為了提高燃油效率并遵守排放法規(guī)，日立汽車系統(tǒng)有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)正在開發(fā)更小、更輕、功率密度更高的電傳動系統(tǒng)。
該公司通過提供逆變器、電動機和電池產(chǎn)品，以及集成這些產(chǎn)品的技術(shù)解決方案，為汽車的環(huán)保性能做出貢獻(xiàn)。
盡管長期用于車輛動力傳動系的內(nèi)燃機一直在不斷發(fā)展，但自本世紀(jì)初以來，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)燃機車輛就可達(dá)到的法規(guī)遵從性限制預(yù)計將在2020年到2025年來臨。
因此，混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車（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。
自上世紀(jì)90年代以來，日立汽車系統(tǒng)有限公司一直在為這些電動汽車開發(fā)和供應(yīng)電力傳動系統(tǒng)，并繼續(xù)開發(fā)技術(shù)和提高性能，以期待未來環(huán)保汽車的普及。
這篇文章討論了應(yīng)用在電動汽車電控、電機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，將儲存在電池中的直流電(DC)轉(zhuǎn)換為交流電(AC)，當(dāng)車輛需要驅(qū)動時由電池將電能輸出給驅(qū)動電機，當(dāng)需要功率再生時進(jìn)行能量再生操作為電池充電。
由于車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企提出。為逆變器開發(fā)高功率密度的電路板成為一項持續(xù)不斷的工作。
與此同時，高性能的逆變器控制技術(shù)也被用來進(jìn)行扭矩控制、電機轉(zhuǎn)速控制、能量回收控制，同時按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行包括異常檢測、故障診斷和指定的功能安全措施。
為了實現(xiàn)這些機載應(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)計技術(shù)，以便將這些組件封裝在一個緊湊的PACK中，同時使機載應(yīng)用能夠持久地抵抗汽車的振動和產(chǎn)生的熱量。
高功率密度和高壓主電路
對450V級別的電池來說，混動和純電動汽車的逆變器的大部分體積來自于高壓主電路，所以改進(jìn)主電路組件部分是減小逆變器尺寸的關(guān)鍵。
日立汽車系統(tǒng)(Hitachi Automotive Systems)通過開發(fā)雙面冷卻電源模塊技術(shù)，實現(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)不同的車輛重量等級。
該模塊的二合一結(jié)構(gòu)使設(shè)計更加緊湊，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，實現(xiàn)電動汽車的啟動、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、扭矩安全、故障診斷和功能安全等功能。
為滿足這些需求，日立開發(fā)了高性能電機控制電路技術(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)來自控制電路的驅(qū)動信號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行，以跟上電力設(shè)備的最新性能發(fā)展趨勢，同時確保安全可靠運行。
為了滿足這些需求，日立公司開發(fā)了一種由高性能集成電路（IC）驅(qū)動的緊湊型門控電路。
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。
在滿足車載安裝要求的同時，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，該產(chǎn)品還開發(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)動系統(tǒng)的不斷發(fā)展應(yīng)減少逆變器的尺寸，并增加電動汽車的行駛里程，推動未來幾年電動汽車數(shù)量的增長。
它提供了車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系統(tǒng)產(chǎn)品相比的輸出。
高效電機技術(shù)
標(biāo)準(zhǔn)電機背后的概念是通過設(shè)計適合各種不同類型電動汽車（HEV、EV、PHEV）以及不同尺寸的電機標(biāo)準(zhǔn)，來減少開發(fā)工作量，并標(biāo)準(zhǔn)化部件、生產(chǎn)設(shè)備和制造實踐。同時還提供小尺寸、輕重量、高輸出、高效率、安靜運行和低振動等功能。
開發(fā)方法是在提高開發(fā)效率的同時，開發(fā)一種低成本的電機。針對不同主機廠的不同接口尺寸，允許在不同類型的車輛上以標(biāo)準(zhǔn)化的方式設(shè)計車輛布局，滿足廣泛輸出要求的輸出特性，適合不同類型電動車輛特性以及一系列模型變量。
標(biāo)準(zhǔn)電機定子繞組法
為使標(biāo)準(zhǔn)電機定子繞組尺寸小、轉(zhuǎn)矩密度高，選用方絲波繞組。與過去使用的帶圓線的分布式繞組相比，帶方線的繞組在空間系數(shù)（導(dǎo)體截面/槽截面）上提高了約20%，在電機輸出轉(zhuǎn)矩密度（輸出轉(zhuǎn)矩/（定子鐵心直徑）2×定子鐵心長度）上提高了約15%。通過改變線圈直線段的長度，波繞組分段線圈可以靈活地適應(yīng)定子疊層長度的變化。
電機外徑尺寸的選擇
為了使用波繞法創(chuàng)建與不同尺寸的車輛和各種不同類型的電動車輛（如HEV、EV和PHEV）兼容的電機規(guī)格，日立汽車系統(tǒng)設(shè)計了4個不同外徑的定子，每個定子槽具有不同數(shù)量的線圈。
圖 3 - 每個定子設(shè)計中每個槽的線圈外徑和數(shù)量
