电动汽车技术拆解完整版

目录TOC\o"1-1"\h\u8730【电动汽车拆解】PCU（一）：采用双面冷却构造实现小型化 1383【电动汽车拆解】PCU（二）：实现了与铅蓄电池相当的尺寸 58286【电动汽车拆解】PCU（三）：使半导体与冷却板紧密贴合 719564【电动汽车拆解】DC-DC转换器（四）：提高电压转换效率 1015983【电动汽车拆解】DC-DC转换器（五）：保留铅蓄电池 1315124【电动汽车拆解】DC-DC转换器（六）：DC-DC转换器的性能 1628044【电动汽车拆解】空调压缩机（七）：不断推进电动化 1815260【电动汽车拆解】制暖（八）：用电加热器代替发动机 2417652【电动汽车拆解】马达（九）：不使用电磁钢板的马达铁芯 328838电动汽车拆解：马达(十)--借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半(上) 4024689采用辅助线圈进行的尝试 416266马达的工作状态使得磁场发生变化 4331216电动汽车拆解：马达(十)--借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半(下) 4423567允许磁通3维通过的铁芯 4530874磁铁的磁通有两种 465875电动汽车拆解：马达(十一)--通过切换马达线圈，在大转速范围内保持输出功率 4727114在串联HEV上采用 492348抑制反电动势 5215456不断进化的充电电池和充电技术，EV之外再创新市场（上） 559097不断进化的充电电池和充电技术，EV之外再创新市场（下） 60【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。【电动汽车拆解】PCU（二）：实现了与铅蓄电池相当的尺寸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）、2008年量产的“GEN4.5”（第4.5代）。现在正在开发的是“GEN5”（第5代）。根据基本电路，制成符合各汽车公司要求的产品。图7：DC-DC转换器的发展蓝图公布了该公司2001年以来的产品。DC-DC转换器不断小型·轻量化，效率不断提高。（点击放大）DC-DC转换器不同的代规定了变压器的种类及DC-DC转换器电路的基本构造。水冷/空冷、端子位置，主体形状等根据采用车型进行设计。基本构造以严酷环境下的空冷为前提设计。

按产品来看，转换效率由第2代到第5代一直在提高（图8）。电流为10A时，转换效率分别为约84％（第2代）、约86％（第4代）、约89％（第4.5代）。电流为70A时，转换效率由约86％（第2代）提高到约88％（第4.5代）。预计下一代第5代将超过90％。（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）图8：DC-DC转换器的效率逐代进化。最新一代GEN4.5的转换效率为90％左右。下一代将超过90％。（点击放大）【电动汽车拆解】DC-DC转换器（六）：DC-DC转换器的性能DC-DC转换器的性能

DC-DC转换器的主要部件是变压器。变压器由一次侧（输入侧、充电电池侧）和二次侧（输出侧、铅蓄电池侧）两种线圈构成。线圈比与电压比成比例。

利用变压器改变电压时，变压器需通过交流电压。充电电池是直流电压，因此DC-DC转换器通过利用功率半导体ON/OFF来自充电电池的直流电压，将其转换成交流电压。然后，利用变压器转换交流电压，再利用功率半导体将交流电压转换成14V的直流电压。利用功率半导体转换交流和直流时，为抑制电压波形的噪声（平滑化），还使用了电容器。

决定DC-DC转换器性能的主要因素是变压器。变压器的大小、形状及支持的开关频率随着更新换代而进化（图9）。开关频率由70kHz提高到110kHz，变压器铁芯的重量由215g左右减轻至61g左右。变压器的线圈通过采用层叠平面线圈的类型，降低了高度。

图9：变压器铁芯逐代进化（a）产品越新（PC95），温度特性越高。（b）随着产品更新换代，重量减轻、能量效率提高、进化成易于散热的形状。通过提高开关频率，可减小变压器和整流电路的尺寸。因为频率提高，可使功率半导体单位时间的开关次数增加。不过，为防止接近收音机AM广播的频率，过去一直采用70kHz频帯。最近由于抑制噪声的技术取得进步，采用了比原来高40kHz的110kHz频帯。

变压器的铁芯材料采用的是最新的铁氧体材料“PC95”。PC95的原料为Fe（铁）、Mn（锰）、Zn（锌）。Fe的混合比例等与原产品（“PC44”、“PC45”等）不同。原产品在有些温度下，会出现铁损增大、效率降低现象。最新的铁芯可在很大的温度范围内减小铁损。铁损以磁滞损耗为主，还包括涡流损耗。

与二次侧变压器相连的整流二极管采用了比上代热损耗低的产品。这样，整流二极管的封装面积比原来减小40％。

表DC-DC转换器的变压器铁芯材料铁氧体在铁损和成本方面占优势。混合动力车用DC-DC转换器上使用的变压器铁芯材料采用了铁氧体（表）。因为变压器中流过100kHz左右的高频电流，与其他材料相比，铁氧体的效率最高。

家电中使用的变压器的工作频率为50/60kHz左右，适于采用硅钢。非晶材料适合于频率高于100kHz的领域。（全文完，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】空调压缩机（七）：不断推进电动化三电（SANDEN）从1971年开始生产车载空调压缩机。如今已在欧洲、北美和亚洲拥有生产基地，掌握着全球25％的份额。

受全球环保规定和高燃效技术发展的影响，在汽车行业中，发动机的小型化和HEV（混合动力车）·EV（电动汽车）化的速度正在加快。

关于应对环保规定的办法，除了提高发动机效率、添设增压器来缩小发动机体积外，HEV还可尽量延长电机驱动时间，EV可在轻量化的同时配备高性能电池等。具体做法因汽车厂商而异。

备有3类压缩机

本公司的空调压缩机大致分为三类。

面向需要提高现有内燃机效率、实现小型化的汽车厂商，供应的是借助传统发动机皮带传动类型的压缩机。面向以发动机为主体、电机为辅的车辆（Mild-HEV）供应的是皮带传动和电机驱动兼顾的混合式压缩机。对于以电机为主体（Strong-HEV、EV）的车辆，则供应电动压缩机。（图1）。图1：空调压缩机的类型包括使用发动机驱动的类型，同时使用发动机和电机驱动的混合动力型，单纯使用电机驱动的类型3种。本公司的电动压缩机开发始于1986年。开发伊始虽然也经历过摸索阶段，但是在向推进车辆电动化的美国汽车厂商供货的过程中，产品化速度非常之快。1990年，电动车“EVS-10”在美国投入使用。当时就是本公司供应的电动压缩机，但产量还非常少，在成本、充电电池、基础设施的限制下未能普及。

