電動(dòng)汽車技術(shù)拆解完整版

目錄TOC\o"1-1"\h\u8730【電動(dòng)汽車拆解】PCU（一）：采用雙面冷卻構(gòu)造實(shí)現(xiàn)小型化 1383【電動(dòng)汽車拆解】PCU（二）：實(shí)現(xiàn)了與鉛蓄電池相當(dāng)?shù)某叽?58286【電動(dòng)汽車拆解】PCU（三）：使半導(dǎo)體與冷卻板緊密貼合 719564【電動(dòng)汽車拆解】DC-DC轉(zhuǎn)換器（四）：提高電壓轉(zhuǎn)換效率 1015983【電動(dòng)汽車拆解】DC-DC轉(zhuǎn)換器（五）：保留鉛蓄電池 1315124【電動(dòng)汽車拆解】DC-DC轉(zhuǎn)換器（六）：DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能 1628044【電動(dòng)汽車拆解】空調(diào)壓縮機(jī)（七）：不斷推進(jìn)電動(dòng)化 1815260【電動(dòng)汽車拆解】制暖（八）：用電加熱器代替發(fā)動(dòng)機(jī) 2417652【電動(dòng)汽車拆解】馬達(dá)（九）：不使用電磁鋼板的馬達(dá)鐵芯 328838電動(dòng)汽車拆解：馬達(dá)(十)--借助輔助線圈控制磁場(chǎng)，稀土類磁鐵減少一半(上) 4024689采用輔助線圈進(jìn)行的嘗試 416266馬達(dá)的工作狀態(tài)使得磁場(chǎng)發(fā)生變化 4331216電動(dòng)汽車拆解：馬達(dá)(十)--借助輔助線圈控制磁場(chǎng)，稀土類磁鐵減少一半(下) 4423567允許磁通3維通過(guò)的鐵芯 4530874磁鐵的磁通有兩種 465875電動(dòng)汽車拆解：馬達(dá)(十一)--通過(guò)切換馬達(dá)線圈，在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持輸出功率 4727114在串聯(lián)HEV上采用 492348抑制反電動(dòng)勢(shì) 5215456不斷進(jìn)化的充電電池和充電技術(shù)，EV之外再創(chuàng)新市場(chǎng)（上） 559097不斷進(jìn)化的充電電池和充電技術(shù)，EV之外再創(chuàng)新市場(chǎng)（下） 60【電動(dòng)汽車拆解】PCU（一）：采用雙面冷卻構(gòu)造實(shí)現(xiàn)小型化圖1：混合動(dòng)力車的系統(tǒng)構(gòu)成（雷克薩斯LS600h）由充電電池（鎳氫）、PCU（功率控制單元）、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。PCU具有升降壓轉(zhuǎn)換器和逆變器功能。電裝已開(kāi)始向豐田汽車的部分混合動(dòng)力車型提供PCU（功率控制單元）。圖2：PCU（功率控制單元）主體由控制底板電路、雙面散熱的功率半導(dǎo)體元件、層疊型冷卻器及電容器等構(gòu)成。PCU內(nèi)的功率半導(dǎo)體從兩面進(jìn)行冷卻。過(guò)去采用的是單面冷卻。豐田汽車現(xiàn)在的混合動(dòng)力系統(tǒng)全部為水冷式，而非空冷式?；旌蟿?dòng)力車在前格柵的發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)配置了不同于發(fā)動(dòng)機(jī)用散熱器的混合動(dòng)力系統(tǒng)專用散熱器。混合動(dòng)力系統(tǒng)采用冷卻水來(lái)冷卻PCU和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

過(guò)去，豐田汽車的“普銳斯”及“皇冠Hybrid”等車型一直利用水冷單面冷卻PCU內(nèi)的功率半導(dǎo)體。而“雷克薩斯LS600h”采用的最新PCU雖然同樣是水冷式，但采用的是雙面冷卻構(gòu)造（圖1，2）。由于散熱面積增大，因此比單面冷卻更容易冷卻。單位體積的輸出功率比原來(lái)提高了60％。在相同的輸出功率情況下，體積則可比原來(lái)減小約30％，重量減輕約20％。

PCU具有逆變器和升降壓轉(zhuǎn)換器的作用。逆變器具有將充電電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用交流電壓的功能以及將馬達(dá)再生的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的功能。升降壓轉(zhuǎn)換器用來(lái)升高和降低充電電池供應(yīng)給馬達(dá)的電壓。

向雷克薩斯LS600h等高功率混合動(dòng)力車提供PCU，需要提高逆變器和升降壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率，也即需要增大電流。解決方法之一是增加PCU的功率半導(dǎo)體元件數(shù)量或使元件比原來(lái)流過(guò)更大電流。PCU存在問(wèn)題是散熱。現(xiàn)在的車載用功率半導(dǎo)體最高可耐150℃高溫，因此需要采用始終將溫度保持在150℃以下的冷卻結(jié)構(gòu)。雷克薩斯LS600h需要提高PCU的性能，同時(shí)減小PCU尺寸。由于不能增加元件數(shù)量，因此采用了支持更大電流的功率半導(dǎo)體。

這樣，單面冷卻就不足以解決大電流功率半導(dǎo)體的散熱問(wèn)題，因此采用了雙面冷卻結(jié)構(gòu)。過(guò)去，每個(gè)元件可流過(guò)200A的電流，而雷克薩斯LS600h采用了每個(gè)元件可流過(guò)300A以上電流的高性能功率元件（圖3、4）。由此逆變器和升降壓轉(zhuǎn)換器均減少了功率半導(dǎo)體的數(shù)量。新型功率半導(dǎo)體為富士電機(jī)元件科技制造的產(chǎn)品。圖3：過(guò)去的PCU構(gòu)成（單面冷卻）每個(gè)功率半導(dǎo)體元件流過(guò)200A（元件散熱措施設(shè)想采用單面冷卻時(shí)）。圖4：新型PCU的構(gòu)成（雙面冷卻）通過(guò)采用高性能功率半導(dǎo)體，每個(gè)元件流過(guò)300A以上的電流。采用支持大電流的元件，減少元件數(shù)量以實(shí)現(xiàn)小型化。通過(guò)雙面冷卻進(jìn)行散熱?！倦妱?dòng)汽車拆解】PCU（二）：實(shí)現(xiàn)了與鉛蓄電池相當(dāng)?shù)某叽鐚?shí)現(xiàn)了與鉛蓄電池相當(dāng)?shù)某叽?/p>

1111雷克薩斯LS600h是在高級(jí)轎車“雷克薩斯LS460”基礎(chǔ)上追加混合動(dòng)力系統(tǒng)而成。如果是混合動(dòng)力專用車，PCU的尺寸或許會(huì)更大一些，而雷克薩斯LS600h最優(yōu)先強(qiáng)調(diào)的就是要減小PCU的尺寸。LS460將置于車輛前部的鉛蓄電池移至車輛后部，PCU的尺寸只能與空出的鉛蓄電池容積相當(dāng)。

原來(lái)的功率半導(dǎo)體和冷卻器的構(gòu)造由上往下依次為功率半導(dǎo)體元件、絕緣板、散熱板（銅或銅合金）、冷卻板（鋁合金壓鑄而成）（圖5）。重疊冷卻板制成的是冷卻器。使冷卻水在冷卻器中循環(huán)，通過(guò)散熱板，冷卻半導(dǎo)體元件。圖5：?jiǎn)蚊胬鋮s的構(gòu)成，在絕緣板上面配置功率半導(dǎo)體元件。熱量通過(guò)絕緣板，傳到散熱板，由冷卻器散熱。(點(diǎn)擊放大)而新開(kāi)發(fā)的PCU由散熱板、絕緣板和冷卻板夾在功率半導(dǎo)體的兩側(cè)而成（圖6）。其中，功率半導(dǎo)體和散熱板用樹(shù)脂封裝。功率半導(dǎo)體與信號(hào)輸入端子之間通過(guò)引線鍵合相連。另外，為確保引線鍵合高度方向的空間，在功率半導(dǎo)體的一側(cè)配置了導(dǎo)電墊片。圖6:新型雙面冷卻的構(gòu)成冷卻功率半導(dǎo)體的兩側(cè)。為提高熱傳導(dǎo)，在功率半導(dǎo)體旁邊依次配置散熱板、絕緣板、冷卻器。為比單面冷卻進(jìn)一步提高熱傳導(dǎo)率，此次新采用了使功率半導(dǎo)體的熱量比起絕緣板，先行向散熱板傳導(dǎo)的構(gòu)造。另外，冷卻板跟原來(lái)一樣，由鋁材料制成，不過(guò)由壓鑄件更換成了熱傳導(dǎo)率高的沖壓材料。

為實(shí)現(xiàn)雙面冷卻，制作了交叉重疊功率半導(dǎo)體和冷卻板的層疊型（圖7）構(gòu)造。層疊型的優(yōu)點(diǎn)在于可以減小PCU的面積。過(guò)去的單面冷卻構(gòu)造在一個(gè)封裝中集成有多個(gè)功率半導(dǎo)體。通過(guò)采用多個(gè)封裝，提高PCU的性能，不過(guò)并不適合細(xì)致調(diào)整功率半導(dǎo)體數(shù)量的設(shè)計(jì)方案。圖7：冷卻器為層疊型（a）雙面冷卻的PCU采用的是冷卻器的冷卻板與半導(dǎo)體交叉層疊的層疊結(jié)構(gòu)。（b）現(xiàn)在采用該結(jié)構(gòu)的只有雷克薩斯LS600h和RX450h，具有靈活性，可根據(jù)車型需要的輸出功率改變層疊枚數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將來(lái)還有望應(yīng)用于普及車型。另外，要提高輸出功率，需要將封裝呈面狀橫向接合在一起，因此存在面積增大、難以配備于汽車使用的問(wèn)題。

此次的構(gòu)造可根據(jù)混合動(dòng)力車的輸出功率選擇功率半導(dǎo)體元件的數(shù)量。并且，由于是與冷卻板交叉重疊功率半導(dǎo)體的層疊型構(gòu)造，即使功率半導(dǎo)體數(shù)量增加，在設(shè)計(jì)上也能夠減小面積。

新型雙面冷卻構(gòu)造的采用車型目前只有最高端車型雷克薩斯LS600h和2009年春季上市的“雷克薩斯RX450h”，此外還能應(yīng)用于輸出功率較低的混合動(dòng)力系統(tǒng)。（未完待續(xù)：特約撰稿人：金子高久，電裝EHV機(jī)器技術(shù)部組長(zhǎng)）【電動(dòng)汽車拆解】PCU（三）：使半導(dǎo)體與冷卻板緊密貼合使半導(dǎo)體與冷卻板緊密貼合

雙面冷卻構(gòu)造的功率半導(dǎo)體需要在制造方法和維持冷卻性能方面下工夫。

新型冷卻系統(tǒng)采用的交叉層疊功率半導(dǎo)體和冷卻板的構(gòu)造，因此半導(dǎo)體和冷卻板需要始終接觸在一起。制造時(shí)首先重疊冷卻板制成冷卻器，然后重疊功率半導(dǎo)體，插入冷卻器中（圖8）。圖8：PCU的制造工序在層疊型冷卻器中插入功率半導(dǎo)體元件。通過(guò)向冷卻器兩側(cè)加壓，使冷卻板與半導(dǎo)體元件緊密貼合。最后，用板簧對(duì)冷卻器加壓，維持冷卻性能。(點(diǎn)擊放大)為便于插入半導(dǎo)體，可增大冷卻板與冷卻板的間隔。但是，如果間隔過(guò)大，冷卻板與半導(dǎo)體之間就會(huì)留有縫隙，冷卻半導(dǎo)體的性能就會(huì)降低。因此，最初先擴(kuò)大冷卻板的間隔，插入半導(dǎo)體后，通過(guò)對(duì)冷卻器兩側(cè)加壓，使冷卻板與半導(dǎo)體緊密貼合。

