稀奇鸣谢：日立汽车系统有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)供应素材
序 言
为了提高燃油效率并遵守排放律例，日立汽车系统有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)正在斥地更小、更轻、功率密度更高的电传动系统。
该公司经由供应逆变器、电念头和电池产物，以及集成这些产物的手艺解决方案，为汽车的环保机能做出进献。
尽管历久用于车辆动力传动系的内燃机一向在络续成长，但自本世纪初以来，跟着全球局限内环保型二氧化碳减排行动的推广，仅传统内燃机车辆就可达到的律例顺从性限制估计将在2020年到2025年光降。
是以，夹杂动力电动汽车（HEV）和电动汽车（EV）作为环保型替代品的引进有望在全球局限内增进。
自上世纪90年月以来，日立汽车系统有限公司一向在为这些电动汽车斥地和供给电力传动系统，并持续斥地手艺和提高机能，以等候将来环保汽车的普及。
这篇文章商议了应用在电动汽车电控、电机和电池上的电力组件手艺，以及他们的集成手艺。
逆变器小型化手艺
逆变器采用脉宽调制(PWM)掌握，将保留在电池中的直流电(DC)转换为交流电(AC)，当车辆需要驱动时由电池将电能输出给驱动电机，当需要功率再生时进行能量再生把持为电池充电。
因为车辆上的可行使空间是十分有效的，更小型的逆变器的要求络续被车企提出。为逆变器斥地高功率密度的电路板成为一项持续络续的工作。
与此同时，高机能的逆变器掌握手艺也被用来进行扭矩掌握、电机转速掌握、能量收受掌握，同时按照ISO26262尺度要求进行包罗非常检测、故障诊断和指定的功能平安办法。
为了实现这些机载应用的需求，需要在高压主电路和高机能掌握电路方面进行立异，并改善构造设计手艺，以便将这些组件封装在一个紧凑的PACK中，同时使机载应用可以持久地抗击汽车的振动和发生的热量。
高功率密度和高压主电路
对450V级其余电池来说，混动和纯电动汽车的逆变器的大部门体积来自于高压主电路，所以改善主电路组件部门是减小逆变器尺寸的要害。
日立汽车系统(Hitachi Automotive Systems)经由斥地双面冷却电源模块手艺，实现了逆变器尺寸的大幅缩小。该手艺使用不含热油脂的冷却水，使逆变器发生大部门热量的高压电源模块可以直接冷却(见图1)。
图 1 - 双面冷却功率模块
该构造可以直接用冷却水对功率半导体进行双面冷却，降低热阻，提高功率密度。
直接双面冷却构造大大降低了热阻，使电流和功率密度更高。
该双侧冷却电源模块的电流输出也能够经由改变所安装的芯片和部门封装组件进行缩放，以适应分歧的车辆重量品级。
该模块的二合一构造使设计加倍紧凑，主电路电感可降低，削减发电损耗，设置包管了逆变器PACK内结构必然水平的自由度。
高机能的掌握电路
车载逆变器需要高机能的矢量掌握把持，使用可变电压、电流和工作频率的要求，实现电动汽车的启动、加快/减速和住手的根基把持。
这些逆变器还需要使用掌握器区域收集(CAN)或FlexRay支撑大容量、高速通信、非常检测、扭矩平安、故障诊断和功能平安等功能。
为知足这些需求，日立斥地了高机能电机掌握电路手艺，内置高机能中央处理器（CPU）和紧凑型功能电路。
以及响应来自掌握电路的驱动旌旗以把持主电路电源模块的栅极掌握电路。
它们需要以充沛高的速度和电流运行，以跟上电力设备的最新机能成长趋势，同时确保平安靠得住运行。