当时的电动压缩机需要另配逆变器，成本昂贵，空间利用率也比较低。之后，本公司在电动压缩机与逆变器的一体化、压缩机构的高效化及小型轻量化等方面推进了开发。

对于2005年上市的本田“思域混合动力”车型，本公司以此前开发的电动压缩机为基础，又开发出了皮带传动与电机驱动兼顾的混合式压缩机（图2）。这种混合式压缩机能够在车内温度高、车速慢等空调负荷较高的情况下同时使用皮带传动和电机驱动，使制冷能力达到最大（图3）。

图2：本田2005年9月上市的“思域混合动力”（a）车辆。（b）混合式压缩机。同时支持发动机驱动与电机驱动。图3：混合式压缩机的驱动分为三种（a）发动机运转带动压缩机工作时。（b）空调专用电机运转带动压缩机工作时。（c）发动机用与电机用压缩机同时运转时。而在空调负荷较低时，则可以区别使用皮带传动和电机驱动，在车辆停止时单独使用电机驱动，以最低限度的制冷性能抑制车内温度的上升。

最新型电动压缩机

本公司2009年开始向德国戴姆勒（Daimler）的高级混合动力车“S400”供应电动压缩机（图4）。S400的要求非常高，面临低电压驱动等众多难题。但戴姆勒对我们此前的电动压缩机开发进程以及运动型高级车“SL”上使用的皮带传动型压缩机的性能及质量给予了高度评价，因而采用了我们的产品。图4：德国戴姆勒2009年6月上市的混合动力车“S400HYBRID”（a）机体，（b）发动机与电机部分。压缩机中的电机使用钕磁铁，虽然是8.2kW功率，使用转数范围为700～9000rpm的高功率配置，而额定电压仅为120V（图5）。图5：S400采用的电动压缩机（a）机体，（b）截面图。通常以低电压实现高功率需要大电流，这样就会导致逆变器周围的电子部件成本上升，体积增大。

而此次开发过程中，电机尺寸、成本、噪声均得到了控制，齿槽转矩等特性在设计时也进行了综合考虑。特别是冷媒压缩部分沿袭了传统的皮带传动型的可靠性，采用了使用低压低温侧冷媒冷却逆变器的方式。

随着车辆电动化的全面展开，空调的电动化正在加速。本公司在全球最先向车辆供应的涡旋式压缩机虽然具备效率高、静音性高、驱动转矩变化小等车辆厂商要求的高水准，但不适合改变排放容积，进行精密控制的需求。

此次，在对压缩机进行电动化后，压缩机转数无需与发动机转数挂钩，可以使用电机达到所需转数。从而实现了与排放容积可变型压缩机相同的高效率、静音性能优良等特点，而且能够实施精密控制。

今后的HEV和EV将不再只是汽车厂商的战略车和高级车，还会向中小型的普及车发展。今后的电动压缩机需要实现更高程度的高效化、小型轻量化及低成本化（图6，7）。图6：电动压缩机的发展现行的A型已向S400供应。B型除支持客户的CAN通信外，还减少了噪声的产生。新一代型通过实现对高输入电压的支持，缩小了机体体积。图7：电动压缩机的发展过程本公司于1986年开始开发电动空调压缩机。产品于上世纪90年代开始向“EVS-10”供应。之后，混合式产品于2004年投入量产，并向本田供应。今后，本公司计划对S400用型号进行小型及轻量化，向普及型混合动力车和电动汽车供应。而且，根据今后的环保规定，未来的HEV必须进一步削减CO2排放量。这就要缩短发动机驱动时间、延长电机驱动时间。电机驱动时间的延长必然会缩短内燃机的工作时间，减少车辆产生的热量（排热）。

由于无法再利用排热制暖，因此，对于HEV和EV而言，高效制暖则是重大课题。

制暖效率存在课题

比方说，有实验结果显示，如果现在EV的续航距离为160km，那么，在使用加热器制暖的情况下，续航距离将会减半到80km。也就是说，制冷、制暖会在很大程度上限制EV车辆的商品价值以及用户的使用环境。

这无论对于整车厂商、还是对于空调设备厂商，都是非常紧迫的问题。要想解决这一问题，电池容量的提升、车辆动力效率的提升、空调效率的提升、新机构的采用必须同时达到较高水平。

对于空调设备厂商而言，包括压缩机、冷凝器、蒸发器、加热器铁芯等热交换器的小型及高效化，降低HVAC空气侧的损耗在内，需要在现有产品基础上进行改进的方面还有很多。

未来以利用热泵为目标

高效制暖方法有一般家庭使用的热泵。虽然将其配备在车辆上就可以解决问题，但实施起来却并不简单。对于住宅与车辆，其外部气体热负荷、负荷变化、振动环境、空间效率等配置要求和使用环境不尽相同，在汽车上安装热泵非常困难。热泵系统的心脏部件——压缩机也必然置身于恶劣的使用环境中，还需要进一步改进。

除汽车设备业务外，本公司还通过独自的制冷制热技术，为自动售货机、商店、居住环境业务等多个领域开发出了相应的系统。

这些系统中广泛使用了热泵技术，除了与各种使用环境相对应，在简单的空调电路的基础上还采用了二级复合电路，加入了同时调节各个温度区域的技术。对于汽车，当务之急是对此类技术实施小型轻量化，开发廉价且环境耐受性优良的产品。（特约撰稿人：小野时人，三电开发本部全球开发统括室室长）【电动汽车拆解】制暖（八）：用电加热器代替发动机电动汽车（EV）的课题之一在于保证车内的制暖性能。发动机车能够利用发动机产生的热量使车内保持足够温暖。而EV没有发动机，因此制暖热源须有保证。三菱重工业为EV开发出了用电发热的加热器。已由三菱汽车EV“i-MiEV”制暖系统所采用。三菱汽车2009年7月上市的电动汽车“i-MiEV”采用了三菱重工业生产的电加热器作为空调的制暖热源（图1）。图1：三菱汽车的电动汽车“i-MiEV”和制暖系统（a）i-MiEV。制暖的热源采用了三菱重工为EV全新开发的加热器。（b）制暖系统。加热器配置在驾驶席和副驾驶席之间的地板下方。传统发动机车一直把发动机散热作为制暖热源。但电动汽车（EV）没有发动机，混合动力车（HEV）在发动机停转时车内也需保暖。而此次采用的电热式加热器因可用电取暖，是EV和HEV有效的制暖方式。

i-MiEV采用的加热器由可用电发热的PTC（PositiveTemperatureCoefficient）加热器元件、将加热器元件的热量传送至散热剂（冷却水）的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成（图2）。因要求加热器要有较高的制暖性，因此，电源使用的是驱动马达的锂离子充电电池（330V），而非铅充电电池（12V）。图2：加热器机身