對(duì)冷卻器加壓時(shí)，為防止冷卻器破損，采用了冷卻板與冷卻板之間產(chǎn)生形變的結(jié)構(gòu)（圖9）。通過(guò)使冷卻器在冷卻水不漏的前提下變形，實(shí)現(xiàn)了層疊結(jié)構(gòu)。作為表示雙面冷卻性能的數(shù)據(jù)，有熱傳導(dǎo)率模擬數(shù)據(jù)和熱阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)熱傳導(dǎo)模擬，比較了冷卻構(gòu)造中的最熱部分（熱阻最高的部分）。模擬結(jié)果表明，雙面冷卻構(gòu)造比單面冷卻構(gòu)造的熱阻可降低約48％。通過(guò)熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較了功率半導(dǎo)體每個(gè)位置的冷卻性能（圖10（a）。該實(shí)驗(yàn)將功率半導(dǎo)體耐熱性上限150℃下的熱阻目標(biāo)值定為0.3K/W左右。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制在上限以下（圖10（b）。另一組熱阻試驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量了改變冷卻水流速時(shí)的熱阻。將功率半導(dǎo)體每個(gè)位置（下降側(cè)的1～12）的熱阻做成了圖表。數(shù)據(jù)顯示熱阻始終在0.3K/W以下，滿足了散熱條件（圖10（c）。圖9：層疊型冷卻器在生產(chǎn)時(shí)變形層疊型冷卻器為使半導(dǎo)體元件與冷卻板緊密結(jié)合，生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行加壓。采用了加壓時(shí)、為使冷卻板與冷卻板之間的距離縮短而變形的結(jié)構(gòu)。圖10：采用雙面冷卻，冷卻性能達(dá)到目標(biāo)值以下（a）對(duì)PCU的功率半導(dǎo)體，在冷卻水入口按順序貼上序號(hào)1～12。在冷卻水入口側(cè)（上升）和出口側(cè)（下降）比較了功率半導(dǎo)體的冷卻性能。（b）熱阻值的比較。冷卻水入口側(cè)和出口側(cè)均控制在功率半導(dǎo)體目標(biāo)值0.3K/W以下。（c）改變冷卻水流量時(shí)的熱阻控制在目標(biāo)值以下。功率半導(dǎo)體的耐熱性是一大課題，不過(guò)將來(lái)該課題有可能得到徹底解決。比如，現(xiàn)在使用的是Si（硅）晶圓，而用SiC（碳化硅）材料做的話，耐熱性將大幅提高，同時(shí)還能夠通過(guò)更大的電流。

另外，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的是水冷式PCU，今后隨著氣流改善等，或許還需要研究空冷式PCU。今后的10年將是決定PCU未來(lái)走向的關(guān)鍵時(shí)期。（特約撰稿人：金子高久，電裝EHV機(jī)器技術(shù)部組長(zhǎng)）【電動(dòng)汽車拆解】DC-DC轉(zhuǎn)換器（四）：提高電壓轉(zhuǎn)換效率TDK已開(kāi)始向混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車提供“DC-DC轉(zhuǎn)換器”。電動(dòng)汽車充電電池的電壓高達(dá)數(shù)百伏。DC-DC轉(zhuǎn)換器將充電電池的電壓降至14V，提供給鉛蓄電池。再把鉛蓄電池作為電源驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔機(jī)類、雨刷及前照燈等器件。

世界首款量產(chǎn)混合動(dòng)力車的投入使用已經(jīng)12年。包括TDK在內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器單位體積的功率密度逐年提高，估計(jì)今后也是這一趨勢(shì)。

TDK的DC-DC轉(zhuǎn)換器于1997年實(shí)際應(yīng)用于混合動(dòng)力車。本田將在現(xiàn)行的“思域混合動(dòng)力車”和新款I(lǐng)nsight上采用（圖1）。還被部分海外廠商應(yīng)用于混合動(dòng)力車。

Insight之所以采用TDK制造的DC-DC轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)槟軌驖M足小型與輕量化的要求。本田對(duì)Insight減小了包括DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器在內(nèi)的PCU（功率控制單元）尺寸及鎳氫充電電池的尺寸。這些器件在思域混合動(dòng)力車中曾配置在后座后面，而在Insight中，卻配置在行李艙下面，以使行李艙的可用空間比以前增大。DC-DC轉(zhuǎn)換器的小型化有利于擴(kuò)大行李艙容量，降低成本。

圖2：Insight采用的DC-DC轉(zhuǎn)換器將混合動(dòng)力車配備的數(shù)百V的充電電池電壓降至鉛蓄電池的14V電壓。Insight采用的方式（空冷式）。Insight上使用的最新款DC-DC轉(zhuǎn)換器與思域混合動(dòng)力車上配備的原產(chǎn)品相比，重量減輕45％，容積減小5％（圖2）。重量低于1kg。轉(zhuǎn)換效率確保在90％以上。

省去交流發(fā)電機(jī)

混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車導(dǎo)入DC-DC轉(zhuǎn)換器之后，可省去交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)出的電為鉛蓄電池充電（圖3）。電動(dòng)汽車的充電電池容量很大。因此，以充電電池為電源，能夠利用DC-DC轉(zhuǎn)換器為鉛蓄電池充電。從而可以省去原來(lái)的交流發(fā)電機(jī)（圖4）。Insight就未配備交流發(fā)電機(jī)（圖5）。圖3：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車配備交流發(fā)電機(jī)利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，為鉛蓄電池充電。（點(diǎn)擊放大）圖4：混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車不需要交流發(fā)電機(jī)利用DC-DC轉(zhuǎn)換器降低充電電池的電壓，為鉛蓄電池充電。（點(diǎn)擊放大）圖5：Insight的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)未配備交流發(fā)電機(jī)。使用充電電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以不必考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而為鉛蓄電池充電。原來(lái)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，如果同時(shí)使用空調(diào)、立體聲及車燈等，有時(shí)“電池的電量會(huì)用盡”。即使發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)行，有些條件下也會(huì)出現(xiàn)電力不足現(xiàn)象。

而如果像混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車這樣使用充電電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器，便可不必考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而使用電力。（未完待續(xù)，特約撰稿人：近藤朋之，TDK電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)集團(tuán)EV電源部部長(zhǎng)）【電動(dòng)汽車拆解】DC-DC轉(zhuǎn)換器（五）：保留鉛蓄電池保留鉛蓄電池

混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車按說(shuō)也能省去鉛蓄電池，但實(shí)際上還是保留了鉛蓄電池（圖6）。Insight也保留了鉛蓄電池。這樣做有兩大原因。一是保留鉛蓄電池更能夠降低整個(gè)車輛的成本。二是確保電源的冗余度。

圖6：包括DC-DC轉(zhuǎn)換器的混合動(dòng)力車系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)在的DC-DC轉(zhuǎn)換器為單向電流，而今后有可能變成雙向。有些車型還追加DC/AC輸出端及升壓轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換器部件。（點(diǎn)擊放大）鉛蓄電池能在短時(shí)間內(nèi)向空調(diào)、雨刷及車燈等釋放大電流。如果省去鉛蓄電池而將充電電池的電力用于輔機(jī)類、空調(diào)及雨刷等，DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸勢(shì)必就要增大，從而使整體成本增加。鉛蓄電池便宜，因此目前將鉛蓄電池置換成充電電池還沒(méi)有成本上的優(yōu)勢(shì)。

二是鉛蓄電池還有確保向輔機(jī)類供電的冗余度的作用。DC-DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障停止供電時(shí)，如果沒(méi)有鉛蓄電池，補(bǔ)機(jī)類就會(huì)立即停止運(yùn)行。夜間車燈不亮，雨天雨刷停止運(yùn)行等，就會(huì)影響駕駛。如果有鉛蓄電池，便能夠?qū)⑵嚲徒_(kāi)到家里或者工廠。

今后DC-DC轉(zhuǎn)換器功能改進(jìn)的方向之一是雙向化?，F(xiàn)在使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器只是單向改變電壓?，F(xiàn)在也存在要求雙向的需求。當(dāng)充電電池的電力不足時(shí)，便可將鉛蓄電池的電力輸入充電電池，以備緊急之需。雙向化是今后將繼續(xù)探討的課題，這也是確保冗余度的方法。

TDK分代開(kāi)發(fā)了DC-DC轉(zhuǎn)換器基本電路（平臺(tái)）（圖7）。其中包括2001年開(kāi)始量產(chǎn)的“GEN3”（第3代）、2005年量產(chǎn)的“GEN4”（第4代）、2008年量產(chǎn)的“GEN4.5”（第4.5代）?，F(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的是“GEN5”（第5代）。根據(jù)基本電路，制成符合各汽車公司要求的產(chǎn)品。圖7：DC-DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展藍(lán)圖公布了該公司2001年以來(lái)的產(chǎn)品。DC-DC轉(zhuǎn)換器不斷小型·輕量化，效率不斷提高。（點(diǎn)擊放大）DC-DC轉(zhuǎn)換器不同的代規(guī)定了變壓器的種類及DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的基本構(gòu)造。水冷/空冷、端子位置，主體形狀等根據(jù)采用車型進(jìn)行設(shè)計(jì)?；緲?gòu)造以嚴(yán)酷環(huán)境下的空冷為前提設(shè)計(jì)。

按產(chǎn)品來(lái)看，轉(zhuǎn)換效率由第2代到第5代一直在提高（圖8）。電流為10A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率分別為約84％（第2代）、約86％（第4代）、約89％（第4.5代）。電流為70A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率由約86％（第2代）提高到約88％（第4.5代）。預(yù)計(jì)下一代第5代將超過(guò)90％。（未完待續(xù)，特約撰稿人：近藤朋之，TDK電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)集團(tuán)EV電源部部長(zhǎng)）圖8：DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率逐代進(jìn)化。最新一代GEN4.5的轉(zhuǎn)換效率為90％左右。下一代將超過(guò)90％。（點(diǎn)擊放大）【電動(dòng)汽車拆解】DC-DC轉(zhuǎn)換器（六）：DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能

DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要部件是變壓器。變壓器由一次側(cè)（輸入側(cè)、充電電池側(cè)）和二次側(cè)（輸出側(cè)、鉛蓄電池側(cè)）兩種線圈構(gòu)成。線圈比與電壓比成比例。

利用變壓器改變電壓時(shí)，變壓器需通過(guò)交流電壓。充電電池是直流電壓，因此DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)利用功率半導(dǎo)體ON/OFF來(lái)自充電電池的直流電壓，將其轉(zhuǎn)換成交流電壓。然后，利用變壓器轉(zhuǎn)換交流電壓，再利用功率半導(dǎo)體將交流電壓轉(zhuǎn)換成14V的直流電壓。利用功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換交流和直流時(shí)，為抑制電壓波形的噪聲（平滑化），還使用了電容器。

