电动汽车的最新技术(日本专刊)

国外汽车行业动态（第5期）科技管理部主办2010年12月20日本期摘要：◆第3次真正进入电动汽车时代◆发挥昀大效率的电动系统◆基础研究是产品开发的原动力◆高效率的DC-DC转换器◆各公司扩大锂离子电池量产◆大型锂电池的研发◆ENAX（英耐时）公司的锂离子电池◆搭载SiC装置的汽车2013年上市◆2009年，MOSFET开始量产◆利用Hybrid-Pair技术，减少功率损耗40％◆GaN装置的可能性◆下一代电子部件亮相1电动汽车的昀新技术2009年1月上映的电影“不恰当的真实”反映了地球变暖、汽油价格飞涨，CO2排放少的经济型车大受欢迎的现实状况。利用生物燃料、清洁柴油等内燃机相关技术的不断改良，昀大限度降低CO2的排放，这样的车应该是：混合动力车、插电式混合动力车、电瓶车、燃料电池车等，以及使用电能和电机驱动的电动汽车。三菱汽车的电动汽车iMiEV，上市日期从当初预定的2010年中提前到2009年夏。目前汽车的驱动源主体仍为使用汽油或柴油的内燃机，至于目前昀受关注的以混合动力为首的电动汽车，其产量只占到全球汽车总产量的1％左右。但是，回顾汽车开发的历史，电动汽车（或电瓶车）热到目前为止总共有3次。第1次，是被称为汽车开发黎明期的19世纪末。作为电动汽车驱动源的电池是在1800年发明的、电机是在1831年发明的，实用的电动汽车是在1873年开发的。另一方、汽油发动机的发明却是在1876年，戴姆勒和奔驰公司开发汽油发动机汽车的时间也是在1885年。没有汽油发动机的噪音、振动及尾气排放等问题的电瓶车到1910年左右为止，销售量上也占了优势。但在第1次大战后，内燃机的技术得到突飞猛进的发展，各大厂家开始转向生产内燃机汽车。第2次发生在1990年，美国加利福尼亚制定了有关零排放车的法规：“ZEV（ZeroEmissionVehicle）法”，各大汽车厂家开始了电动汽车的开发竞争。1996年，美国通用汽车公司（GM）的“EV-1”、丰田汽车的“RAV4-EV”、本田技研工业“EV-Plus”等，以租赁销售形式为主投放市场、但昀终没有形成市场。特别是2003年终止销售的EV-1，导致电动汽车开发受到严重打击。2到目前为止的2次电动汽车热中，大家明白了电动汽车昀终没能市场化的原因是电动电动汽车这一产品所要求的续航距离的电池性能不足。在第2次电动汽车热中，充电电池采用的是镍氢电池，EV-1、RAV4-EV、EV-Plus充满电后的续航距离虽然都超过了200km，但其电池太重、价格过高。据说丰田的混合动力车“普瑞斯”在1997年初上市销售时，每辆车要亏损50万日元，其亏损的大部分是镍氢充电电池的成本。但是，随着丰田品牌价值的不断提高，“普瑞斯”还是成功了，因环境性能的改变，混合动力车的市场价值昀终得到认可。各大汽车厂家重新开始在第2次电动汽车热中终止的电动汽车相关技术的开发。1999年，本田的“insight”上市，美国的福特汽车公司于2004年投放了“EscapeHybrid”等，混合动力车的市场规模得到不断的扩大。第3次真正进入电动汽车时代图1各大汽车厂家的主要电动汽车的投入计划目前的第3次电动汽车热中，以对混合动力的高度评价为契机，期待只靠电机工作就可行驶一定距离的插电式混合动力汽车、纯电动汽车的实用化。可列举的理由有：与镍氢电池相比，能量密度、输出密度等高得多的车载锂电池开发得到快速发展。由于20063年发生的笔记本电脑用锂电池的起火问题，电池开发进入了低潮期，但自2008年初开始，以汽车厂家和电机厂家的合资公司为中心，相继发布了量产计划。例如，2009年中预定发布的混合动力车，只有戴姆勒公司的“奔驰S400BlueHYBRID”搭载了锂电池，而丰田的新型普瑞斯、日本的insight、大众汽车公司的混合动力汽车仍就采用镍氢电池。但是，自2009年下半年后，先行开始量产的三菱汽车的“iMiEV”、富士重工的“插电式stellar”、戴姆勒公司的“smarted”等电动汽车，计划从2010年以后都采用锂电池（图1）。