内部有板状加热器元件。通过在元件两侧通入散热剂（冷却水）提高散热性。由于要制造的小型单元要使用330V高电压，用少量放热元件产生大量热量，因此，加热器需要丰富的设计和制造技术经验。

用PTC加热器将水加热

加热器元件采用了普通PTC元件。PTC元件夹在电极中间，具有电阻随元件温度改变的性质。

在低温区，电阻低，电流流通产生热量，随着温度升高，电阻逐渐增大，电流难以流通，发热量随之降低。PTC元件的特性据称符合汽车的制暖性能要求——具备在低温区的高制暖性能。

此次开发的加热器由四片平面状加热器元件横向排列组成。元件两侧有散热扇，散热剂能够在流动中接触散热扇，吸收加热器的热量（图3）。4片加热器元件面积各异，通过改变发热元件的数量和组合，可以分级切换制暖能力。图3：加热器截面图

机身上半部分有控制底板，下半部分有加热器元件等放热部分。散热剂利用散热扇加热。加热器元件为加载高电压，以绝缘材料裹覆。采用的绝缘材料有氧化铝材料和硅树脂材料两种。加热器元件的两侧先用氧化铝材料夹裹、再以硅材料夹覆。将加热器元件双重夹裹是为了提高拼接精度。因为内侧的氧化铝偏硬，所以多覆盖一层硅板能够提高与散热扇之间的密闭性，确保其散热性。现行产品使用2种绝缘体，计划2013年左右投放的第3代产品将使绝缘体的种类减少到1种。

加热器上有散热剂的入口和出口（图4）。散热剂经上方进入加热器元件之中。元件中的流路因采用了弯折结构，使散热剂的入口和出口得以设置在左右两端。如果散热剂通路不弯折，则入口和出口就必须在单元的左侧或右侧重叠配置，使加热器的尺寸加大。散热扇为铝合金制成。为了提高气密性，接合面在压铸成形后进行了切削。图4：加热器内的散热剂流路

散热剂从加热器元件的两面通入，能够实现高效放热。流路采用了散热剂入口和出口分别位于左右两侧的设计。此加热器属加热散热剂的类型。使用散热剂的一大原因是为了沿用现有发动机车的制暖系统。

沿用汽油车的制暖系统

发动机车的制暖系统由发动机、散热剂、加热芯和送风的鼓风机马达组成。吸收发动机的热量温度升高的散热剂在加热芯中受风，为车内制暖。由于i-MiEV是以发动机车“i”为原型设计的EV，因此，只要有散热剂式加热器和电动水泵就能够沿用i的机构。

如果是开发EV专用产品，也可以不使用散热剂，直接用鼓风机吹送经PTC加热器加热的暖风即可。

但如果这样，即便EV特有结构能够实现，对现有系统也需要进行多处变更，使可靠性验证进度拖延。因此，i-MiEV从利用现有系统、以可靠性为重的角度出发，采用了使用散热剂的加热器单元。

从制暖系统整体来看，发动机车辆与i-MiEV等EV的区别如下（图5）。首先是上面提到的热源由加热器取代了发动机。发动机车辆是依靠曲轴旋转带动散热剂循环，EV则需要新增电动泵。图5：制暖系统的区别（发动机车和EV）

（a）发动机车的制暖系统。热源和散热剂循环由发动机的驱动力带动。当加温后的散热剂通过加热芯时，鼓风机马达向加热芯送风，为车内取暖。（b）EV的制暖系统。因为没有发动机，所以热源为加热器，配备了带动散热剂循环的电动水泵。下一代、再下一代的加热器

此次实用化的加热器为宽180×长290×高100mm，重7.4kg。制暖能力5.0kW。如果加热器的技术发展规划把2009年7月实用化的产品视为第1代，则计划第2代和第3代将分别于2011年和2013年前后问世（图6）。图6：截至2013年的加热器发展蓝图

2009年应用于i-MiEV的是第1代。预定于2011年左右投放市场的第2代计划实现30％的小型及轻量化。预定于2013年上市的第3代将争取使体积和重量缩小到第1代的一半。第2代计划在沿袭第1代的基本结构和性能的基础上，实现小型化和轻量化。第1代为了最大限度考虑安全性，加热器尺寸较大。为防止散热剂漏进加热器及提高绝缘性预留了大量空间。第2代将通过优化这些空间缩小机身体积。

此外，目前加热器的ECU（电子控制单元）与空调系统整体是各自独立的。而计划从第2代开始，ECU将与加热器融为一体。通过这一改进，体积和重量预定减少到70％。

第2代还考虑提高制暖能力的设定精度。现在借助阶跃信号的开关总共能够实现8级性能切换，第2代还将加入对PWM（PulseWidthModulation：脉宽调制）控制的支持，使制暖性能的调节更为细致。

第3代产品则会通过缩小PTC元件与散热剂之间的热阻并减少散热剂与散热扇接触面积等方式，争取使体积和重量比第1代减少50％。

汽车厂商的努力

为EV配备多个加热器元件可以使其制暖能力提高到与发动机车相当。但是，为了尽量把电池容量留给行驶，汽车厂商在设计时对制暖耗电进行了抑制。

三菱汽车公布的i-MiEV的续航距离（10·15模式）为160km。以市区行驶速度（40～60km/h）为例，在某些条件下，使用制暖时的行驶距离要短于使用制冷时。制冷的电池消耗虽大，制暖的电池消耗更胜一筹。

汽车厂商正在着手开发能够以有限的制暖性能提高用户满意度的制暖技术。比方说，i-MiEV采用了手动式空调。用户按下“MAX”开关后，温控性能和风量会以最高设定运行（图7）。图7：利用手动空调降低温控功耗（i-MiEV）

汽车厂商为降低i-MiEV空调耗电、延长续航距离为其采用了手动空调。在三个开关中，最右侧是温度设定开关。手动按下“MAX键”后，温控性能和风量会以最高设定运行。目前，i-MiEV的制冷制暖系统各自独立。制冷依靠使用电动压缩机的系统，如果能够把该系统应用于制暖，则功耗较使用加热器就有望降低（图8）。在理论上，制冷循环逆转可以用于制暖。但在环境气温低的情况下，制暖性能会下降，无法满足在低温区具高制暖性能的汽车制暖性能要求。图8：空调的制冷系统（i-MiEV）

利用电动压缩机压缩冷媒并使其循环。行驶时，冷媒在冷凝器中受风冷却。而且，在冬天，当冷凝器（制暖时改为蒸发器）结霜时，制暖性能也难以发挥。这就需要考虑增加为冷凝器（制暖时为蒸发器）加温除霜的系统。