決定DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的主要因素是變壓器。變壓器的大小、形狀及支持的開(kāi)關(guān)頻率隨著更新?lián)Q代而進(jìn)化（圖9）。開(kāi)關(guān)頻率由70kHz提高到110kHz，變壓器鐵芯的重量由215g左右減輕至61g左右。變壓器的線圈通過(guò)采用層疊平面線圈的類型，降低了高度。

圖9：變壓器鐵芯逐代進(jìn)化（a）產(chǎn)品越新（PC95），溫度特性越高。（b）隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代，重量減輕、能量效率提高、進(jìn)化成易于散熱的形狀。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率，可減小變壓器和整流電路的尺寸。因?yàn)轭l率提高，可使功率半導(dǎo)體單位時(shí)間的開(kāi)關(guān)次數(shù)增加。不過(guò)，為防止接近收音機(jī)AM廣播的頻率，過(guò)去一直采用70kHz頻帯。最近由于抑制噪聲的技術(shù)取得進(jìn)步，采用了比原來(lái)高40kHz的110kHz頻帯。

變壓器的鐵芯材料采用的是最新的鐵氧體材料“PC95”。PC95的原料為Fe（鐵）、Mn（錳）、Zn（鋅）。Fe的混合比例等與原產(chǎn)品（“PC44”、“PC45”等）不同。原產(chǎn)品在有些溫度下，會(huì)出現(xiàn)鐵損增大、效率降低現(xiàn)象。最新的鐵芯可在很大的溫度范圍內(nèi)減小鐵損。鐵損以磁滯損耗為主，還包括渦流損耗。

與二次側(cè)變壓器相連的整流二極管采用了比上代熱損耗低的產(chǎn)品。這樣，整流二極管的封裝面積比原來(lái)減小40％。

表DC-DC轉(zhuǎn)換器的變壓器鐵芯材料鐵氧體在鐵損和成本方面占優(yōu)勢(shì)?；旌蟿?dòng)力車用DC-DC轉(zhuǎn)換器上使用的變壓器鐵芯材料采用了鐵氧體（表）。因?yàn)樽儔浩髦辛鬟^(guò)100kHz左右的高頻電流，與其他材料相比，鐵氧體的效率最高。

家電中使用的變壓器的工作頻率為50/60kHz左右，適于采用硅鋼。非晶材料適合于頻率高于100kHz的領(lǐng)域。（全文完，特約撰稿人：近藤朋之，TDK電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)集團(tuán)EV電源部部長(zhǎng)）【電動(dòng)汽車拆解】空調(diào)壓縮機(jī)（七）：不斷推進(jìn)電動(dòng)化三電（SANDEN）從1971年開(kāi)始生產(chǎn)車載空調(diào)壓縮機(jī)。如今已在歐洲、北美和亞洲擁有生產(chǎn)基地，掌握著全球25％的份額。

受全球環(huán)保規(guī)定和高燃效技術(shù)發(fā)展的影響，在汽車行業(yè)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化和HEV（混合動(dòng)力車）·EV（電動(dòng)汽車）化的速度正在加快。

關(guān)于應(yīng)對(duì)環(huán)保規(guī)定的辦法，除了提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、添設(shè)增壓器來(lái)縮小發(fā)動(dòng)機(jī)體積外，HEV還可盡量延長(zhǎng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間，EV可在輕量化的同時(shí)配備高性能電池等。具體做法因汽車廠商而異。

備有3類壓縮機(jī)

本公司的空調(diào)壓縮機(jī)大致分為三類。

面向需要提高現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)效率、實(shí)現(xiàn)小型化的汽車廠商，供應(yīng)的是借助傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶傳動(dòng)類型的壓縮機(jī)。面向以發(fā)動(dòng)機(jī)為主體、電機(jī)為輔的車輛（Mild-HEV）供應(yīng)的是皮帶傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兼顧的混合式壓縮機(jī)。對(duì)于以電機(jī)為主體（Strong-HEV、EV）的車輛，則供應(yīng)電動(dòng)壓縮機(jī)。（圖1）。圖1：空調(diào)壓縮機(jī)的類型包括使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的類型，同時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力型，單純使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的類型3種。本公司的電動(dòng)壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)始于1986年。開(kāi)發(fā)伊始雖然也經(jīng)歷過(guò)摸索階段，但是在向推進(jìn)車輛電動(dòng)化的美國(guó)汽車廠商供貨的過(guò)程中，產(chǎn)品化速度非常之快。1990年，電動(dòng)車“EVS-10”在美國(guó)投入使用。當(dāng)時(shí)就是本公司供應(yīng)的電動(dòng)壓縮機(jī)，但產(chǎn)量還非常少，在成本、充電電池、基礎(chǔ)設(shè)施的限制下未能普及。

當(dāng)時(shí)的電動(dòng)壓縮機(jī)需要另配逆變器，成本昂貴，空間利用率也比較低。之后，本公司在電動(dòng)壓縮機(jī)與逆變器的一體化、壓縮機(jī)構(gòu)的高效化及小型輕量化等方面推進(jìn)了開(kāi)發(fā)。

對(duì)于2005年上市的本田“思域混合動(dòng)力”車型，本公司以此前開(kāi)發(fā)的電動(dòng)壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，又開(kāi)發(fā)出了皮帶傳動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)兼顧的混合式壓縮機(jī)（圖2）。這種混合式壓縮機(jī)能夠在車內(nèi)溫度高、車速慢等空調(diào)負(fù)荷較高的情況下同時(shí)使用皮帶傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使制冷能力達(dá)到最大（圖3）。

圖2：本田2005年9月上市的“思域混合動(dòng)力”（a）車輛。（b）混合式壓縮機(jī)。同時(shí)支持發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖3：混合式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)分為三種（a）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作時(shí)。（b）空調(diào)專用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作時(shí)。（c）發(fā)動(dòng)機(jī)用與電機(jī)用壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。而在空調(diào)負(fù)荷較低時(shí)，則可以區(qū)別使用皮帶傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在車輛停止時(shí)單獨(dú)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以最低限度的制冷性能抑制車內(nèi)溫度的上升。

最新型電動(dòng)壓縮機(jī)

本公司2009年開(kāi)始向德國(guó)戴姆勒（Daimler）的高級(jí)混合動(dòng)力車“S400”供應(yīng)電動(dòng)壓縮機(jī)（圖4）。S400的要求非常高，面臨低電壓驅(qū)動(dòng)等眾多難題。但戴姆勒對(duì)我們此前的電動(dòng)壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)進(jìn)程以及運(yùn)動(dòng)型高級(jí)車“SL”上使用的皮帶傳動(dòng)型壓縮機(jī)的性能及質(zhì)量給予了高度評(píng)價(jià)，因而采用了我們的產(chǎn)品。圖4：德國(guó)戴姆勒2009年6月上市的混合動(dòng)力車“S400HYBRID”（a）機(jī)體，（b）發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)部分。壓縮機(jī)中的電機(jī)使用釹磁鐵，雖然是8.2kW功率，使用轉(zhuǎn)數(shù)范圍為700～9000rpm的高功率配置，而額定電壓僅為120V（圖5）。圖5：S400采用的電動(dòng)壓縮機(jī)（a）機(jī)體，（b）截面圖。通常以低電壓實(shí)現(xiàn)高功率需要大電流，這樣就會(huì)導(dǎo)致逆變器周圍的電子部件成本上升，體積增大。

而此次開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電機(jī)尺寸、成本、噪聲均得到了控制，齒槽轉(zhuǎn)矩等特性在設(shè)計(jì)時(shí)也進(jìn)行了綜合考慮。特別是冷媒壓縮部分沿襲了傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)型的可靠性，采用了使用低壓低溫側(cè)冷媒冷卻逆變器的方式。

隨著車輛電動(dòng)化的全面展開(kāi)，空調(diào)的電動(dòng)化正在加速。本公司在全球最先向車輛供應(yīng)的渦旋式壓縮機(jī)雖然具備效率高、靜音性高、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化小等車輛廠商要求的高水準(zhǔn)，但不適合改變排放容積，進(jìn)行精密控制的需求。

此次，在對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行電動(dòng)化后，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)無(wú)需與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)掛鉤，可以使用電機(jī)達(dá)到所需轉(zhuǎn)數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)了與排放容積可變型壓縮機(jī)相同的高效率、靜音性能優(yōu)良等特點(diǎn)，而且能夠?qū)嵤┚芸刂啤?/p>

今后的HEV和EV將不再只是汽車廠商的戰(zhàn)略車和高級(jí)車，還會(huì)向中小型的普及車發(fā)展。今后的電動(dòng)壓縮機(jī)需要實(shí)現(xiàn)更高程度的高效化、小型輕量化及低成本化（圖6，7）。圖6：電動(dòng)壓縮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)行的A型已向S400供應(yīng)。B型除支持客戶的CAN通信外，還減少了噪聲的產(chǎn)生。新一代型通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)高輸入電壓的支持，縮小了機(jī)體體積。圖7：電動(dòng)壓縮機(jī)的發(fā)展過(guò)程本公司于1986年開(kāi)始開(kāi)發(fā)電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。產(chǎn)品于上世紀(jì)90年代開(kāi)始向“EVS-10”供應(yīng)。之后，混合式產(chǎn)品于2004年投入量產(chǎn)，并向本田供應(yīng)。今后，本公司計(jì)劃對(duì)S400用型號(hào)進(jìn)行小型及輕量化，向普及型混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車供應(yīng)。而且，根據(jù)今后的環(huán)保規(guī)定，未來(lái)的HEV必須進(jìn)一步削減CO2排放量。這就要縮短發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間、延長(zhǎng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)必然會(huì)縮短內(nèi)燃機(jī)的工作時(shí)間，減少車輛產(chǎn)生的熱量（排熱）。

由于無(wú)法再利用排熱制暖，因此，對(duì)于HEV和EV而言，高效制暖則是重大課題。

制暖效率存在課題

比方說(shuō)，有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，如果現(xiàn)在EV的續(xù)航距離為160km，那么，在使用加熱器制暖的情況下，續(xù)航距離將會(huì)減半到80km。也就是說(shuō)，制冷、制暖會(huì)在很大程度上限制EV車輛的商品價(jià)值以及用戶的使用環(huán)境。

這無(wú)論對(duì)于整車廠商、還是對(duì)于空調(diào)設(shè)備廠商，都是非常緊迫的問(wèn)題。要想解決這一問(wèn)題，電池容量的提升、車輛動(dòng)力效率的提升、空調(diào)效率的提升、新機(jī)構(gòu)的采用必須同時(shí)達(dá)到較高水平。

對(duì)于空調(diào)設(shè)備廠商而言，包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器鐵芯等熱交換器的小型及高效化，降低HVAC空氣側(cè)的損耗在內(nèi)，需要在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的方面還有很多。

未來(lái)以利用熱泵為目標(biāo)

高效制暖方法有一般家庭使用的熱泵。雖然將其配備在車輛上就可以解決問(wèn)題，但實(shí)施起來(lái)卻并不簡(jiǎn)單。對(duì)于住宅與車輛，其外部氣體熱負(fù)荷、負(fù)荷變化、振動(dòng)環(huán)境、空間效率等配置要求和使用環(huán)境不盡相同，在汽車上安裝熱泵非常困難。熱泵系統(tǒng)的心臟部件——壓縮機(jī)也必然置身于惡劣的使用環(huán)境中，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