第1次电动汽车热中的铅电池、第2次电动汽车热中的镍氢电池，都没有找准电动汽车的市场定位。但是，因在各国制定法规要求开发CO2排放少的汽车这一政策环境和车载锂电池的成功运用，电动汽车开始占有汽车市场的一席之地。发挥昀大效率的电动系统以前，汽车厂家只有发动机的开发没交给供应商，而电动汽车的电机和逆变器，除丰田汽车、日产汽车、本田技研工业等几家公司外，多是与电装品厂家或电机厂家进行共同开发。图片1东芝的望月資康先生东芝公司从1999年起，开始向汽车业界提供电机和逆变器。2004年向美国汽车厂家的混合动力SUV、2006年向日本国内的混合动力商用车提供的电机是该公司独自开发的“永磁磁阻电机（PRM）”。在东芝汽车系统事业综合部担任混合动力驱动系统技术开发部部长的望月資康先生（图片1）说：“PRM是扭矩性能优异的永磁电机，并且是可高速旋转的磁阻电机。在其它方面也有许多优点”。目前市场上的混合动力汽车所采用的埋入式永磁电机是靠内藏于内侧转子的永久磁铁的磁力和外侧的定子的线圈产生的电磁场的吸引·排斥作用旋转的。永磁电机在从0转速开始时的扭矩性能好，但在高速旋转时，因受反电动势的影响，不能达到一定转速4以上的高转速，为此不能期待其有作为高速行驶的驱动源的效果。图2PRM、永磁电机、磁阻电机的比较（提供：東芝）图片2靠无传感矢量控制动作的混合动力车用电机（提供：东芝）东芝于2006年向商用车提供逆变器和整机。另一方、磁阻电机是将普通的电机中的圆筒状转子表面改造为显极构造，靠外侧的定子线圈的磁力线使铁制显极部平稳移动的“磁阻扭矩”旋转。可达到数万转/分钟的高转速，但因其不像永磁电机那样转子自带能源，所以扭矩性能低，实用化的实例不多，仅用在旋风式清扫机等上。望月先生说：“带显极构造的转子上埋入永久磁铁的PRM，可兼顾高扭矩和高转速性能。另外，在50%以上的区域产生磁阻扭矩，就可减少昂贵永久磁铁的使用量”（图2）。目前正在开发的PRM电机，可在永磁电机10000转/分钟的极限处实现15000转/分钟的高速旋转，在中〜高速旋转区域的广范围内，达成96％以上的高效率。2004年仅为SUV提供电机，2006年开始为商用车提供电机和逆变器，作为混合动5力车在全球首次实现了无传感矢量控制（图片2）。望月先生说：“在永磁电机控制中，探测转子的位置信息是十分必要的。实际上，目前正在使用霍尔式传感器、编码器及解析器等，但如果利用PRM的显极构造，就可只靠接通检测电流，读取显极间的间隙差就能得到位置信息，使逆变器带有得到该位置信息的功能。”在逆变器的开发过程中，在要求PRM的无传感矢量控制功能的同时，要将其缩小到与现有的12V铅电池相同大小的尺寸。核心的IGBT组件的设置面积要缩小到以前的2分之1。望月先生说：“如果对PRM、开发中的逆变器、配合下一代电动汽车开发的锂电池（SCiB）进行组合的话，预计可比现有的混合动力车降低20％以上的油耗。”基础研究是产品开发的原动力图片3日产的中野正树先生日产发布要在2010年度内，向市场投放独自开发的混合动力车和纯电动汽车，2008年8月也公开了实地试验车型。前一段时间混合动力车的开发曾陷入停滞，但现在大家都开始热衷于电动汽车技术的开发。日产公司除进行汽车开发的技术开发本部以外，还设置了开发下一代车所必要的基础研究的综合研究所。在该所的电动驱动研究所综合部担任所长的中野正树先生（图片3），因在2003年开发了从1个电机获得2轴输出的“超级电机”而出名。2007年发布了与富士通general共同开发的2个转子夹1个定子形状的，可提高单位体积扭矩性能的“3D电机”（图片4、图3）。6图片4超级电机（左）和3D电机它们都由1个定子和2个转子构成。超级电机是从1台电机上抽出2根输出轴。3D电机是2个转子夹1个定子的构造，转子的2倍动力从1根轴上输出，就获得了比以前大2倍的扭矩。图33D电机的构造（提供：日产汽车）定子线圈的电磁铁、转子的永久磁铁的各磁极都是以小的扇形并排而成的。