制暖原本在某些情况下需要比制冷更高的性能。例如，在冬天制暖行驶时，为防止车窗起雾一般会导入车外空气。汽车因要在行驶的同时向车外排放加热了的空气，此时制暖需要比制冷更高的性能。由此可见，将热泵系统用于汽车制暖仍然存在着诸多课题。（特约撰稿人：三菱重工业冷热业务本部汽车空调技术部首席技师中川信也）【电动汽车拆解】马达（九）：不使用电磁钢板的马达铁芯日立制作所为了提高马达效率，研制了定子铁芯使用非晶态金属来替换电磁钢板的试制品。非晶态金属芯的导磁率较高，可降低铁损，因此配合使用的磁铁可以不使用昂贵的钕磁铁，而使用便宜的铁氧体磁铁。马达的效率提高到了93％。表1将马达铁芯换成新材料以往马达的铁芯使用电磁钢板，而此次考虑换成新材料。使用了与电磁钢板相比导磁率高、铁损低的非晶态金属（非晶铁）。图1：日本国内不同用途的耗电量马达耗电量占5成。在环保等节能要求不断加强的情况下，需要提高马达的效率。日立制作所以提高马达效率为目的，开发出了新型马达铁芯材料。定子使用非晶态金属（非晶铁）而非通常的电磁钢板（结晶金属）（表1）。马达铁芯使用非晶态金属，这在业界还是首次。

日立的关联公司在输电变压器的铁芯上采用了非晶态金属。日立产机系统使用日立金属制造的非晶态金属铁芯制造了变压器。今后日立集团将从产业用马达入手，并考虑在车载马达上采用非晶态金属。

非晶态金属除了导磁率比电磁钢板高之外，还具有铁损低的特点。向非晶态金属施加磁场时，此前在内部为杂乱方向的磁通量的方向就会统一朝向某个方向，从而使导磁率得到提高。

原来的电磁钢板为结晶构造，即使施加磁场，磁通量也不会像非晶态金属那样统一为一个方向，所以导磁率较低。需要输出一定的转矩及功率时，导磁率越低就需要越多的电流，而导磁率高的话只需少量电流即可。

非晶态金属的铁损低是因为铁芯的厚度较薄。非晶态金属是把厚度0.025mm的薄片切割成事先定好的宽度加工而成。由于厚度较薄，因此产生的涡电流的路径较短。结合高导磁率这一优势，非晶态金属原本就流经的电流较少，再加上厚度较薄，可更好地抑制涡电流的产生。涡电流是由流经线圈的电流所决定的。图2：与以往电磁钢板相比的性能。（a）非晶态金属与电磁钢板相比，磁通量从低磁场区域开始上升，上升曲线平缓。由于磁通量关系到输出功率及扭矩，因此可使车辆的舒适性等得到提高。但非晶态金属由于饱和磁化值较低，因此磁通量密度的上升空间有限。（b）铁损可降至电磁钢板的10％。利用非晶态金属所具备的高导磁率和低铁损这两大特性，便可使马达效率超过原来的水平。

日立之所以要致力于提高马达效率，其原因之一是日本国内消耗的电力中马达所占的比例较高（图1）。

日本经济产业省资源厅2004年的调查显示，在日本国内的电力消费量中，马达的比例达到51％，远远高出第二位照明的17％和第三位加热器的13％。如果能够提高马达的效率，便可降低整体的电力消费量。还可满足全球性节能要求。

随着汽车向电动化发展，今后采用马达的部位趋于增多，比如电动油泵、电动助力方向盘、电动空调压缩机及电动制动器等。使用此次的技术，便可使用比原来更小的马达，降低马达的成本。

在电动车（EV）及混合动力车（HEV）领域，希望提高驱动马达效率的需求较大。如果是高效率的马达，便可降低耗电，小容量充电电池便可确保持续行驶距离。电池成本目前普遍在10万日元/kWh左右，公认占到车辆成本的一半。通过对马达进行改进，便可减少电池配备量，将车辆价格降至比现在更低的水平。

提高马达效率的另一原因在于，马达磁铁所使用的钕（Nd）等稀有金属的价格不断上涨。通过提高马达的效率，可实现不依赖于稀有金属，而以铁氧体磁铁等代替的马达。为此，马达厂商及汽车厂商都在大力开发不依赖于稀有金属的产品。图3：结合轴向型马达进行开发非晶态金属从其加工性考虑，适于在轴向型马达上使用。以往使用电磁钢板的马达铁芯被广泛用于径向型马达的构造。充分发挥非晶态金属的特点

此次开发的使用非晶态金属的马达，其设想的第一目标并非用于EV/HEV的驱动马达，而是电动泵等数100W级的辅助马达。表2马达构造的比较以往的径向型马达与此次的轴向型马达的构造比较。铁芯形状、线圈卷绕方法及磁铁种类等不同。非晶态金属的优点在于，与电磁钢板相比导磁率高，铁损只有1/10（理论值）（图2）。由于导磁率高，因此在提高磁场强度时，磁通密度就会增加。并且上升转折点流畅。这意味着线圈中流过少量电流时，就会有功率及转矩产生。由于能够细致地控制马达的运动，因此可提高车辆舒适性。图4：试制马达的构成部件（a）铁芯的制造方法。卷绕非晶态金属。（b）铁芯体。（c）在铁芯周围卷绕线圈。（d）通过配置多个铁芯形成定子部分。（e）安装铁氧体磁铁。（f）试制马达的外观。而另一方面，由于电磁钢板的导磁率低，所以不施加较大磁场的话，磁通量就不会上升。由于磁通量上升曲线陡峭，因此要产生流畅的功率及转矩，还是非晶态金属更胜一筹。

非晶态金属比电磁钢板硬5倍左右，很难进行冲压及切削等加工。在材料成本上，非晶态金属与电磁钢板相同。虽然此前也知道使用非晶态金属可提高马达效率，但最大的问题是加工效率太低，不能用于马达。

用于轴向间隙式马达

日立制作所断定，将非晶态金属用作定子铁芯时，适合的马达构造并非原来的径向游隙型，而是轴向游隙型（图3）。如果是轴向游隙型马达，定子马达铁芯的形状就会十分简单，不存在制约非晶态金属的加工性问题。

该公司试制的轴向游隙型马达采用由两片转子平行夹着定子的构造。其工作原理是：在线圈中流过电流，由此在各定子铁芯的轴方向上产生磁场，这时由粘贴在转子上的铁氧体磁铁和定子铁芯产生电磁感应，从而使转子旋转。