除汽車設(shè)備業(yè)務(wù)外，本公司還通過(guò)獨(dú)自的制冷制熱技術(shù)，為自動(dòng)售貨機(jī)、商店、居住環(huán)境業(yè)務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)中廣泛使用了熱泵技術(shù)，除了與各種使用環(huán)境相對(duì)應(yīng)，在簡(jiǎn)單的空調(diào)電路的基礎(chǔ)上還采用了二級(jí)復(fù)合電路，加入了同時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)溫度區(qū)域的技術(shù)。對(duì)于汽車，當(dāng)務(wù)之急是對(duì)此類技術(shù)實(shí)施小型輕量化，開(kāi)發(fā)廉價(jià)且環(huán)境耐受性優(yōu)良的產(chǎn)品。（特約撰稿人：小野時(shí)人，三電開(kāi)發(fā)本部全球開(kāi)發(fā)統(tǒng)括室室長(zhǎng)）【電動(dòng)汽車拆解】制暖（八）：用電加熱器代替發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)汽車（EV）的課題之一在于保證車內(nèi)的制暖性能。發(fā)動(dòng)機(jī)車能夠利用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量使車內(nèi)保持足夠溫暖。而EV沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，因此制暖熱源須有保證。三菱重工業(yè)為EV開(kāi)發(fā)出了用電發(fā)熱的加熱器。已由三菱汽車EV“i-MiEV”制暖系統(tǒng)所采用。三菱汽車2009年7月上市的電動(dòng)汽車“i-MiEV”采用了三菱重工業(yè)生產(chǎn)的電加熱器作為空調(diào)的制暖熱源（圖1）。圖1：三菱汽車的電動(dòng)汽車“i-MiEV”和制暖系統(tǒng)（a）i-MiEV。制暖的熱源采用了三菱重工為EV全新開(kāi)發(fā)的加熱器。（b）制暖系統(tǒng)。加熱器配置在駕駛席和副駕駛席之間的地板下方。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)車一直把發(fā)動(dòng)機(jī)散熱作為制暖熱源。但電動(dòng)汽車（EV）沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，混合動(dòng)力車（HEV）在發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)車內(nèi)也需保暖。而此次采用的電熱式加熱器因可用電取暖，是EV和HEV有效的制暖方式。

i-MiEV采用的加熱器由可用電發(fā)熱的PTC（PositiveTemperatureCoefficient）加熱器元件、將加熱器元件的熱量傳送至散熱劑（冷卻水）的散熱扇、散熱劑流路和控制底板等組成（圖2）。因要求加熱器要有較高的制暖性，因此，電源使用的是驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的鋰離子充電電池（330V），而非鉛充電電池（12V）。圖2：加熱器機(jī)身

內(nèi)部有板狀加熱器元件。通過(guò)在元件兩側(cè)通入散熱劑（冷卻水）提高散熱性。由于要制造的小型單元要使用330V高電壓，用少量放熱元件產(chǎn)生大量熱量，因此，加熱器需要豐富的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

用PTC加熱器將水加熱

加熱器元件采用了普通PTC元件。PTC元件夾在電極中間，具有電阻隨元件溫度改變的性質(zhì)。

在低溫區(qū)，電阻低，電流流通產(chǎn)生熱量，隨著溫度升高，電阻逐漸增大，電流難以流通，發(fā)熱量隨之降低。PTC元件的特性據(jù)稱符合汽車的制暖性能要求——具備在低溫區(qū)的高制暖性能。

此次開(kāi)發(fā)的加熱器由四片平面狀加熱器元件橫向排列組成。元件兩側(cè)有散熱扇，散熱劑能夠在流動(dòng)中接觸散熱扇，吸收加熱器的熱量（圖3）。4片加熱器元件面積各異，通過(guò)改變發(fā)熱元件的數(shù)量和組合，可以分級(jí)切換制暖能力。圖3：加熱器截面圖

機(jī)身上半部分有控制底板，下半部分有加熱器元件等放熱部分。散熱劑利用散熱扇加熱。加熱器元件為加載高電壓，以絕緣材料裹覆。采用的絕緣材料有氧化鋁材料和硅樹(shù)脂材料兩種。加熱器元件的兩側(cè)先用氧化鋁材料夾裹、再以硅材料夾覆。將加熱器元件雙重夾裹是為了提高拼接精度。因?yàn)閮?nèi)側(cè)的氧化鋁偏硬，所以多覆蓋一層硅板能夠提高與散熱扇之間的密閉性，確保其散熱性?，F(xiàn)行產(chǎn)品使用2種絕緣體，計(jì)劃2013年左右投放的第3代產(chǎn)品將使絕緣體的種類減少到1種。

加熱器上有散熱劑的入口和出口（圖4）。散熱劑經(jīng)上方進(jìn)入加熱器元件之中。元件中的流路因采用了彎折結(jié)構(gòu)，使散熱劑的入口和出口得以設(shè)置在左右兩端。如果散熱劑通路不彎折，則入口和出口就必須在單元的左側(cè)或右側(cè)重疊配置，使加熱器的尺寸加大。散熱扇為鋁合金制成。為了提高氣密性，接合面在壓鑄成形后進(jìn)行了切削。圖4：加熱器內(nèi)的散熱劑流路

散熱劑從加熱器元件的兩面通入，能夠?qū)崿F(xiàn)高效放熱。流路采用了散熱劑入口和出口分別位于左右兩側(cè)的設(shè)計(jì)。此加熱器屬加熱散熱劑的類型。使用散熱劑的一大原因是為了沿用現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)車的制暖系統(tǒng)。

沿用汽油車的制暖系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)車的制暖系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱劑、加熱芯和送風(fēng)的鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)組成。吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量溫度升高的散熱劑在加熱芯中受風(fēng)，為車內(nèi)制暖。由于i-MiEV是以發(fā)動(dòng)機(jī)車“i”為原型設(shè)計(jì)的EV，因此，只要有散熱劑式加熱器和電動(dòng)水泵就能夠沿用i的機(jī)構(gòu)。

如果是開(kāi)發(fā)EV專用產(chǎn)品，也可以不使用散熱劑，直接用鼓風(fēng)機(jī)吹送經(jīng)PTC加熱器加熱的暖風(fēng)即可。

但如果這樣，即便EV特有結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)也需要進(jìn)行多處變更，使可靠性驗(yàn)證進(jìn)度拖延。因此，i-MiEV從利用現(xiàn)有系統(tǒng)、以可靠性為重的角度出發(fā)，采用了使用散熱劑的加熱器單元。

從制暖系統(tǒng)整體來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)車輛與i-MiEV等EV的區(qū)別如下（圖5）。首先是上面提到的熱源由加熱器取代了發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)車輛是依靠曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)散熱劑循環(huán)，EV則需要新增電動(dòng)泵。圖5：制暖系統(tǒng)的區(qū)別（發(fā)動(dòng)機(jī)車和EV）

（a）發(fā)動(dòng)機(jī)車的制暖系統(tǒng)。熱源和散熱劑循環(huán)由發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)。當(dāng)加溫后的散熱劑通過(guò)加熱芯時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)向加熱芯送風(fēng)，為車內(nèi)取暖。（b）EV的制暖系統(tǒng)。因?yàn)闆](méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，所以熱源為加熱器，配備了帶動(dòng)散熱劑循環(huán)的電動(dòng)水泵。下一代、再下一代的加熱器

此次實(shí)用化的加熱器為寬180×長(zhǎng)290×高100mm，重7.4kg。制暖能力5.0kW。如果加熱器的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃把2009年7月實(shí)用化的產(chǎn)品視為第1代，則計(jì)劃第2代和第3代將分別于2011年和2013年前后問(wèn)世（圖6）。圖6：截至2013年的加熱器發(fā)展藍(lán)圖

2009年應(yīng)用于i-MiEV的是第1代。預(yù)定于2011年左右投放市場(chǎng)的第2代計(jì)劃實(shí)現(xiàn)30％的小型及輕量化。預(yù)定于2013年上市的第3代將爭(zhēng)取使體積和重量縮小到第1代的一半。第2代計(jì)劃在沿襲第1代的基本結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。第1代為了最大限度考慮安全性，加熱器尺寸較大。為防止散熱劑漏進(jìn)加熱器及提高絕緣性預(yù)留了大量空間。第2代將通過(guò)優(yōu)化這些空間縮小機(jī)身體積。

此外，目前加熱器的ECU（電子控制單元）與空調(diào)系統(tǒng)整體是各自獨(dú)立的。而計(jì)劃從第2代開(kāi)始，ECU將與加熱器融為一體。通過(guò)這一改進(jìn)，體積和重量預(yù)定減少到70％。

第2代還考慮提高制暖能力的設(shè)定精度?，F(xiàn)在借助階躍信號(hào)的開(kāi)關(guān)總共能夠?qū)崿F(xiàn)8級(jí)性能切換，第2代還將加入對(duì)PWM（PulseWidthModulation：脈寬調(diào)制）控制的支持，使制暖性能的調(diào)節(jié)更為細(xì)致。

第3代產(chǎn)品則會(huì)通過(guò)縮小PTC元件與散熱劑之間的熱阻并減少散熱劑與散熱扇接觸面積等方式，爭(zhēng)取使體積和重量比第1代減少50％。

汽車廠商的努力

為EV配備多個(gè)加熱器元件可以使其制暖能力提高到與發(fā)動(dòng)機(jī)車相當(dāng)。但是，為了盡量把電池容量留給行駛，汽車廠商在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)制暖耗電進(jìn)行了抑制。

三菱汽車公布的i-MiEV的續(xù)航距離（10·15模式）為160km。以市區(qū)行駛速度（40～60km/h）為例，在某些條件下，使用制暖時(shí)的行駛距離要短于使用制冷時(shí)。制冷的電池消耗雖大，制暖的電池消耗更勝一籌。

汽車廠商正在著手開(kāi)發(fā)能夠以有限的制暖性能提高用戶滿意度的制暖技術(shù)。比方說(shuō)，i-MiEV采用了手動(dòng)式空調(diào)。用戶按下“MAX”開(kāi)關(guān)后，溫控性能和風(fēng)量會(huì)以最高設(shè)定運(yùn)行（圖7）。圖7：利用手動(dòng)空調(diào)降低溫控功耗（i-MiEV）

汽車廠商為降低i-MiEV空調(diào)耗電、延長(zhǎng)續(xù)航距離為其采用了手動(dòng)空調(diào)。在三個(gè)開(kāi)關(guān)中，最右側(cè)是溫度設(shè)定開(kāi)關(guān)。手動(dòng)按下“MAX鍵”后，溫控性能和風(fēng)量會(huì)以最高設(shè)定運(yùn)行。目前，i-MiEV的制冷制暖系統(tǒng)各自獨(dú)立。制冷依靠使用電動(dòng)壓縮機(jī)的系統(tǒng)，如果能夠把該系統(tǒng)應(yīng)用于制暖，則功耗較使用加熱器就有望降低（圖8）。在理論上，制冷循環(huán)逆轉(zhuǎn)可以用于制暖。但在環(huán)境氣溫低的情況下，制暖性能會(huì)下降，無(wú)法滿足在低溫區(qū)具高制暖性能的汽車制暖性能要求。圖8：空調(diào)的制冷系統(tǒng)（i-MiEV）

利用電動(dòng)壓縮機(jī)壓縮冷媒并使其循環(huán)。行駛時(shí)，冷媒在冷凝器中受風(fēng)冷卻。而且，在冬天，當(dāng)冷凝器（制暖時(shí)改為蒸發(fā)器）結(jié)霜時(shí)，制暖性能也難以發(fā)揮。這就需要考慮增加為冷凝器（制暖時(shí)為蒸發(fā)器）加溫除霜的系統(tǒng)。