圖3顯示了每個設(shè)計的定子外徑和每個槽的線圈數(shù)。
標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計每個槽有4個線圈，定子外徑為φ200 mm。
通過保持定子內(nèi)徑不變，改變各槽中的定子外徑和線圈數(shù)，設(shè)計出了與各種電機特性相適應(yīng)的設(shè)計方案。
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，可以通過在芯內(nèi)徑側(cè)使用2線圈夾具來共享設(shè)備。
這四種定子設(shè)計可以在同一臺設(shè)備上生產(chǎn)。它們支持各種輸出特性和電機外徑，從加長的圓柱形EV電機到扁平型HEV電機（見圖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)計進(jìn)行配置，可以實現(xiàn)可變的外徑，使用波形繞組可以實現(xiàn)可變的定子疊層長度，從而可以使用相同的生產(chǎn)設(shè)備支持各種電動車輛的電機規(guī)格要求。
改變定子的外徑和疊層長度，可以與各種電機特性兼容。
新一代鋰離子電池組
電動汽車市場預(yù)測與倡議
作為一種提高燃油經(jīng)濟性的技術(shù)，輕度混合動力系統(tǒng)最近一直吸引著人們的興趣。這些系統(tǒng)使用汽油發(fā)動機作為行駛輔助，以及電池和馬達(dá)動力。
預(yù)計全球輕度混合動力汽車產(chǎn)量將從2016年的約45萬輛增長到2023年的逾1280萬輛。
歐洲和中國的輕混合動力系統(tǒng)預(yù)計將特別快速增長，這是由48伏鋰離子電池驅(qū)動的，可以相對便宜地提高燃料消耗效率。
日立汽車系統(tǒng)（Hitachi Automotive Systems）在2016年3月宣布開發(fā)一款適用于輕度混合動力汽車的48 V鋰離子電池組，以應(yīng)對這些趨勢。開發(fā)工作將把混合動力汽車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。
輕型混合動力汽車用48V鋰離子電池組的研制
鋰離子電池通過鋰離子在電極材料上的運動來進(jìn)行充放電。到目前為止，電池的輸出密度一般是通過減小電極膜厚度來減小電阻來提高的。
但是，隨著輸出密度的增加，存儲能量的減少是一個問題。新的鋰離子電池組改進(jìn)了微米級的電池電極結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了一種更容易使鋰離子流動的結(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，通過增加每單位重量可儲存的鋰的數(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，消除了對冷卻風(fēng)扇的需求。這些進(jìn)步提高了噪音，使設(shè)計更薄，安裝更自由（見圖5）。
圖 5 - 48 V 輕混合動力汽車用鋰離子電池組
輸出密度的提高使電機加速輔助期間的扭矩特性更好，最大輸出功率為12千瓦，從靜止加速時可獲得強大的性能。
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)濟性（見表1）。
日立汽車系統(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。通過與日立建筑機械有限公司的聯(lián)合開發(fā)項目，這些功能正在開發(fā)和發(fā)布ZH200-6混合液壓挖掘機的鋰離子電池模塊。
開發(fā)的電池組主要由電池模塊、BMS和接線盒組成。
表1 - 輕型混合動力汽車用48V鋰離子電池組主要技術(shù)條件
電力傳動系統(tǒng)仿真技術(shù)
電動動力總成部件的關(guān)鍵問題是如何單獨或與最終使用的其他部件組合達(dá)到所需性能。車輛是許多不同產(chǎn)品的集合，僅通過局部優(yōu)化不太可能實現(xiàn)高性能。
日立汽車系統(tǒng)（Hitachi Automotive Systems）正利用模擬驅(qū)動分析來研究適合這些電動動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
除了電力來源外，電動動力總成系統(tǒng)也是機電產(chǎn)品，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生扭矩，包含旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和類似部件的區(qū)域。
優(yōu)化這些系統(tǒng)需要分析和驗證，包括功率性能和系統(tǒng)安裝在車輛上時產(chǎn)生的噪聲振動（機電問題）。
即使是具有高功率性能的車輛，如果它們產(chǎn)生高噪聲水平，在市場上也不可行。
日立汽車系統(tǒng)公司開發(fā)了一種能源/NV耦合系統(tǒng)模擬器，使其能夠在開發(fā)過程中驗證電動動力總成部件的性能，并評估NV在原型制作之前進(jìn)行必要的設(shè)計改進(jìn)。
舊的模擬方法通常分別分析能量和nv，當(dāng)這些參數(shù)耦合到機電產(chǎn)品中時，必須創(chuàng)建一個原型來評估產(chǎn)生的振動、噪聲和熱量。
因此，有時需要對設(shè)計進(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、噪音和熱量，以便在那時進(jìn)行改進(jìn)。
該模擬器使產(chǎn)品階段驗證和性能保證更加可靠（見圖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的能量，并對該能量在完全耦合狀態(tài)下產(chǎn)生的機械現(xiàn)象（噪聲、振動和熱）進(jìn)行了模擬分析，以反饋給產(chǎn)品設(shè)計。
結(jié)論
本文討論了電動汽車中用作電動動力總成部件的逆變器、電機和蓄電池，以及分析這些部件組合的仿真技術(shù)。
電動動力總成部件通過電力電子和微處理器的改進(jìn)而得到了發(fā)展，并將隨著汽車動力裝置的發(fā)展而不斷發(fā)展。
日立正致力于開發(fā)能夠滿足不斷擴大的與環(huán)境兼容的汽車市場需求的產(chǎn)品，以幫助保護(hù)環(huán)境。