定子铁芯采用只将非晶态金属薄板卷起的简单构造。与径向游隙型相比，除了线圈缠绕更轻松之外，线圈缠绕面还较为平坦，可提高占积率（表2）。由于铁芯可缠绕制作，因此与电磁钢板不同，无需通过冲压进行冲孔加工，材料成品率与原来的40～50％相比，可提高至接近100％。

由于使用的是非晶态金属，因此铁芯的导磁率高，铁损低。磁铁可以使用廉价的铁氧体而非钕类等稀有金属。不过，非晶态金属存在饱和磁化值比电磁钢板低的制约，不适于驱动马达等数10kW的高功率产品。主要可用于电动油泵等数100W型的马达。图5：铁芯涡电流的抑制对策（a）由铁芯中涡电流导致的铁损的比较。通过在铁芯上加入切口来抑制涡电流。（b）铁芯的照片（加入切口前后）原来的径向游隙型马达将定子配置在圆状转子的周围。而且，在定子上卷绕线圈时线圈就会向马达外侧凸出，使马达的外周尺寸变大。图6：试制马达的性能与原来使用钕类磁铁的马达相比，试制马达虽然采用的是铁氧体磁铁，但效率却提高了约5％。目前整个效率已提高至93％。此次试制的轴向游隙型马达由定子铁芯、定子上巻绕的线圈及转子等构成（图4）。为了提高铁芯的占积率，非晶态金属是以填满空隙的方式卷绕的。作为涡电流对策，在卷绕非晶态金属形成铁芯后进行了浸入树脂处理，使金属层之间不易发生涡电流。另外，为了对定子进行固定，还在马达外壳内对定子铁芯进行了树脂浇注处理。

仅是以上做法涡电流对策仍不充分（图5），还会沿着缠绕非晶态金属的方向生产涡电流。作为对策，通过电火花加工对部分铁芯进行切割，加入了切口。从而大幅降低了马达在无负荷条件下由非晶态金属定子铁芯的过电流导致的铁损。

马达效率达到93％

马达额定输出功率约为150W时，以往马达的效率为80％左右，而此次试制马达最初就提高到了85％左右（图6）。通过改进马达铁芯的形状，试制马达的效率最近又进一步提高，成功达到了93％。