制暖原本在某些情況下需要比制冷更高的性能。例如，在冬天制暖行駛時(shí)，為防止車窗起霧一般會(huì)導(dǎo)入車外空氣。汽車因要在行駛的同時(shí)向車外排放加熱了的空氣，此時(shí)制暖需要比制冷更高的性能。由此可見(jiàn)，將熱泵系統(tǒng)用于汽車制暖仍然存在著諸多課題。（特約撰稿人：三菱重工業(yè)冷熱業(yè)務(wù)本部汽車空調(diào)技術(shù)部首席技師中川信也）【電動(dòng)汽車拆解】馬達(dá)（九）：不使用電磁鋼板的馬達(dá)鐵芯日立制作所為了提高馬達(dá)效率，研制了定子鐵芯使用非晶態(tài)金屬來(lái)替換電磁鋼板的試制品。非晶態(tài)金屬芯的導(dǎo)磁率較高，可降低鐵損，因此配合使用的磁鐵可以不使用昂貴的釹磁鐵，而使用便宜的鐵氧體磁鐵。馬達(dá)的效率提高到了93％。表1將馬達(dá)鐵芯換成新材料以往馬達(dá)的鐵芯使用電磁鋼板，而此次考慮換成新材料。使用了與電磁鋼板相比導(dǎo)磁率高、鐵損低的非晶態(tài)金屬（非晶鐵）。圖1：日本國(guó)內(nèi)不同用途的耗電量馬達(dá)耗電量占5成。在環(huán)保等節(jié)能要求不斷加強(qiáng)的情況下，需要提高馬達(dá)的效率。日立制作所以提高馬達(dá)效率為目的，開(kāi)發(fā)出了新型馬達(dá)鐵芯材料。定子使用非晶態(tài)金屬（非晶鐵）而非通常的電磁鋼板（結(jié)晶金屬）（表1）。馬達(dá)鐵芯使用非晶態(tài)金屬，這在業(yè)界還是首次。

日立的關(guān)聯(lián)公司在輸電變壓器的鐵芯上采用了非晶態(tài)金屬。日立產(chǎn)機(jī)系統(tǒng)使用日立金屬制造的非晶態(tài)金屬鐵芯制造了變壓器。今后日立集團(tuán)將從產(chǎn)業(yè)用馬達(dá)入手，并考慮在車載馬達(dá)上采用非晶態(tài)金屬。

非晶態(tài)金屬除了導(dǎo)磁率比電磁鋼板高之外，還具有鐵損低的特點(diǎn)。向非晶態(tài)金屬施加磁場(chǎng)時(shí)，此前在內(nèi)部為雜亂方向的磁通量的方向就會(huì)統(tǒng)一朝向某個(gè)方向，從而使導(dǎo)磁率得到提高。

原來(lái)的電磁鋼板為結(jié)晶構(gòu)造，即使施加磁場(chǎng)，磁通量也不會(huì)像非晶態(tài)金屬那樣統(tǒng)一為一個(gè)方向，所以導(dǎo)磁率較低。需要輸出一定的轉(zhuǎn)矩及功率時(shí)，導(dǎo)磁率越低就需要越多的電流，而導(dǎo)磁率高的話只需少量電流即可。

非晶態(tài)金屬的鐵損低是因?yàn)殍F芯的厚度較薄。非晶態(tài)金屬是把厚度0.025mm的薄片切割成事先定好的寬度加工而成。由于厚度較薄，因此產(chǎn)生的渦電流的路徑較短。結(jié)合高導(dǎo)磁率這一優(yōu)勢(shì)，非晶態(tài)金屬原本就流經(jīng)的電流較少，再加上厚度較薄，可更好地抑制渦電流的產(chǎn)生。渦電流是由流經(jīng)線圈的電流所決定的。圖2：與以往電磁鋼板相比的性能。（a）非晶態(tài)金屬與電磁鋼板相比，磁通量從低磁場(chǎng)區(qū)域開(kāi)始上升，上升曲線平緩。由于磁通量關(guān)系到輸出功率及扭矩，因此可使車輛的舒適性等得到提高。但非晶態(tài)金屬由于飽和磁化值較低，因此磁通量密度的上升空間有限。（b）鐵損可降至電磁鋼板的10％。利用非晶態(tài)金屬所具備的高導(dǎo)磁率和低鐵損這兩大特性，便可使馬達(dá)效率超過(guò)原來(lái)的水平。

日立之所以要致力于提高馬達(dá)效率，其原因之一是日本國(guó)內(nèi)消耗的電力中馬達(dá)所占的比例較高（圖1）。

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省資源廳2004年的調(diào)查顯示，在日本國(guó)內(nèi)的電力消費(fèi)量中，馬達(dá)的比例達(dá)到51％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出第二位照明的17％和第三位加熱器的13％。如果能夠提高馬達(dá)的效率，便可降低整體的電力消費(fèi)量。還可滿足全球性節(jié)能要求。

隨著汽車向電動(dòng)化發(fā)展，今后采用馬達(dá)的部位趨于增多，比如電動(dòng)油泵、電動(dòng)助力方向盤(pán)、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)及電動(dòng)制動(dòng)器等。使用此次的技術(shù)，便可使用比原來(lái)更小的馬達(dá)，降低馬達(dá)的成本。

在電動(dòng)車（EV）及混合動(dòng)力車（HEV）領(lǐng)域，希望提高驅(qū)動(dòng)馬達(dá)效率的需求較大。如果是高效率的馬達(dá)，便可降低耗電，小容量充電電池便可確保持續(xù)行駛距離。電池成本目前普遍在10萬(wàn)日元/kWh左右，公認(rèn)占到車輛成本的一半。通過(guò)對(duì)馬達(dá)進(jìn)行改進(jìn)，便可減少電池配備量，將車輛價(jià)格降至比現(xiàn)在更低的水平。

提高馬達(dá)效率的另一原因在于，馬達(dá)磁鐵所使用的釹（Nd）等稀有金屬的價(jià)格不斷上漲。通過(guò)提高馬達(dá)的效率，可實(shí)現(xiàn)不依賴于稀有金屬，而以鐵氧體磁鐵等代替的馬達(dá)。為此，馬達(dá)廠商及汽車廠商都在大力開(kāi)發(fā)不依賴于稀有金屬的產(chǎn)品。圖3：結(jié)合軸向型馬達(dá)進(jìn)行開(kāi)發(fā)非晶態(tài)金屬?gòu)钠浼庸ば钥紤]，適于在軸向型馬達(dá)上使用。以往使用電磁鋼板的馬達(dá)鐵芯被廣泛用于徑向型馬達(dá)的構(gòu)造。充分發(fā)揮非晶態(tài)金屬的特點(diǎn)

此次開(kāi)發(fā)的使用非晶態(tài)金屬的馬達(dá)，其設(shè)想的第一目標(biāo)并非用于EV/HEV的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，而是電動(dòng)泵等數(shù)100W級(jí)的輔助馬達(dá)。表2馬達(dá)構(gòu)造的比較以往的徑向型馬達(dá)與此次的軸向型馬達(dá)的構(gòu)造比較。鐵芯形狀、線圈卷繞方法及磁鐵種類等不同。非晶態(tài)金屬的優(yōu)點(diǎn)在于，與電磁鋼板相比導(dǎo)磁率高，鐵損只有1/10（理論值）（圖2）。由于導(dǎo)磁率高，因此在提高磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁通密度就會(huì)增加。并且上升轉(zhuǎn)折點(diǎn)流暢。這意味著線圈中流過(guò)少量電流時(shí)，就會(huì)有功率及轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。由于能夠細(xì)致地控制馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，因此可提高車輛舒適性。圖4：試制馬達(dá)的構(gòu)成部件（a）鐵芯的制造方法。卷繞非晶態(tài)金屬。（b）鐵芯體。（c）在鐵芯周圍卷繞線圈。（d）通過(guò)配置多個(gè)鐵芯形成定子部分。（e）安裝鐵氧體磁鐵。（f）試制馬達(dá)的外觀。而另一方面，由于電磁鋼板的導(dǎo)磁率低，所以不施加較大磁場(chǎng)的話，磁通量就不會(huì)上升。由于磁通量上升曲線陡峭，因此要產(chǎn)生流暢的功率及轉(zhuǎn)矩，還是非晶態(tài)金屬更勝一籌。

非晶態(tài)金屬比電磁鋼板硬5倍左右，很難進(jìn)行沖壓及切削等加工。在材料成本上，非晶態(tài)金屬與電磁鋼板相同。雖然此前也知道使用非晶態(tài)金屬可提高馬達(dá)效率，但最大的問(wèn)題是加工效率太低，不能用于馬達(dá)。

用于軸向間隙式馬達(dá)

日立制作所斷定，將非晶態(tài)金屬用作定子鐵芯時(shí)，適合的馬達(dá)構(gòu)造并非原來(lái)的徑向游隙型，而是軸向游隙型（圖3）。如果是軸向游隙型馬達(dá)，定子馬達(dá)鐵芯的形狀就會(huì)十分簡(jiǎn)單，不存在制約非晶態(tài)金屬的加工性問(wèn)題。

該公司試制的軸向游隙型馬達(dá)采用由兩片轉(zhuǎn)子平行夾著定子的構(gòu)造。其工作原理是：在線圈中流過(guò)電流，由此在各定子鐵芯的軸方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)，這時(shí)由粘貼在轉(zhuǎn)子上的鐵氧體磁鐵和定子鐵芯產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

定子鐵芯采用只將非晶態(tài)金屬薄板卷起的簡(jiǎn)單構(gòu)造。與徑向游隙型相比，除了線圈纏繞更輕松之外，線圈纏繞面還較為平坦，可提高占積率（表2）。由于鐵芯可纏繞制作，因此與電磁鋼板不同，無(wú)需通過(guò)沖壓進(jìn)行沖孔加工，材料成品率與原來(lái)的40～50％相比，可提高至接近100％。

由于使用的是非晶態(tài)金屬，因此鐵芯的導(dǎo)磁率高，鐵損低。磁鐵可以使用廉價(jià)的鐵氧體而非釹類等稀有金屬。不過(guò)，非晶態(tài)金屬存在飽和磁化值比電磁鋼板低的制約，不適于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等數(shù)10kW的高功率產(chǎn)品。主要可用于電動(dòng)油泵等數(shù)100W型的馬達(dá)。圖5：鐵芯渦電流的抑制對(duì)策（a）由鐵芯中渦電流導(dǎo)致的鐵損的比較。通過(guò)在鐵芯上加入切口來(lái)抑制渦電流。（b）鐵芯的照片（加入切口前后）原來(lái)的徑向游隙型馬達(dá)將定子配置在圓狀轉(zhuǎn)子的周圍。而且，在定子上卷繞線圈時(shí)線圈就會(huì)向馬達(dá)外側(cè)凸出，使馬達(dá)的外周尺寸變大。圖6：試制馬達(dá)的性能與原來(lái)使用釹類磁鐵的馬達(dá)相比，試制馬達(dá)雖然采用的是鐵氧體磁鐵，但效率卻提高了約5％。目前整個(gè)效率已提高至93％。此次試制的軸向游隙型馬達(dá)由定子鐵芯、定子上巻繞的線圈及轉(zhuǎn)子等構(gòu)成（圖4）。為了提高鐵芯的占積率，非晶態(tài)金屬是以填滿空隙的方式卷繞的。作為渦電流對(duì)策，在卷繞非晶態(tài)金屬形成鐵芯后進(jìn)行了浸入樹(shù)脂處理，使金屬層之間不易發(fā)生渦電流。另外，為了對(duì)定子進(jìn)行固定，還在馬達(dá)外殼內(nèi)對(duì)定子鐵芯進(jìn)行了樹(shù)脂澆注處理。

