75日本最新电动汽车技术拆解(完整版62页)

【电动汽车拆解】PCU（一）：采用双面冷却构造实现小型化图1：混合动力车的系统构成（雷克萨斯LS600h）由充电电池（镍氢）、PCU（功率控制单元）、驱动马达及发电机等构成。PCU具有升降压转换器和逆变器功能。电装已开始向丰田汽车的部分混合动力车型提供PCU（功率控制单元）。图2：PCU（功率控制单元）主体由控制底板电路、双面散热的功率半导体元件、层叠型冷却器及电容器等构成。PCU内的功率半导体从两面进行冷却。过去采用的是单面冷却。丰田汽车现在的混合动力系统全部为水冷式，而非空冷式。混合动力车在前格栅的发动机室内配置了不同于发动机用散热器的混合动力系统专用散热器。混合动力系统采用冷却水来冷却PCU和驱动马达。过去，丰田汽车的“普锐斯”及“皇冠Hybrid”等车型一直利用水冷单面冷却PCU内的功率半导体。而“雷克萨斯LS600h”采用的最新PCU虽然同样是水冷式，但采用的是双面冷却构造（图1，2）。由于散热面积增大，因此比单面冷却更容易冷却。单位体积的输出功率比原来提高了60％。在相同的输出功率情况下，体积则可比原来减小约30％，重量减轻约20％。PCU具有逆变器和升降压转换器的作用。逆变器具有将充电电池的直流电压转换成马达驱动用交流电压的功能以及将马达再生的交流电压转换成直流电压的功能。升降压转换器用来升高和降低充电电池供应给马达的电压。向雷克萨斯LS600h等高功率混合动力车提供PCU，需要提高逆变器和升降压转换器的输出功率，也即需要增大电流。解决方法之一是增加PCU的功率半导体元件数量或使元件比原来流过更大电流。PCU存在问题是散热。现在的车载用功率半导体最高可耐150℃高温，因此需要采用始终将温度保持在150℃以下的冷却结构。雷克萨斯LS600h需要提高PCU的性能，同时减小PCU尺寸。由于不能增加元件数量，因此采用了支持更大电流的功率半导体。这样，单面冷却就不足以解决大电流功率半导体的散热问题，因此采用了双面冷却结构。过去，每个元件可流过200A的电流，而雷克萨斯LS600h采用了每个元件可流过300A以上电流的高性能功率元件（图3、4）。由此逆变器和升降压转换器均减少了功率半导体的数量。新型功率半导体为富士电机元件科技制造的产品。图3：过去的PCU构成（单面冷却）每个功率半导体元件流过200A（元件散热措施设想采用单面冷却时）。图4：新型PCU的构成（双面冷却）通过采用高性能功率半导体，每个元件流过300A以上的电流。采用支持大电流的元件，减少元件数量以实现小型化。通过双面冷却进行散热。（未完待续：特约撰稿人：金子高久，电装EHV机器技术部组长）【电动汽车拆解】PCU（二）：实现了与铅蓄电池相当的尺寸2010-03-1713:44实现了与铅蓄电池相当的尺寸1111雷克萨斯LS600h是在高级轿车“雷克萨斯LS460”基础上追加混合动力系统而成。如果是混合动力专用车，PCU的尺寸或许会更大一些，而雷克萨斯LS600h最优先强调的就是要减小PCU的尺寸。LS460将置于车辆前部的铅蓄电池移至车辆后部，PCU的尺寸只能与空出的铅蓄电池容积相当。原来的功率半导体和冷却器的构造由上往下依次为功率半导体元件、绝缘板、散热板（铜或铜合金）、冷却板（铝合金压铸而成）（图5）。重叠冷却板制成的是冷却器。使冷却水在冷却器中循环，通过散热板，冷却半导体元件。图5：单面冷却的构成，在绝缘板上面配置功率半导体元件。热量通过绝缘板，传到散热板，由冷却器散热。(点击放大)而新开发的PCU由散热板、绝缘板和冷却板夹在功率半导体的两侧而成（图6）。其中，功率半导体和散热板用树脂封装。功率半导体与信号输入端子之间通过引线键合相连。另外，为确保引线键合高度方向的空间，在功率半导体的一侧配置了导电垫片。图6:新型双面冷却的构成冷却功率半导体的两侧。为提高热传导，在功率半导体旁边依次配置散热板、绝缘板、冷却器。为比单面冷却进一步提高热传导率，此次新采用了使功率半导体的热量比起绝缘板，先行向散热板传导的构造。