此次试制的马达，尺寸为直径100mm×高60mm。采用磁铁8极、铁芯12个的构造。额定转速为3000转/分，额定转矩为0.64N·m。

今后日立还将继续改进马达的材料和构造，推进有助于马达小型高效化的技术开发。（特约撰稿人：日立研究所马达技术创新中心主任研究员榎本裕治）电动汽车拆解：马达(十)--借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半(上)作者：小坂卓日期：2010-08-13关键字：马达线圈来源：日经BP日本名古屋工业大学开发出了采用辅助线圈提高输出功率密度的驱动用马达。通过改变在辅助线圈中流通的直流电的方向，可增强或者减弱永久磁铁的磁通。在马达转速较低时，借助“增强磁场”来提高输出功率。如果转速升高时，则可通过“减弱磁场”来降低反电动势及铁损，从而提高效率。名古屋工业大学面向EV(电动汽车)及HEV(混合动力车)用途，开发出了提高输出功率密度的驱动用马达(图1)。其特点是，为了提高输出功率密度，不像以往那样大量使用稀土类磁铁，而是采用了在定子一侧追加辅助线圈，借此补充稀土类磁铁的磁通的构造。在只有丰田于2005年推出的“雷克萨斯RX400h”驱动用马达的磁铁量一半的情况下，却获得了同等的输出功率密度。图1此次开发的驱动用马达的构造与以往的驱动用马达一样，在转子的外周侧配置定子。此次新增的一点是，以从左右夹持转子面的方式配置辅助线圈。驱动用马达的输出功率及扭矩与稀土类磁铁的量成比例。一般情况下，为了提高输出功率，大多是增加磁铁用量。然而，保证磁铁在高温下不退磁的添加剂Dy(镝)等稀土类元素大多依赖从中国进口，因此，除了有不能稳定供给的风险之外，价格也有上涨的可能。采用辅助线圈进行的尝试新开发的马达与以往的驱动用马达一样，由定子(主线圈)及转子构成。新增加的一点是，在马达内部追加了可增强或者减弱永久磁铁的磁通的辅助线圈(图2)。辅助线圈以夹持转子表面的方式进行配置。每台驱动用马达使用2个辅助线圈。虽然稀土类磁铁产生的磁通一直保持恒定，但通过追加辅助线圈，就能根据转速及扭矩，实现补充磁铁的磁通的“增强磁场”以及相反的“减弱磁场”(图3)。图2驱动用马达的试制机照片为1/3尺寸的试制机。通过仿真已确认，可以与现有混合动力车的驱动用马达相同的尺寸产生同等的输出功率。图3通过辅助线圈进行的磁场控制通过对辅助线圈中流通的电流进行控制，以实现增强磁场及减弱磁场。采用辅助线圈方式的提案，并不是第一次。美国威斯康辛(Wisconsin)大学的T.A.Lipo等人曾经发表过此类提案。威斯康辛大学的方式是，沿定子的圆周方向将辅助线圈配置在定子中。不过，转子及定子的铁芯不是硅钢板及软磁性复合材料(SMC)，而是采用了软铁块。由于是软铁块，因而具有磁通可在马达的轴方向上流通的优点，但由于时常会产生涡电流，因此效率较差。而名古屋工业大学在仿真的基础上，不仅成功地借助辅助线圈产生了接近于磁铁磁力3倍的磁通，还通过减弱磁场将磁铁磁力减小到了零(图4)。图4的纵轴表示辅助线圈产生的磁通的强度。纵轴0为辅助线圈中没有电流流通的状态，只有磁铁的磁通在其中流通。如果纵轴为100(%)，则是可借助辅助线圈产生与磁铁相同的磁通。纵轴为258%时，可产生磁铁的2.58倍的磁通。图4磁场控制的对比以(a)实际大小(仿真)、以及(b)1/3比例尺(仿真与实测值)测量了增强磁场及减弱磁场的数值。增强磁场的理想状态是，在较小的电流下数值增大。减弱磁场的理想状态是，可在较小的电流下使磁场减小到零(调整率为-100%)。同样，-100(%)表示可借助辅助线圈消除磁铁的磁力。横轴表示磁场。较小的电流便能使纵轴数值发生变化的话，则效率较高。为了确认仿真的数值，我们在1/3尺寸的马达上将试制品与仿真结果(3维FEM)进行了对比。其结果是，通过仿真及试制机在增强磁场及减弱磁场时都获得了同等的数值。马达的工作状态使得磁场发生变化采用增强磁场及减弱磁场两者中的哪一种，取决于驱动用马达的工作状态。具体而言，刚刚起动之后等转速较低时由于需要较大的扭矩，因此采用增强磁场(图5)。而在转速较高(高速巡航时)时，为了与转速以及磁铁的磁通成比例地降低定子产生的反电动势及铁损，则采用减弱磁场。此时如果能降低反电动势，则可提高效率。图5驱动用马达的转速及扭矩图在较低的转速下，通过增强磁场使其产生较高的扭矩。而在较高的转速下，通过改为减弱磁场，可降低反电动势及铁损，从而通过效率。通常，如果马达的转速到达某一特定的数值，扭矩会降低。因此，以往的马达采用了一些特别对策，例如：为了在转速较高的区段也能产生扭矩，追加升压器提高电压使其运行，或者在较高转速下减少线圈的数量等。而且，虽然已知反电动势与磁铁的磁通成比例增减，但由于此前不能将反电动势完全减小到零，因此，效率的提高存在极限。电动汽车拆解：马达(十)--借助辅助线圈控制磁场，稀土类磁铁减少一半(下)作者：小坂卓日期：2010-08-16来源：日经BP增强磁场及减弱磁场付诸实现在此次开发的马达中，辅助线圈起到增强磁场及减弱磁场的两种作用(图6)。在减弱磁场时，可通过施加与磁铁磁力相反方向的磁通，使磁铁的磁通减小到零。其结果是，可降低(包括降低到零)施加在定子上的反电动势，并可将定子的电流高效率地转换为驱动力。图6磁通流的变化。(a)辅助线圈中没有直流电流通时的磁通流(转子的永久磁铁所产生的)。(b)在辅助线圈中通入直流电，增加了增强磁场的磁通时。(c)在辅助线圈中与(b)逆向通入电流，增加了减弱磁场的磁通时。通过马达的磁通，与以往驱动用马达的磁通不同。具体而言，此前的驱动用马达在转子与定子之间，磁通沿着2维方向通过。而此次的马达在转子与定子间产生3维(包括马达旋转轴的方向)的磁通。以往的EV及HEV所采用的转子及定子，为硅钢板堆叠而成的构造。虽然在硅钢板堆叠的方向(马达的轴方向)上磁通不容易通过，但在薄板内磁通容易通过。因此，以往是以2维的磁通为前提来设计马达的。而此次开发的马达由于采用了磁通可3维通过的构造，因此，在马达的厚度方向上磁通也能通过。磁通2维通过的部位像以前一样由硅钢板堆叠而成，而磁通沿马达的轴方向通过的部位则换成了SMC(软磁性复合材料)。SMC是对铁粉等具有磁性的粒子表面进行绝缘皮膜处理而成的。虽然在所有方向上允许磁通通过，但由于进行了绝缘处理，因而具有涡电流损失较少的优点。允许磁通3维通过的铁芯与已有的驱动用马达相比，此次马达的构造在转子及定子的构造、永久磁铁的配置、铁芯的配置及材料、辅助线圈的使用这些方面有所不同。转子与永久磁铁采用的是由2枚转子夹持圆盘状永久磁铁的构造。虽然转子是由硅钢板堆叠而成的，但采用了转子的轴附近配置SMC、从而使磁通可沿轴方向通过的构造。由于2枚转子的相位相互交错重叠在一起，因此，转子产生的磁铁磁通成为贯穿作为定子的主线圈的交链磁通。如果一次线圈的磁通发生变化、则二次线圈上就会产生电压，交链磁通符合电磁感应原理。一次线圈为磁铁及辅助线圈，二次线圈相当于主线圈。假如2枚转子不错开相位而重合在一起，那么，由于转子产生的磁铁磁通与作为定子的主线圈的磁通不交差，因此，两者的磁通不会成为交链磁通。即使改变一次线圈的磁通，如果一次线圈的磁通不贯穿二次线圈的话，那么二次线圈的电压仍不会发生变化。辅助线圈以从左右夹持转子的方式，配置在主线圈端部的内侧。在新开发的马达中，定子(主线圈)中流通的电流像以前一样为3相交流电，但辅助线圈中流通的电流为直流电。可根据马达的转速及扭矩的数值，改变辅助线圈中流通的直流电的方向。通过改变辅助线圈的电流方向，即可增强磁铁的磁通、或者消除磁铁的磁通。辅助线圈被SMC的铁芯覆盖，磁通在辅助线圈的铁芯中通过。磁铁的磁通有两种此次开发的马达设想用于辅助线圈中一直有电流流通的用途。不过，即使辅助线圈中没有电流流通时，被2枚转子夹持的永久磁铁仍会产生磁通。永久磁铁的一个面为N极，相反的面为S极。其结果是，靠近永久磁铁的N极面的转子整体成为N极，靠近永久磁铁的S极的转子整体成为S极。从嵌入转子的磁铁的N极流向S极的磁通有两种。一种是(1)按N极的转子→定子(主线圈)→S极的转子这个顺序流通的磁通。