僅是以上做法渦電流對(duì)策仍不充分（圖5），還會(huì)沿著纏繞非晶態(tài)金屬的方向生產(chǎn)渦電流。作為對(duì)策，通過(guò)電火花加工對(duì)部分鐵芯進(jìn)行切割，加入了切口。從而大幅降低了馬達(dá)在無(wú)負(fù)荷條件下由非晶態(tài)金屬定子鐵芯的過(guò)電流導(dǎo)致的鐵損。

馬達(dá)效率達(dá)到93％

馬達(dá)額定輸出功率約為150W時(shí)，以往馬達(dá)的效率為80％左右，而此次試制馬達(dá)最初就提高到了85％左右（圖6）。通過(guò)改進(jìn)馬達(dá)鐵芯的形狀，試制馬達(dá)的效率最近又進(jìn)一步提高，成功達(dá)到了93％。

此次試制的馬達(dá)，尺寸為直徑100mm×高60mm。采用磁鐵8極、鐵芯12個(gè)的構(gòu)造。額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，額定轉(zhuǎn)矩為0.64N·m。

今后日立還將繼續(xù)改進(jìn)馬達(dá)的材料和構(gòu)造，推進(jìn)有助于馬達(dá)小型高效化的技術(shù)開(kāi)發(fā)。（特約撰稿人：日立研究所馬達(dá)技術(shù)創(chuàng)新中心主任研究員榎本裕治）電動(dòng)汽車拆解：馬達(dá)(十)--借助輔助線圈控制磁場(chǎng)，稀土類磁鐵減少一半(上)作者：小坂卓日期：2010-08-13關(guān)鍵字：馬達(dá)線圈來(lái)源：日經(jīng)BP日本名古屋工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了采用輔助線圈提高輸出功率密度的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)。通過(guò)改變?cè)谳o助線圈中流通的直流電的方向，可增強(qiáng)或者減弱永久磁鐵的磁通。在馬達(dá)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，借助“增強(qiáng)磁場(chǎng)”來(lái)提高輸出功率。如果轉(zhuǎn)速升高時(shí)，則可通過(guò)“減弱磁場(chǎng)”來(lái)降低反電動(dòng)勢(shì)及鐵損，從而提高效率。名古屋工業(yè)大學(xué)面向EV(電動(dòng)汽車)及HEV(混合動(dòng)力車)用途，開(kāi)發(fā)出了提高輸出功率密度的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)(圖1)。其特點(diǎn)是，為了提高輸出功率密度，不像以往那樣大量使用稀土類磁鐵，而是采用了在定子一側(cè)追加輔助線圈，借此補(bǔ)充稀土類磁鐵的磁通的構(gòu)造。在只有豐田于2005年推出的“雷克薩斯RX400h”驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的磁鐵量一半的情況下，卻獲得了同等的輸出功率密度。圖1此次開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的構(gòu)造與以往的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)一樣，在轉(zhuǎn)子的外周側(cè)配置定子。此次新增的一點(diǎn)是，以從左右?jiàn)A持轉(zhuǎn)子面的方式配置輔助線圈。驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的輸出功率及扭矩與稀土類磁鐵的量成比例。一般情況下，為了提高輸出功率，大多是增加磁鐵用量。然而，保證磁鐵在高溫下不退磁的添加劑Dy(鏑)等稀土類元素大多依賴從中國(guó)進(jìn)口，因此，除了有不能穩(wěn)定供給的風(fēng)險(xiǎn)之外，價(jià)格也有上漲的可能。采用輔助線圈進(jìn)行的嘗試新開(kāi)發(fā)的馬達(dá)與以往的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)一樣，由定子(主線圈)及轉(zhuǎn)子構(gòu)成。新增加的一點(diǎn)是，在馬達(dá)內(nèi)部追加了可增強(qiáng)或者減弱永久磁鐵的磁通的輔助線圈(圖2)。輔助線圈以?shī)A持轉(zhuǎn)子表面的方式進(jìn)行配置。每臺(tái)驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)使用2個(gè)輔助線圈。雖然稀土類磁鐵產(chǎn)生的磁通一直保持恒定，但通過(guò)追加輔助線圈，就能根據(jù)轉(zhuǎn)速及扭矩，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充磁鐵的磁通的“增強(qiáng)磁場(chǎng)”以及相反的“減弱磁場(chǎng)”(圖3)。圖2驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的試制機(jī)照片為1/3尺寸的試制機(jī)。通過(guò)仿真已確認(rèn)，可以與現(xiàn)有混合動(dòng)力車的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)相同的尺寸產(chǎn)生同等的輸出功率。圖3通過(guò)輔助線圈進(jìn)行的磁場(chǎng)控制通過(guò)對(duì)輔助線圈中流通的電流進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)磁場(chǎng)及減弱磁場(chǎng)。采用輔助線圈方式的提案，并不是第一次。美國(guó)威斯康辛(Wisconsin)大學(xué)的T.A.Lipo等人曾經(jīng)發(fā)表過(guò)此類提案。威斯康辛大學(xué)的方式是，沿定子的圓周方向?qū)⑤o助線圈配置在定子中。不過(guò)，轉(zhuǎn)子及定子的鐵芯不是硅鋼板及軟磁性復(fù)合材料(SMC)，而是采用了軟鐵塊。由于是軟鐵塊，因而具有磁通可在馬達(dá)的軸方向上流通的優(yōu)點(diǎn)，但由于時(shí)常會(huì)產(chǎn)生渦電流，因此效率較差。而名古屋工業(yè)大學(xué)在仿真的基礎(chǔ)上，不僅成功地借助輔助線圈產(chǎn)生了接近于磁鐵磁力3倍的磁通，還通過(guò)減弱磁場(chǎng)將磁鐵磁力減小到了零(圖4)。圖4的縱軸表示輔助線圈產(chǎn)生的磁通的強(qiáng)度?？v軸0為輔助線圈中沒(méi)有電流流通的狀態(tài)，只有磁鐵的磁通在其中流通。如果縱軸為100(%)，則是可借助輔助線圈產(chǎn)生與磁鐵相同的磁通?？v軸為258%時(shí)，可產(chǎn)生磁鐵的2.58倍的磁通。圖4磁場(chǎng)控制的對(duì)比以(a)實(shí)際大小(仿真)、以及(b)1/3比例尺(仿真與實(shí)測(cè)值)測(cè)量了增強(qiáng)磁場(chǎng)及減弱磁場(chǎng)的數(shù)值。增強(qiáng)磁場(chǎng)的理想狀態(tài)是，在較小的電流下數(shù)值增大。減弱磁場(chǎng)的理想狀態(tài)是，可在較小的電流下使磁場(chǎng)減小到零(調(diào)整率為-100%)。同樣，-100(%)表示可借助輔助線圈消除磁鐵的磁力。橫軸表示磁場(chǎng)。較小的電流便能使縱軸數(shù)值發(fā)生變化的話，則效率較高。為了確認(rèn)仿真的數(shù)值，我們?cè)?/3尺寸的馬達(dá)上將試制品與仿真結(jié)果(3維FEM)進(jìn)行了對(duì)比。其結(jié)果是，通過(guò)仿真及試制機(jī)在增強(qiáng)磁場(chǎng)及減弱磁場(chǎng)時(shí)都獲得了同等的數(shù)值。馬達(dá)的工作狀態(tài)使得磁場(chǎng)發(fā)生變化采用增強(qiáng)磁場(chǎng)及減弱磁場(chǎng)兩者中的哪一種，取決于驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的工作狀態(tài)。具體而言，剛剛起動(dòng)之后等轉(zhuǎn)速較低時(shí)由于需要較大的扭矩，因此采用增強(qiáng)磁場(chǎng)(圖5)。而在轉(zhuǎn)速較高(高速巡航時(shí))時(shí)，為了與轉(zhuǎn)速以及磁鐵的磁通成比例地降低定子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)及鐵損，則采用減弱磁場(chǎng)。此時(shí)如果能降低反電動(dòng)勢(shì)，則可提高效率。圖5驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及扭矩圖在較低的轉(zhuǎn)速下，通過(guò)增強(qiáng)磁場(chǎng)使其產(chǎn)生較高的扭矩。而在較高的轉(zhuǎn)速下，通過(guò)改為減弱磁場(chǎng)，可降低反電動(dòng)勢(shì)及鐵損，從而通過(guò)效率。通常，如果馬達(dá)的轉(zhuǎn)速到達(dá)某一特定的數(shù)值，扭矩會(huì)降低。因此，以往的馬達(dá)采用了一些特別對(duì)策，例如：為了在轉(zhuǎn)速較高的區(qū)段也能產(chǎn)生扭矩，追加升壓器提高電壓使其運(yùn)行，或者在較高轉(zhuǎn)速下減少線圈的數(shù)量等。而且，雖然已知反電動(dòng)勢(shì)與磁鐵的磁通成比例增減，但由于此前不能將反電動(dòng)勢(shì)完全減小到零，因此，效率的提高存在極限。電動(dòng)汽車拆解：馬達(dá)(十)--借助輔助線圈控制磁場(chǎng)，稀土類磁鐵減少一半(下)作者：小坂卓日期：2010-08-16來(lái)源：日經(jīng)BP增強(qiáng)磁場(chǎng)及減弱磁場(chǎng)付諸實(shí)現(xiàn)在此次開(kāi)發(fā)的馬達(dá)中，輔助線圈起到增強(qiáng)磁場(chǎng)及減弱磁場(chǎng)的兩種作用(圖6)。在減弱磁場(chǎng)時(shí)，可通過(guò)施加與磁鐵磁力相反方向的磁通，使磁鐵的磁通減小到零。其結(jié)果是，可降低(包括降低到零)施加在定子上的反電動(dòng)勢(shì)，并可將定子的電流高效率地轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力。圖6磁通流的變化。(a)輔助線圈中沒(méi)有直流電流通時(shí)的磁通流(轉(zhuǎn)子的永久磁鐵所產(chǎn)生的)。(b)在輔助線圈中通入直流電，增加了增強(qiáng)磁場(chǎng)的磁通時(shí)。(c)在輔助線圈中與(b)逆向通入電流，增加了減弱磁場(chǎng)的磁通時(shí)。通過(guò)馬達(dá)的磁通，與以往驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)的磁通不同。具體而言，此前的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)在轉(zhuǎn)子與定子之間，磁通沿著2維方向通過(guò)。而此次的馬達(dá)在轉(zhuǎn)子與定子間產(chǎn)生3維(包括馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸的方向)的磁通。以往的EV及HEV所采用的轉(zhuǎn)子及定子，為硅鋼板堆疊而成的構(gòu)造。雖然在硅鋼板堆疊的方向(馬達(dá)的軸方向)上磁通不容易通過(guò)，但在薄板內(nèi)磁通容易通過(guò)。因此，以往是以2維的磁通為前提來(lái)設(shè)計(jì)馬達(dá)的。而此次開(kāi)發(fā)的馬達(dá)由于采用了磁通可3維通過(guò)的構(gòu)造，因此，在馬達(dá)的厚度方向上磁通也能通過(guò)。磁通2維通過(guò)的部位像以前一樣由硅鋼板堆疊而成，而磁通沿馬達(dá)的軸方向通過(guò)的部位則換成了SMC(軟磁性復(fù)合材料)。SMC是對(duì)鐵粉等具有磁性的粒子表面進(jìn)行絕緣皮膜處理而成的。雖然在所有方向上允許磁通通過(guò)，但由于進(jìn)行了絕緣處理，因而具有渦電流損失較少的優(yōu)點(diǎn)。允許磁通3維通過(guò)的鐵芯與已有的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)相比，此次馬達(dá)的構(gòu)造在轉(zhuǎn)子及定子的構(gòu)造、永久磁鐵的配置、鐵芯的配置及材料、輔助線圈的使用這些方面有所不同。轉(zhuǎn)子與永久磁鐵采用的是由2枚轉(zhuǎn)子夾持圓盤(pán)狀永久磁鐵的構(gòu)造。雖然轉(zhuǎn)子是由硅鋼板堆疊而成的，但采用了轉(zhuǎn)子的軸附近配置SMC、從而使磁通可沿軸方向通過(guò)的構(gòu)造。由于2枚轉(zhuǎn)子的相位相互交錯(cuò)重疊在一起，因此，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鐵磁通成為貫穿作為定子的主線圈的交鏈磁通。如果一次線圈的磁通發(fā)生變化、則二次線圈上就會(huì)產(chǎn)生電壓，交鏈磁通符合電磁感應(yīng)原理。一次線圈為磁鐵及輔助線圈，二次線圈相當(dāng)于主線圈。假如2枚轉(zhuǎn)子不錯(cuò)開(kāi)相位而重合在一起，那么，由于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鐵磁通與作為定子的主線圈的磁通不交差，因此，兩者的磁通不會(huì)成為交鏈磁通。即使改變一次線圈的磁通，如果一次線圈的磁通不貫穿二次線圈的話，那么二次線圈的電壓仍不會(huì)發(fā)生變化。輔助線圈以從左右?jiàn)A持轉(zhuǎn)子的方式，配置在主線圈端部的內(nèi)側(cè)。在新開(kāi)發(fā)的馬達(dá)中，定子(主線圈)中流通的電流像以前一樣為3相交流電，但輔助線圈中流通的電流為直流電。可根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及扭矩的數(shù)值，改變輔助線圈中流通的直流電的方向。通過(guò)改變輔助線圈的電流方向，即可增強(qiáng)磁鐵的磁通、或者消除磁鐵的磁通。輔助線圈被SMC的鐵芯覆蓋，磁通在輔助線圈的鐵芯中通過(guò)。磁鐵的磁通有兩種此次開(kāi)發(fā)的馬達(dá)設(shè)想用于輔助線圈中一直有電流流通的用途。不過(guò)，即使輔助線圈中沒(méi)有電流流通時(shí)，被2枚轉(zhuǎn)子夾持的永久磁鐵仍會(huì)產(chǎn)生磁通。永久磁鐵的一個(gè)面為N極，相反的面為S極。其結(jié)果是，靠近永久磁鐵的N極面的轉(zhuǎn)子整體成為N極，靠近永久磁鐵的S極的轉(zhuǎn)子整體成為S極。從嵌入轉(zhuǎn)子的磁鐵的N極流向S極的磁通有兩種。一種是(1)按N極的轉(zhuǎn)子→定子(主線圈)→S極的轉(zhuǎn)子這個(gè)順序流通的磁通。這種磁通成為與主線圈交差的“交鏈磁通”，因此，是做功的磁通。另一種是(2)按磁鐵的N極→N極側(cè)輔助線圈的鐵芯→定子的外側(cè)鐵芯→S極側(cè)輔助線圈的鐵芯→磁鐵的S極這個(gè)順序流通的磁通。第(2)種磁通不與主線圈產(chǎn)生交鏈，因此，是不做功的磁通。當(dāng)需要增強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，向輔助線圈中通入電流，以使第(1)種磁通流中從轉(zhuǎn)子流向定子的磁通、以及從定子流向轉(zhuǎn)子的磁通增加。需要減弱磁場(chǎng)時(shí)，向輔助線圈中通入電流，以消除磁鐵的磁通。在此次仿真過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了與2005年推出的雷克薩斯RX400h上配備的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)相同的尺寸、以及相同的輸出功率密度(最高輸出功率為123kW、輸出功率密度為3.4kW/kg)。