为了知足这些需求，日立公司斥地了一种由高机能集成电路（IC）驱动的紧凑型门控电路。
紧凑、高靠得住性的集成构造
上述手艺已应用于日立斥地并应用于产物的紧凑、高度靠得住的集成构造中。
在知足车载安装要求的同时，具有较高的靠得住性和经久性。
图2所示的示例产物与之前的日立汽车系统产物比拟，尺寸减小了40%，产量更高。
图 2 - 高功率密度逆变器
同时，该产物还斥地了一种效率最高为94%的高效DC/DC变换器。
跟着下一代低损耗SiC功率元件的使用，功率模块和驱动系统的络续成长应削减逆变器的尺寸，并增加电动汽车的行驶里程，鞭策将来几年电动汽车数量的增进。
它供应了车载逆变器所需的功能，而紧凑、高靠得住性的封装将尺寸缩小40%，并增加了与以前的日立汽车系统产物比拟的输出。
高效电机手艺
尺度电机背后的概念是经由设计适合各类分歧类型电动汽车（HEV、EV、PHEV）以及分歧尺寸的电机尺度，来削减斥地工作量，并尺度化部件、生产设备和制造实践。同时还供应小尺寸、轻重量、高输出、高效率、恬静运行和低振动等功能。
斥地方式是在提高斥地效率的同时，斥地一种低成本的电机。针对分歧主机厂的分歧接口尺寸，许可在分歧类型的车辆上以尺度化的体式设计车辆结构，知足普遍输出要求的输出特征，适合分歧类型电动车辆特征以及一系列模型变量。
尺度电机定子绕组法
为使尺度电机定子绕组尺寸小、转矩密度高，选用方丝波绕组。与曩昔使用的带圆线的分布式绕组比拟，带方线的绕组在空间系数（导体截面/槽截面）上提高了约20%，在电机输出转矩密度（输出转矩/（定子铁心直径）²×定子铁心长度）上提高了约15%。经由改变线圈直线段的长度，波绕组分段线圈能够天真地适应定子叠层长度的转变。
电机外径尺寸的选择
为了使用波绕法建立与分歧尺寸的车辆和各类分歧类型的电动车辆（如HEV、EV和PHEV）兼容的电机规格，日立汽车系统设计了4个分歧外径的定子，每个定子槽具有分歧数量的线圈。
图 3 - 每个定子设计中每个槽的线圈外径和数量
图3显露了每个设计的定子外径和每个槽的线圈数。
尺度设计每个槽有4个线圈，定子外径为φ200 mm。
经由连结定子内径不变，改变各槽中的定子外径和线圈数，设计出了与各类电机特征相适应的设计方案。
以129.5 mm定子内径作为最小外径（185 mm）的尺度，在批量生产直径为φ200 mm、φ215 mm和φ230 mm的定子时，能够经由在芯内径侧使用2线圈夹具来共享设备。
这四种定子设计能够在统一台设备上生产。它们支撑各类输出特征和电机外径，从加长的圆柱形EV电机到扁平型HEV电机（见图4）。
图 4 - 外径为Φ200 mm、Φ215 mm、Φ230 mm定子的扭矩输出特征
按照上述所述的设计进行设置，能够实现可变的外径，使用波形绕组能够实现可变的定子叠层长度，从而能够使用沟通的生产设备支撑各类电动车辆的电机规格要求。
改变定子的外径和叠层长度，能够与各类电机特征兼容。
新一代锂离子电池组
电动汽车市场展望与倡议
作为一种提高燃油经济性的手艺，轻度夹杂动力系统比来一向吸引着人们的乐趣。这些系统使用汽油动员机作为行驶辅助，以及电池和马达动力。
估计全球轻度夹杂动力汽车产量将从2016年的约45万辆增进到2023年的逾1280万辆。
欧洲和中国的轻夹杂动力系统估计将稀奇快速增进，这是由48伏锂离子电池驱动的，能够相对廉价地提高燃料消费效率。