这种磁通成为与主线圈交差的“交链磁通”，因此，是做功的磁通。另一种是(2)按磁铁的N极→N极侧辅助线圈的铁芯→定子的外侧铁芯→S极侧辅助线圈的铁芯→磁铁的S极这个顺序流通的磁通。第(2)种磁通不与主线圈产生交链，因此，是不做功的磁通。当需要增强磁场时，向辅助线圈中通入电流，以使第(1)种磁通流中从转子流向定子的磁通、以及从定子流向转子的磁通增加。需要减弱磁场时，向辅助线圈中通入电流，以消除磁铁的磁通。在此次仿真过程中，实现了与2005年推出的雷克萨斯RX400h上配备的驱动用马达相同的尺寸、以及相同的输出功率密度(最高输出功率为123kW、输出功率密度为3.4kW/kg)。另外，我们还制作了真机的1/3试制机。在试制机上，将转子与定子之间的空间(Gap)设为0.3mm，将转子与辅助线圈之间的空间设为0.5mm。虽然转子与辅助线圈之间的空间通过计算为0.2mm，但考虑到安装误差等，我们将其扩大到0.5mm后进行了组装。与RX400h的驱动用马达相比，仿真时实现了同等的输出功率密度(表)。本研究项目是在日本NEDO(新能源产业技术综合开发机构)的委托业务“新一代汽车用高性能蓄电系统技术开发”的支持下实施的。电动汽车拆解：马达(十一)--通过切换马达线圈，在大转速范围内保持输出功率作者：山田健二日期：2010-06-11来源：日经BP安川电机开发出了供EV(电动汽车)及HEV(混合动力车)使用的“QMETDrive”马达驱动系统，并实现了实用化(图1)。该系统的特点是采用了称为“QMET”(QualifiedMagneto-ElectoronicTransmission)的技术，该技术可根据马达的转速来切换电流流经的线圈，从而使马达一直保持90%以上的效率。图1：驱动马达系统“QMETDrive”采用通过半导体开关来切换驱动马达线圈的“QMET”技术。(a)驱动马达、(b)逆变器。原来的马达在运转范围内存在某一扭矩和速度(转速)下效率达到最高值的点，偏离该点，效率就会逐渐下降。采用低转速下获得高效率的设计时，就会出现在高转速下效率显著下降的问题(图2)。图2：马达效率分布效率高的点在低转速范围和高转速范围中有所不同。(a)通过切换线圈的数量，可大范围确保效率高的点。(b)线圈切换马达的效率分布示例。而切换线圈的马达在高转速下也可保持高效率。这样，EV及HEV便可在控制所配充电电池容量的同时，确保持续行驶距离。新开发的驱动马达系统在马自达2009年开始租售的串联HEV“普利马氢转子发动机混合动力车(PremacyHydrogenREHybrid)”上首次被采用。安川电机运用QMET技术，在2010年开发出了输出功率不同的3种EV通用马达。在串联HEV上采用马自达普利马氢转子发动机混合动力车是一款串联HEV。串联HEV虽然配备有发动机，但并非将发动机直接用作驱动力，而是被用于使发电机旋转产生电力。HEV起动时发动机停止工作，仅凭马达来驱动。行驶时电池停止向马达供电，通过发动机的旋转，凭借发电机生产的电力来驱动马达。另一方面，在坡道及超车等需要使用大功率进行加速时，发动机就会起动，通过电池和发电机同时提供电力来驱动马达。而减速时，马达就起到发电机的作用。马自达采用的驱动马达系统“QMETDrive”由支持线圈切换的驱动马达、逆变器及电子式线圈切换电路(开关)构成。驱动马达在内侧配备了嵌入磁铁的转子，在外侧则配备带线圈的定子。EV及HEV使用的驱动马达要求在低转速下实现高扭矩以及大额定功率，但问题是很难在整个转速范围内都保持高效率。而安川电机开发的马达在低转速时使用整个线圈，在高转速时只使用约半个线圈，通过切换线圈，同时具有低速和高速时的马达特性，从而可保持高效率。马达的开发背景在于驱动马达存在的课题。驱动马达一般通过向线圈施加逆变器的电压，使电流流过线圈，由此来旋转转子。但这时线圈上会与转速成比例地产生反电动势。在高转速范围内，只能施加从逆变器电压中扣除反电动势后的电压，不让电流流过线圈。由于扭矩与电流成比例，因此电流少的话，扭矩就会变小，进而在某一转速下变成零，这样马达转速就无法超过某个水平。EV及HEV需要在低转速到高转速的范围内输出扭矩，因此需要采取相应的对策。为了解决这一课题，各公司以有别于向线圈输出扭矩的目的，在不同于扭矩输出用电流的相位上流过电流。也就是施加用以消除反电动势的“弱励磁”(图3)。虽然凭借弱励磁可在某一程度的转速范围内输出扭矩，但这样仍不足以支持EV及HEV所需要的大转速范围。于是，安川电机导入了根据转速来切换线圈的QMET驱动技术(图4、5)。当驱动马达的转速达到指定数值时，就会切换马达线圈，使反电动势降低。这时，在高转速下也无需弱励磁，从而保持高效率。图3：抑制线圈产生的反电动势高转速时，为抑制线圈产生的反电动势，施加弱励磁。此外还采用了线圈切换及升压变频器等手段。图4：驱动马达线圈的构成使用低转速用和高转速用两种线圈。低转速时使用整个线圈，而高转速时减少线圈。图5：线圈切换系统由切换线圈的半导体开关、逆变器及驱动马达构成。半导体开关有低转速时使用的开关1(SW1)和高转速时使用的开关2(SW2)，根据转速决定打开哪一个。一般而言，为了克服线圈上产生的反电动势，大多在电池与逆变器之间使用升压变频器。即使线圈发生超过逆变器电压的反电动势，通过利用升压变频器提高逆变器的直流电压，可由逆变器施加克服马达反电动势的电压。抑制反电动势但是，使用升压变频器时，除了需要提高逆变器中所配的功率半导体的耐压值之外，升压电路中的功率半导体及电抗器还会产生损失，从而使效率下降。以前的方法是即便效率略有所下降仍使用升压变频器。QMET驱动技术可通过切换线圈降低马达电压，因此无需提高逆变器所配功率半导体的耐压值，只需考虑线圈切换开关中的功率半导体的导通损失，即可防止效率大幅下降。安川电机以前一直在机床主轴马达驱动等产业用途中，使用带线圈切换功能的马达驱动技术。为了使该技术适用于EV及HEV，此次将机械式开关换成了半导体(IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor)开关。在切换时间上，将产业用途需要的数百ms缩短到了近于零秒(图6)。图6：抑制线圈切换时的不适感线圈切换前(低速)和后(高速)的马达转速变化。由于转速变化小，因此不会给用户带来不适感。QMET驱动技术使得用户感觉不到切换线圈的动作，从低速到高速、从高速到低速均可顺利切换，即使在实际的车辆上，也不易察觉到线圈的切换动作。至于线圈切换存在的课题，则是电力电缆数量的增加以及随之而来的重量增加及布线复杂化。要想解决这些课题，需要将线圈切换开关内置到马达中，像操纵普通三相马达一样实现线圈切换。为了将半导体开关内置到马达中，除了在结构上下工夫，消除马达线圈的热量对半导体元件的影响之外，还提高了抗振动性。三种通用马达的最高输出功率分别为47kW、60kW、120kW。通过提供三种功率不同的马达，可满足多种车型的需要。磁铁非对称配置为了提高驱动马达的效率，安川电机对磁铁的形状和配置下了一番工夫(图7)。安川电机将永久磁铁设计成了呈V字形配置的非对称设计，而非左右对称设置，提高了某一个方向的效率。图7：驱动马达转子中嵌入的永久磁铁的配置永久磁铁呈V字形嵌入。通常为左右对称(上)嵌入，而此次通过非对称(下)嵌入提高了效率。这样做的理由是车辆上的驱动马达在旋转时分为前进(正转)和后退(反转)两种状态，两者相比，前进占大部分使用频率，所以前进时的高效率更受重视。嵌入的磁铁，其转子和定子之间存在因磁铁磁通量而相互吸引的磁铁扭矩，以及转子芯与定子芯之间产生的磁阻扭矩。通过改变嵌入磁铁的形状，便可错开这些扭矩的相位。通过将磁铁扭矩和磁阻扭矩的和、即合成扭矩设定到比对称配置更大的水平，在产生相同扭矩时，便可减小流经线圈的电流。也就是说，尽管程度有限，但通过改变磁铁配置位置能够提高效率(图8)。图8：流经驱动马达的电流扭矩固定时正转(前进时)和反转(后通时)的电流值比较。通过非对称嵌入磁铁，正转时(加速或减速均)只需投入比反转时少的电流。不断进化的充电电池和充电技术，EV之外再创新市场（上）关键词：