另外，我們還制作了真機(jī)的1/3試制機(jī)。在試制機(jī)上，將轉(zhuǎn)子與定子之間的空間(Gap)設(shè)為0.3mm，將轉(zhuǎn)子與輔助線圈之間的空間設(shè)為0.5mm。雖然轉(zhuǎn)子與輔助線圈之間的空間通過(guò)計(jì)算為0.2mm，但考慮到安裝誤差等，我們將其擴(kuò)大到0.5mm后進(jìn)行了組裝。與RX400h的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)相比，仿真時(shí)實(shí)現(xiàn)了同等的輸出功率密度(表)。本研究項(xiàng)目是在日本NEDO(新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))的委托業(yè)務(wù)“新一代汽車用高性能蓄電系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)”的支持下實(shí)施的。電動(dòng)汽車拆解：馬達(dá)(十一)--通過(guò)切換馬達(dá)線圈，在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持輸出功率作者：山田健二日期：2010-06-11來(lái)源：日經(jīng)BP安川電機(jī)開(kāi)發(fā)出了供EV(電動(dòng)汽車)及HEV(混合動(dòng)力車)使用的“QMETDrive”馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化(圖1)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用了稱為“QMET”(QualifiedMagneto-ElectoronicTransmission)的技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來(lái)切換電流流經(jīng)的線圈，從而使馬達(dá)一直保持90%以上的效率。圖1：驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)“QMETDrive”采用通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)切換驅(qū)動(dòng)馬達(dá)線圈的“QMET”技術(shù)。(a)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、(b)逆變器。原來(lái)的馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)存在某一扭矩和速度(轉(zhuǎn)速)下效率達(dá)到最高值的點(diǎn)，偏離該點(diǎn)，效率就會(huì)逐漸下降。采用低轉(zhuǎn)速下獲得高效率的設(shè)計(jì)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下效率顯著下降的問(wèn)題(圖2)。圖2：馬達(dá)效率分布效率高的點(diǎn)在低轉(zhuǎn)速范圍和高轉(zhuǎn)速范圍中有所不同。(a)通過(guò)切換線圈的數(shù)量，可大范圍確保效率高的點(diǎn)。(b)線圈切換馬達(dá)的效率分布示例。而切換線圈的馬達(dá)在高轉(zhuǎn)速下也可保持高效率。這樣，EV及HEV便可在控制所配充電電池容量的同時(shí)，確保持續(xù)行駛距離。新開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)在馬自達(dá)2009年開(kāi)始租售的串聯(lián)HEV“普利馬氫轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力車(PremacyHydrogenREHybrid)”上首次被采用。安川電機(jī)運(yùn)用QMET技術(shù)，在2010年開(kāi)發(fā)出了輸出功率不同的3種EV通用馬達(dá)。在串聯(lián)HEV上采用馬自達(dá)普利馬氫轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力車是一款串聯(lián)HEV。串聯(lián)HEV雖然配備有發(fā)動(dòng)機(jī)，但并非將發(fā)動(dòng)機(jī)直接用作驅(qū)動(dòng)力，而是被用于使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力。HEV起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，僅憑馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)。行駛時(shí)電池停止向馬達(dá)供電，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，憑借發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。另一方面，在坡道及超車等需要使用大功率進(jìn)行加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)起動(dòng)，通過(guò)電池和發(fā)電機(jī)同時(shí)提供電力來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。而減速時(shí)，馬達(dá)就起到發(fā)電機(jī)的作用。馬自達(dá)采用的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)“QMETDrive”由支持線圈切換的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、逆變器及電子式線圈切換電路(開(kāi)關(guān))構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在內(nèi)側(cè)配備了嵌入磁鐵的轉(zhuǎn)子，在外側(cè)則配備帶線圈的定子。EV及HEV使用的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)要求在低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)高扭矩以及大額定功率，但問(wèn)題是很難在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都保持高效率。而安川電機(jī)開(kāi)發(fā)的馬達(dá)在低轉(zhuǎn)速時(shí)使用整個(gè)線圈，在高轉(zhuǎn)速時(shí)只使用約半個(gè)線圈，通過(guò)切換線圈，同時(shí)具有低速和高速時(shí)的馬達(dá)特性，從而可保持高效率。馬達(dá)的開(kāi)發(fā)背景在于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)存在的課題。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一般通過(guò)向線圈施加逆變器的電壓，使電流流過(guò)線圈，由此來(lái)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。但這時(shí)線圈上會(huì)與轉(zhuǎn)速成比例地產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，只能施加從逆變器電壓中扣除反電動(dòng)勢(shì)后的電壓，不讓電流流過(guò)線圈。由于扭矩與電流成比例，因此電流少的話，扭矩就會(huì)變小，進(jìn)而在某一轉(zhuǎn)速下變成零，這樣馬達(dá)轉(zhuǎn)速就無(wú)法超過(guò)某個(gè)水平。EV及HEV需要在低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)輸出扭矩，因此需要采取相應(yīng)的對(duì)策。為了解決這一課題，各公司以有別于向線圈輸出扭矩的目的，在不同于扭矩輸出用電流的相位上流過(guò)電流。也就是施加用以消除反電動(dòng)勢(shì)的“弱勵(lì)磁”(圖3)。雖然憑借弱勵(lì)磁可在某一程度的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出扭矩，但這樣仍不足以支持EV及HEV所需要的大轉(zhuǎn)速范圍。于是，安川電機(jī)導(dǎo)入了根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)切換線圈的QMET驅(qū)動(dòng)技術(shù)(圖4、5)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速達(dá)到指定數(shù)值時(shí)，就會(huì)切換馬達(dá)線圈，使反電動(dòng)勢(shì)降低。這時(shí)，在高轉(zhuǎn)速下也無(wú)需弱勵(lì)磁，從而保持高效率。圖3：抑制線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)高轉(zhuǎn)速時(shí)，為抑制線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，施加弱勵(lì)磁。此外還采用了線圈切換及升壓變頻器等手段。圖4：驅(qū)動(dòng)馬達(dá)線圈的構(gòu)成使用低轉(zhuǎn)速用和高轉(zhuǎn)速用兩種線圈。低轉(zhuǎn)速時(shí)使用整個(gè)線圈，而高轉(zhuǎn)速時(shí)減少線圈。圖5：線圈切換系統(tǒng)由切換線圈的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、逆變器及驅(qū)動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)有低轉(zhuǎn)速時(shí)使用的開(kāi)關(guān)1(SW1)和高轉(zhuǎn)速時(shí)使用的開(kāi)關(guān)2(SW2)，根據(jù)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定打開(kāi)哪一個(gè)。一般而言，為了克服線圈上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，大多在電池與逆變器之間使用升壓變頻器。即使線圈發(fā)生超過(guò)逆變器電壓的反電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)利用升壓變頻器提高逆變器的直流電壓，可由逆變器施加克服馬達(dá)反電動(dòng)勢(shì)的電壓。抑制反電動(dòng)勢(shì)但是，使用升壓變頻器時(shí)，除了需要提高逆變器中所配的功率半導(dǎo)體的耐壓值之外，升壓電路中的功率半導(dǎo)體及電抗器還會(huì)產(chǎn)生損失，從而使效率下降。以前的方法是即便效率略有所下降仍使用升壓變頻器。QMET驅(qū)動(dòng)技術(shù)可通過(guò)切換線圈降低馬達(dá)電壓，因此無(wú)需提高逆變器所配功率半導(dǎo)體的耐壓值，只需考慮線圈切換開(kāi)關(guān)中的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通損失，即可防止效率大幅下降。安川電機(jī)以前一直在機(jī)床主軸馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)業(yè)用途中，使用帶線圈切換功能的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。為了使該技術(shù)適用于EV及HEV，此次將機(jī)械式開(kāi)關(guān)換成了半導(dǎo)體(IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor)開(kāi)關(guān)。在切換時(shí)間上，將產(chǎn)業(yè)用途需要的數(shù)百ms縮短到了近于零秒(圖6)。圖6：抑制線圈切換時(shí)的不適感線圈切換前(低速)和后(高速)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化。由于轉(zhuǎn)速變化小，因此不會(huì)給用戶帶來(lái)不適感。QMET驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得用戶感覺(jué)不到切換線圈的動(dòng)作，從低速到高速、從高速到低速均可順利切換，即使在實(shí)際的車輛上，也不易察覺(jué)到線圈的切換動(dòng)作。至于線圈切換存在的課題，則是電力電纜數(shù)量的增加以及隨之而來(lái)的重量增加及布線復(fù)雜化。要想解決這些課題，需要將線圈切換開(kāi)關(guān)內(nèi)置到馬達(dá)中，像操縱普通三相馬達(dá)一樣實(shí)現(xiàn)線圈切換。為了將半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)內(nèi)置到馬達(dá)中，除了在結(jié)構(gòu)上下工夫，消除馬達(dá)線圈的熱量對(duì)半導(dǎo)體元件的影響之外，還提高了抗振動(dòng)性。三種通用馬達(dá)的最高輸出功率分別為47kW、60kW、120kW。通過(guò)提供三種功率不同的馬達(dá)，可滿足多種車型的需要。磁鐵非對(duì)稱配置為了提高驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的效率，安川電機(jī)對(duì)磁鐵的形狀和配置下了一番工夫(圖7)。安川電機(jī)將永久磁鐵設(shè)計(jì)成了呈V字形配置的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，而非左右對(duì)稱設(shè)置，提高了某一個(gè)方向的效率。圖7：驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子中嵌入的永久磁鐵的配置永久磁鐵呈V字形嵌入。通常為左右對(duì)稱(上)嵌入，而此次通過(guò)非對(duì)稱(下)嵌入提高了效率。這樣做的理由是車輛上的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)時(shí)分為前進(jìn)(正轉(zhuǎn))和后退(反轉(zhuǎn))兩種狀態(tài)，兩者相比，前進(jìn)占大部分使用頻率，所以前進(jìn)時(shí)的高效率更受重視。嵌入的磁鐵，其轉(zhuǎn)子和定子之間存在因磁鐵磁通量而相互吸引的磁鐵扭矩，以及轉(zhuǎn)子芯與定子芯之間產(chǎn)生的磁阻扭矩。通過(guò)改變嵌入磁鐵的形狀，便可錯(cuò)開(kāi)這些扭矩的相位。通過(guò)將磁鐵扭矩和磁阻扭矩的和、即合成扭矩設(shè)定到比對(duì)稱配置更大的水平，在產(chǎn)生相同扭矩時(shí)，便可減小流經(jīng)線圈的電流。也就是說(shuō)，盡管程度有限，但通過(guò)改變磁鐵配置位置能夠提高效率(圖8)。圖8：流經(jīng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流扭矩固定時(shí)正轉(zhuǎn)(前進(jìn)時(shí))和反轉(zhuǎn)(后通時(shí))的電流值比較。通過(guò)非對(duì)稱嵌入磁鐵，正轉(zhuǎn)時(shí)(加速或減速均)只需投入比反轉(zhuǎn)時(shí)少的電流。不斷進(jìn)化的充電電池和充電技術(shù)，EV之外再創(chuàng)新市場(chǎng)（上）關(guān)鍵詞：