日立汽车系统（Hitachi Automotive Systems）在2016年3月公布斥地一款适用于轻度夹杂动力汽车的48 V锂离子电池组，以应对这些趋势。斥地工作将把夹杂动力汽车的锂离子电池制造手艺和电池治理系统（BMS）手艺连系起来。
轻型夹杂动力汽车用48V锂离子电池组的研制
锂离子电池经由锂离子在电极材料上的活动来进行充放电。到今朝为止，电池的输出密度一样是经由减小电极膜厚度来减小电阻来提高的。
然则，跟着输出密度的增加，存储能量的削减是一个问题。新的锂离子电池组改善了微米级的电池电极构造，缔造了一种更轻易使锂离子举止的构造。这种构造在不降低膜厚、增加输出密度的情形下降低了电阻。
正负电极的材料构成也获得了改善，经由增加每单元单子重量可保留的锂的数量，增加了能量密度。与以前的产物比拟，这些手艺增加了25%的输出密度和50%的能量密度。
经由降低电池内部的发烧和电阻，以及在锂离子电池组外壳中使器具有高导热和散热机能的金属，消弭了对冷却电扇的需求。这些提高提高了噪音，使设计更薄，安装更自由（见图5）。
图 5 - 48 V 轻夹杂动力汽车用锂离子电池组
输出密度的提高使电机加快辅助时代的扭矩特征更好，最大输出功率为12千瓦，从静止加快时可获得壮大的机能。
最大输入功率也能够达到15千瓦，使大量的再生能量在倏忽减速时能立刻恢复，并削减能量损失。更好的输入/输出特征和更高的能量密度的连系有助于提高燃油经济性（见表1）。
日立汽车系统公司的锂离子电池也具有卓越的耐用性、低情况影响和平安性。经由与日立建筑机械有限公司的结合斥地项目，这些功能正在斥地和发布ZH200-6夹杂液压挖掘机的锂离子电池模块。
斥地的电池组首要由电池模块、BMS和接线盒构成。
表1 - 轻型夹杂动力汽车用48V锂离子电池组首要手艺前提
电力传动系统仿真手艺
电动动力总成部件的要害问题是若何零丁或与最终使用的其他部件组合达到所需机能。车辆是很多分歧产物的鸠合，仅经由局部优化不太或者实现高机能。
日立汽车系统（Hitachi Automotive Systems）正行使模拟驱动剖析来研究适合这些电动动力总成部件特定组合的产物规格和掌握手艺。
能量/nv耦合模拟器
除了电力起原外，电动动力总成系统也是机电产物，在系统内发生扭矩，包含扭转转子和雷同部件的区域。
优化这些系统需要剖析和验证，包罗功率机能和系统安装在车辆上时发生的噪声振动（机电问题）。
即使是具有高功率机能的车辆，若是它们发生高噪声水平，在市场上也弗成行。
日立汽车系统公司斥地了一种能源/NV耦合系统模拟器，使其可以在斥地过程中验证电动动力总成部件的机能，并评估NV在原型建造之进步行需要的设计改善。
旧的模拟方式平日离别剖析能量和nv，当这些参数耦合到机电产物中时，必需建立一个原型来评估发生的振动、噪声和热量。
是以，有时需要对设计进行重大点窜。使用耦合模拟器能够在原型建造之前提前研究振动、噪音和热量，以便在那时进行改善。
该模拟器使产物阶段验证和机能包管加倍靠得住（见图6）。
图 6 - 能量/nv耦合模拟器
该模拟器剖析了从电池流向逆变器和电机的能量，并对该能量在完全耦合状况下发生的机械现象（噪声、振动和热）进行了模拟剖析，以反馈给产物设计。
结论
本文商议了电动汽车顶用作电动动力总成部件的逆变器、电机和蓄电池，以及剖析这些部件组合的仿真手艺。
电动动力总成部件经由电力电子和微处理器的改善而获得了成长，并将跟着汽车动力装配的成长而络续成长。
日立正致力于斥地可以知足络续扩大的与情况兼容的汽车市场需求的产物，以匡助珍爱情况。