·快速充电电池及非接触充电技术进步显著

·这些技术将不仅只是推动电动汽车（EV）的普及

·还将开创出充电电池的多种新市场，并给电力基础设施带来影响

快速充电和非接触充电技术的进步可能会大大改变包括产业设备及电动汽车在内的产品设计，并开创出新的市场（图1）。可快速充电的锂离子充电电池在电动汽车等领域推进，或将推动非接触充电的引用。图1：快速充电与非接触充电的结合将会使市场扩大

采用快速充电电池的电动工具市场在迅速成长。产业设备及电动汽车使用电线的充电方式较为麻烦，与非接触充电相结合是扩大市场的关键。具体而言，无人搬运机、产业机器人等产业设备，和新一代有轨电车、巴士和商用车辆等在固定线路运营的电动汽车等将对非接触充电的应用起到推动作用。这是由其充电安全性的提高和方便省事的优点所决定的。

共振方式备受期待

目前，可为电动汽车等充电的大功率非接触充电技术的开发比以往任何时候都兴盛。其中，共振方式的非接触充电技术引起极大关注。美国麻省理工学院（MIT）于2007年6月，美国英特尔于2008年8月发表了利用磁场耦合共振的技术，成为热门话题，至今仍令人记忆犹新。尽管传输效率只有40％左右，但使用该技术有望对行驶中的汽车充电，其相关研发日趋活跃。

新共振方式的非接触充电也已亮相。这就是竹中工务店开发中的利用电场耦合共振的技术（图2）。该技术虽然需使送电端与受电端紧贴，但在水平方向错位的状态下也可供电，优点是不会发生像现在已应用的电磁感应式的非接触充电图2：以电场耦合方式供电

竹中工务店正在开发利用电场耦合原理的供电系统（a）。使用串联谐振的供电系统成功地以90％的效率向白炽灯泡供应了100W电力。技术那样，当异物侵入时会产生过热、以及电磁波、高频波的泄漏等问题。而且，与电磁感应方式不同，共振方式不使用铁氧体及利磁线圈，因此可降低设备的重量及成本。另外，只需扩大接触面积即可为大功率电器供电，这也是其优点。

竹中工务店技术研究所尖端技术研究所材料工程部门主任研究员原川健一表示，“未来可望在工厂、办公室及公寓的墙壁及地板中嵌入可非接触充电的功能”。目前设想的用途是与直流供电系统相结合，以实现对产业机器人、建筑机械、医疗器械及家电产品等供电。并且，还将力争实现停车时由地板伸出臂杆与车身接触进行快速充电的电动汽车充电系统。

竹中工务店正在开发的使用电场耦合共振的供电系统，分为串联谐振和并联谐振两种方式。两者各具所长：串联谐振方式的构造较为简单，并联谐振方式即使施加电压降低也可高效送电。两者的传输效率目标值均为95％。

关于串联谐振，已经实施了向白炽灯泡传输100W电力的试验（图2（b））。目前的传输效率为90％。频率约为600kHz，接触部分的绝缘膜为300μm。为了令一次侧和二次侧紧贴，在二次侧的接触部分粘贴了导电性硅片。串联谐振的优点在于，不仅电路构成简单，而且在结电容发生变化时，可用改变驱动频率的方法应对。只是该方式有施加电压会增高的倾向。

另一方面，并联谐振据悉尚处在由反复进行模拟研究的试制阶段。并联谐振的优点在于，即使结电容降低也可高效送电，即使输出功率高时，也可将施加电压抑制在较低水平。但该方式存在电路构成复杂的课题。竹中工务店表示，“目标是希望2012年前后实现实用化”（原川）。

快速充电在电动工具领域大获成功

非接触充电技术虽大有兴起之势，但其应用的前期阶段是快速充电锂离子电池的采用。实际上，已有产品通过采用快速充电锂离子电池提高了易用性，从而扩大了销售额的事例。这就是电动工具。

电动工具对锂离子充电电池的采用始于2004～2005年，近几年飞速扩大。电动工具大厂商之一牧田（MAKITA）表示，电动工具用锂离子充电电池组的全球供货量在迅速增加，2005年第一季度仅为100万单元，2006年第一季度即增至400万单元，2007年第一季度增至900万单元，2008年第一季度更进一步增至1300万单元。

牧田开发技术本部技术管理部开发企划课系长后藤宗利坦言“我们曾对将镍氢充电电池换成锂离子充电电池是否真的能赢得市场半信半疑”。市场需求迅速扩大的主要原因在于，锂离子充电电池既有重量轻又有与插电式几乎相同的输出功率特性的优点，再加上最快15分钟即可充满电的快速充电功能（图3）。图3：可15分钟快速充电的牧田电动工具

牧田上市了15分钟即可充满电的电动工具（a，b）。通过采用锂离子充电电池，可大大缩短原来使用镍氢充电电池及镍镉电池的电动工具需时数十分钟的充电时间（c）。以前美国消费者认为电动工具的机身和电池组越重越大，驱动时间就越长，机器就越坚固。而使用锂离子电池的电动工具的面世，使“这一认识发生了重大变化”（后藤）。这是由于，锂离子电池即使重量轻也能够以满功率长时间驱动，而且电池电量用完后还可迅速充电。“除了低价位产品还能畅销的新兴市场国家之外，其他市场基本上都会转向锂离子充电电池的电动工具”（后藤）。事实上，该公司采用锂离子充电电池的电动工具销售额已是连年倍增。

充电基础设施的建设出现热潮

与电动工具一样，充电时间短还有望成为电动汽车普及的重要武器。电动汽车的弱点之一就在于一次充电的持续行驶距离较短。如果与快速充电结合，这一弱点便可得以减轻。也许是受这一因素的推动，电动汽车充电基础设施的建设最近在各国活跃起来。

比如，美国BetterPlace公司正积极准备在以色列、丹麦、