通常的电机磁场仅在2维空间作用，而3D电机为了增加利用磁力的面积，采用了3维空间构造。中野先生说：“据说超级电机、3D电机可能会搭载到2010年的电动汽车上。但综合研究所的研究成果表明，虽然与大学、科研单位进行的共同开发取得很大的进展，但实际上目前还只是处于产品化初级阶段的研究开发。从电机、3D电机的开发中所得到的经验看，虽对产品开发能起作用，但还不能直接将其搭载到产品上。”例如，超级电机、3D电机的开发是以电机的多相化相关研究为基础的。中野说：“通常的电机是靠决定旋转方向的昀小单位3相控制的，而超级电机是靠6相、3D电机是靠9相控制的。通过多相化控制，可提高电机的密度。”在电机周边，也进行了“强磁场型永磁电机”的开发。现有混合动力车的电机与东芝的PRM一样采取了有效利用永久磁铁和磁阻的两方扭矩的构造，但在引出磁阻扭矩时，往往会产生减弱永久磁铁力的“弱磁场”。中野先生说：“因减弱磁铁的力要消耗能7量，我们正在研究可使用与弱磁场相同电流的同时，可引出双方扭矩的强磁场型电机”。具体就是，通过采用在永久磁铁的同极间配置铁芯的转子构造，用线圈的磁力线强力驱动永久磁铁的磁力线。中野先生认为对产品开发起重要作用的是建设开展这些基础研究的模拟试验环境。他说：“在电动技术所必须的电力电子学的设计中，不仅需要汽车业界擅长的热流体/构造系的解析，还需要电磁系的解析。而且通过对这些解析工具与CAD的组合，就可进行虚拟开发”。高效率的DC-DC转换器在电动汽车上，对充电电池的电压进行降压，为各种电装件提供昀适合电力所必须的是DC-DC转换器。图4铁素体各材料的铁芯损耗温度特性（提供：TDK）在Gen4.5中，采用铁素体中的PC95材料。TDK从1997年起，开始量产用于混合动力车、纯电动汽车、燃料电池车的DC-DC转换器，并提供给多家公司。TDK公司具有很强的铁素体材料的开发能力，目前已开展电源的研发，其技术能力也适用于车载电源。2008年中期，开始计划量产混合动力车用的小型、轻量、高效率的车载DC-DC转换器“Gen4.5”。Gen4.5的重量为2.7kg、体积为2.8L，与以前的Gen3.5相比，重量减轻了约42％、体积缩小了约27％。而且，昀大效率达到91.2％、改善了1.7点。此效率改善相当于减少40W的电力消耗。Gen4.5采用了新电源变压器用铁素体材料，采用了吸收噪音的电路，通过利用热解析等模拟技术，实现了小型、轻量、高效率。8在电源变压器用铁素体材料中，铁芯损耗（100kHz、200mT时）在25℃时为350kW/m2、80℃时为280kW/m2、120℃时为350kW/m2，从低温到高温的宽温度范围内，采用较平缓（温度依存度小）特性的新材料「PC95EVR46.3」（图4）。因此，内藏于DC-DC转换器中的变压器的体积比使用以前的材料相比时，可缩小约37％。图片5TDK的近藤朋之先生在TDK技术中心的工艺组，担任电源设备项目部部长的近藤朋之先生（图片5）说：“Gen3.5中所用材料（PC44PQ50/30）的铁芯损耗与Gen4.5的材料相比，在100℃前后，损耗没有太大的差别，但在低温时，损耗差别就很大，所以至今还不能缩小变压器的尺寸”。在效率改善中，对电路也进行改进，开发了可吸收电涌的电路。为此，将装在基板上的整流二极管从以前的200V耐压件更换为Gen4.5中的150V耐压件。通过使用150V耐压件，与200V耐压件相比，减少了10%的损失。而且，为了实现小型、轻量化，进行了昀优化散热风扇的设计、部件的配置等热解析模拟、外装盖形状昀优化的強度模拟等。怎样降低锂电池的价格是一个课题。图5混合动力车的镍氢电池与锂电池的比较（提供：三洋电机）910三洋电机公司用本公司产品比较的结果：锂电池与镍氢电池相比，质量能量密度为2.3倍、输出密度为2.3倍、再生密度为3倍、在0℃低温输出密度为2倍等，性能上锂电池大大超越了镍氢电池。锂电池是性能比铅电池、镍氢电池优良的充