòng)汽車(chē)中用作電動(dòng)動(dòng)力總成部件的逆變器、電機(jī)和蓄電池，以及分析這些部件組合的仿真技術(shù)。 電動(dòng)動(dòng)力總成部件通過(guò)電力電子和微處理器的改進(jìn)而得到了發(fā)展，并將隨著汽車(chē)動(dòng)力裝置的發(fā)展而不斷發(fā)展。 日立正致力于開(kāi)發(fā)能夠滿(mǎn)足不斷擴(kuò)大的與環(huán)境兼容的汽車(chē)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，以幫助保護(hù)環(huán)境。 |
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