另外，冷却板跟原来一样，由铝材料制成，不过由压铸件更换成了热传导率高的冲压材料。为实现双面冷却，制作了交叉重叠功率半导体和冷却板的层叠型（图7）构造。层叠型的优点在于可以减小PCU的面积。过去的单面冷却构造在一个封装中集成有多个功率半导体。通过采用多个封装，提高PCU的性能，不过并不适合细致调整功率半导体数量的设计方案。图7：冷却器为层叠型（a）双面冷却的PCU采用的是冷却器的冷却板与半导体交叉层叠的层叠结构。（b）现在采用该结构的只有雷克萨斯LS600h和RX450h，具有灵活性，可根据车型需要的输出功率改变层叠枚数进行设计。将来还有望应用于普及车型。另外，要提高输出功率，需要将封装呈面状横向接合在一起，因此存在面积增大、难以配备于汽车使用的问题。此次的构造可根据混合动力车的输出功率选择功率半导体元件的数量。并且，由于是与冷却板交叉重叠功率半导体的层叠型构造，即使功率半导体数量增加，在设计上也能够减小面积。新型双面冷却构造的采用车型目前只有最高端车型雷克萨斯LS600h和2009年春季上市的“雷克萨斯RX450h”，此外还能应用于输出功率较低的混合动力系统。（未完待续：特约撰稿人：金子高久，电装EHV机器技术部组长）【电动汽车拆解】PCU（三）：使半导体与冷却板紧密贴合使半导体与冷却板紧密贴合双面冷却构造的功率半导体需要在制造方法和维持冷却性能方面下工夫。新型冷却系统采用的交叉层叠功率半导体和冷却板的构造，因此半导体和冷却板需要始终接触在一起。制造时首先重叠冷却板制成冷却器，然后重叠功率半导体，插入冷却器中（图8）。图8：PCU的制造工序在层叠型冷却器中插入功率半导体元件。通过向冷却器两侧加压，使冷却板与半导体元件紧密贴合。最后，用板簧对冷却器加压，维持冷却性能。(点击放大)为便于插入半导体，可增大冷却板与冷却板的间隔。但是，如果间隔过大，冷却板与半导体之间就会留有缝隙，冷却半导体的性能就会降低。因此，最初先扩大冷却板的间隔，插入半导体后，通过对冷却器两侧加压，使冷却板与半导体紧密贴合。对冷却器加压时，为防止冷却器破损，采用了冷却板与冷却板之间产生形变的结构（图9）。通过使冷却器在冷却水不漏的前提下变形，实现了层叠结构。作为表示双面冷却性能的数据，有热传导率模拟数据和热阻试验数据。通过热传导模拟，比较了冷却构造中的最热部分（热阻最高的部分）。模拟结果表明，双面冷却构造比单面冷却构造的热阻可降低约48％。通过热阻实验数据，比较了功率半导体每个位置的冷却性能（图10（a）。该实验将功率半导体耐热性上限150℃下的热阻目标值定为0.3K/W左右。实验数据控制在上限以下（图10（b）。另一组热阻试验的数据测量了改变冷却水流速时的热阻。将功率半导体每个位置（下降侧的1～12）的热阻做成了图表。数据显示热阻始终在0.3K/W以下，满足了散热条件（图10（c）。图9：层叠型冷却器在生产时变形层叠型冷却器为使半导体元件与冷却板紧密结合，生产时进行加压。采用了加压时、为使冷却板与冷却板之间的距离缩短而变形的结构。图10：采用双面冷却，冷却性能达到目标值以下（a）对PCU的功率半导体，在冷却水入口按顺序贴上序号1～12。在冷却水入口侧（上升）和出口侧（下降）比较了功率半导体的冷却性能。（b）热阻值的比较。冷却水入口侧和出口侧均控制在功率半导体目标值0.3K/W以下。（c）改变冷却水流量时的热阻控制在目标值以下。功率半导体的耐热性是一大课题，不过将来该课题有可能得到彻底解决。比如，现在使用的是Si（硅）晶圆，而用SiC（碳化硅）材料做的话，耐热性将大幅提高，同时还能够通过更大的电流。另外，现在设计的是水冷式PCU，今后随着气流改善等，或许还需要研究空冷式PCU。今后的10年将是决定PCU未来走向的关键时期。（特约撰稿人：金子高久，电装EHV机器技术部组长）【电动汽车拆解】DC-DC转换器（四）：提高电压转换效率TDK已开始向混合动力车及电动汽车提供“DC-DC转换器”。电动汽车充电电池的电压高达数百伏。DC-DC转换器将充电电池的电压降至14V，提供给铅蓄电池。再把铅蓄电池作为电源驱动发动机的辅机类、雨刷及前照灯等器件。世界首款量产混合动力车的投入使用已经12年。包括TDK在内，DC-DC转换器单位体积的功率密度逐年提高，估计今后也是这一趋势。TDK的DC-DC转换器于1997年实际应用于混合动力车。本田将在现行的“思域混合动力车”和新款Insight上采用（图1）。还被部分海外厂商应用于混合动力车。Insight之所以采用TDK制造的DC-DC转换器，是因为能够满足小型与轻量化的要求。本田对Insight减小了包括DC-DC转换器和逆变器在内的PCU（功率控制单元）尺寸及镍氢充电电池的尺寸。这些器件在思域混合动力车中曾配置在后座后面，而在Insight中，却配置在行李舱下面，以使行李舱的可用空间比以前增大。DC-DC转换器的小型化有利于扩大行李舱容量，降低成本。图2：Insight采用的DC-DC转换器将混合动力车配备的数百V的充电电池电压降至铅蓄电池的14V电压。Insight采用的方式（空冷式）。Insight上使用的最新款DC-DC转换器与思域混合动力车上配备的原产品相比，重量减轻45％，容积减小5％（图2）。重量低于1kg。转换效率确保在90％以上。省去交流发电机混合动力车及电动汽车导入DC-DC转换器之后，可省去交流发电机。交流发电机利用发动机的旋转发电，发出的电为铅蓄电池充电（图3）。电动汽车的充电电池容量很大。因此，以充电电池为电源，能够利用DC-DC转换器为铅蓄电池充电。从而可以省去原来的交流发电机（图4）。Insight就未配备交流发电机（图5）。图3：汽油发动机车配备交流发电机利用发动机转动交流发电机，为铅蓄电池充电。（点击放大）图4：混合动力车和电动汽车不需要交流发电机利用DC-DC转换器降低充电电池的电压，为铅蓄电池充电。（点击放大）图5：Insight的动力传动系统未配备交流发电机。使用充电电池和DC-DC转换器，可以不必考虑发动机的转速而为铅蓄电池充电。原来的汽油发动机车，当发动机转速低时，如果同时使用空调、立体声及车灯等，有时“电池的电量会用尽”。即使发动机仍在运行，有些条件下也会出现电力不足现象。而如果像混合动力车和电动汽车这样使用充电电池和DC-DC转换器，便可不必考虑发动机的转速而使用电力。（未完待续，特约撰稿人：近藤朋之，TDK电力系统业务集团EV电源部部长）【电动汽车拆解】DC-DC转换器（五）：保留铅蓄电池保留铅蓄电池混合动力车和电动汽车按说也能省去铅蓄电池，但实际上还是保留了铅蓄电池（图6）。Insight也保留了铅蓄电池。这样做有两大原因。一是保留铅蓄电池更能够降低整个车辆的成本。二是确保电源的冗余度。图6：包括DC-DC转换器的混合动力车系统构成现在的DC-DC转换器为单向电流，而今后有可能变成双向。有些车型还追加DC/AC输出端及升压转换器等转换器部件。（点击放大）铅蓄电池能在短时间内向空调、雨刷及车灯等释放大电流。如果省去铅蓄电池而将充电电池的电力用于辅机类、空调及雨刷等，DC-DC转换器的尺寸势必就要增大，从而使整体成本增加。铅蓄电池便宜，因此目前将铅蓄电池置换成充电电池还没有成本上的优势。二是铅蓄电池还有确保向辅机类供电的冗余度的作用。DC-DC转换器出现故障停止供电时，如果没有铅蓄电池，補机类就会立即停止运行。夜间车灯不亮，雨天雨刷停止运行等，就会影响驾驶。如果有铅蓄电池，便能够将汽车就近开到家里或者工厂。今后DC-DC转换器功能改进的方向之一是双向化。现在使用的DC-DC转换器只是单向改变电压。现在也存在要求双向的需求。当充电电池的电力不足时，便可将铅蓄电池的电力输入充电电池，以备紧急之需。双向化是今后将继续探讨的课题，这也是确保冗余度的方法。TDK分代开发了DC-DC转换器基本电路（平台）（图7）。其中包括2001年开始量产的“GEN3”（第3代）、2005年量产的“GEN4”（第4代）、200