·快速充電電池及非接觸充電技術(shù)進(jìn)步顯著

·這些技術(shù)將不僅只是推動(dòng)電動(dòng)汽車（EV）的普及

·還將開(kāi)創(chuàng)出充電電池的多種新市場(chǎng)，并給電力基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)影響

快速充電和非接觸充電技術(shù)的進(jìn)步可能會(huì)大大改變包括產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動(dòng)汽車在內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并開(kāi)創(chuàng)出新的市場(chǎng)（圖1）?？煽焖俪潆姷匿囯x子充電電池在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域推進(jìn)，或?qū)⑼苿?dòng)非接觸充電的引用。圖1：快速充電與非接觸充電的結(jié)合將會(huì)使市場(chǎng)擴(kuò)大

采用快速充電電池的電動(dòng)工具市場(chǎng)在迅速成長(zhǎng)。產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動(dòng)汽車使用電線的充電方式較為麻煩，與非接觸充電相結(jié)合是擴(kuò)大市場(chǎng)的關(guān)鍵。具體而言，無(wú)人搬運(yùn)機(jī)、產(chǎn)業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)設(shè)備，和新一代有軌電車、巴士和商用車輛等在固定線路運(yùn)營(yíng)的電動(dòng)汽車等將對(duì)非接觸充電的應(yīng)用起到推動(dòng)作用。這是由其充電安全性的提高和方便省事的優(yōu)點(diǎn)所決定的。

共振方式備受期待

目前，可為電動(dòng)汽車等充電的大功率非接觸充電技術(shù)的開(kāi)發(fā)比以往任何時(shí)候都興盛。其中，共振方式的非接觸充電技術(shù)引起極大關(guān)注。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）于2007年6月，美國(guó)英特爾于2008年8月發(fā)表了利用磁場(chǎng)耦合共振的技術(shù)，成為熱門(mén)話題，至今仍令人記憶猶新。盡管傳輸效率只有40％左右，但使用該技術(shù)有望對(duì)行駛中的汽車充電，其相關(guān)研發(fā)日趨活躍。

新共振方式的非接觸充電也已亮相。這就是竹中工務(wù)店開(kāi)發(fā)中的利用電場(chǎng)耦合共振的技術(shù)（圖2）。該技術(shù)雖然需使送電端與受電端緊貼，但在水平方向錯(cuò)位的狀態(tài)下也可供電，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生像現(xiàn)在已應(yīng)用的電磁感應(yīng)式的非接觸充電圖2：以電場(chǎng)耦合方式供電

竹中工務(wù)店正在開(kāi)發(fā)利用電場(chǎng)耦合原理的供電系統(tǒng)（a）。使用串聯(lián)諧振的供電系統(tǒng)成功地以90％的效率向白熾燈泡供應(yīng)了100W電力。技術(shù)那樣，當(dāng)異物侵入時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱、以及電磁波、高頻波的泄漏等問(wèn)題。而且，與電磁感應(yīng)方式不同，共振方式不使用鐵氧體及利磁線圈，因此可降低設(shè)備的重量及成本。另外，只需擴(kuò)大接觸面積即可為大功率電器供電，這也是其優(yōu)點(diǎn)。

竹中工務(wù)店技術(shù)研究所尖端技術(shù)研究所材料工程部門(mén)主任研究員原川健一表示，“未來(lái)可望在工廠、辦公室及公寓的墻壁及地板中嵌入可非接觸充電的功能”。目前設(shè)想的用途是與直流供電系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人、建筑機(jī)械、醫(yī)療器械及家電產(chǎn)品等供電。并且，還將力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)停車時(shí)由地板伸出臂桿與車身接觸進(jìn)行快速充電的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)。

竹中工務(wù)店正在開(kāi)發(fā)的使用電場(chǎng)耦合共振的供電系統(tǒng)，分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種方式。兩者各具所長(zhǎng)：串聯(lián)諧振方式的構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，并聯(lián)諧振方式即使施加電壓降低也可高效送電。兩者的傳輸效率目標(biāo)值均為95％。

關(guān)于串聯(lián)諧振，已經(jīng)實(shí)施了向白熾燈泡傳輸100W電力的試驗(yàn)（圖2（b））。目前的傳輸效率為90％。頻率約為600kHz，接觸部分的絕緣膜為300μm。為了令一次側(cè)和二次側(cè)緊貼，在二次側(cè)的接觸部分粘貼了導(dǎo)電性硅片。串聯(lián)諧振的優(yōu)點(diǎn)在于，不僅電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，而且在結(jié)電容發(fā)生變化時(shí)，可用改變驅(qū)動(dòng)頻率的方法應(yīng)對(duì)。只是該方式有施加電壓會(huì)增高的傾向。

另一方面，并聯(lián)諧振據(jù)悉尚處在由反復(fù)進(jìn)行模擬研究的試制階段。并聯(lián)諧振的優(yōu)點(diǎn)在于，即使結(jié)電容降低也可高效送電，即使輸出功率高時(shí)，也可將施加電壓抑制在較低水平。但該方式存在電路構(gòu)成復(fù)雜的課題。竹中工務(wù)店表示，“目標(biāo)是希望2012年前后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化”（原川）。

快速充電在電動(dòng)工具領(lǐng)域大獲成功

非接觸充電技術(shù)雖大有興起之勢(shì)，但其應(yīng)用的前期階段是快速充電鋰離子電池的采用。實(shí)際上，已有產(chǎn)品通過(guò)采用快速充電鋰離子電池提高了易用性，從而擴(kuò)大了銷售額的事例。這就是電動(dòng)工具。

電動(dòng)工具對(duì)鋰離子充電電池的采用始于2004～2005年，近幾年飛速擴(kuò)大。電動(dòng)工具大廠商之一牧田（MAKITA）表示，電動(dòng)工具用鋰離子充電電池組的全球供貨量在迅速增加，2005年第一季度僅為100萬(wàn)單元，2006年第一季度即增至400萬(wàn)單元，2007年第一季度增至900萬(wàn)單元，2008年第一季度更進(jìn)一步增至1300萬(wàn)單元。

牧田開(kāi)發(fā)技術(shù)本部技術(shù)管理部開(kāi)發(fā)企劃課系長(zhǎng)后藤宗利坦言“我們?cè)鴮?duì)將鎳氫充電電池?fù)Q成鋰離子充電電池是否真的能贏得市場(chǎng)半信半疑”。市場(chǎng)需求迅速擴(kuò)大的主要原因在于，鋰離子充電電池既有重量輕又有與插電式幾乎相同的輸出功率特性的優(yōu)點(diǎn)，再加上最快15分鐘即可充滿電的快速充電功能（圖3）。圖3：可15分鐘快速充電的牧田電動(dòng)工具

牧田上市了15分鐘即可充滿電的電動(dòng)工具（a，b）。通過(guò)采用鋰離子充電電池，可大大縮短原來(lái)使用鎳氫充電電池及鎳鎘電池的電動(dòng)工具需時(shí)數(shù)十分鐘的充電時(shí)間（c）。以前美國(guó)消費(fèi)者認(rèn)為電動(dòng)工具的機(jī)身和電池組越重越大，驅(qū)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)，機(jī)器就越堅(jiān)固。而使用鋰離子電池的電動(dòng)工具的面世，使“這一認(rèn)識(shí)發(fā)生了重大變化”（后藤）。這是由于，鋰離子電池即使重量輕也能夠以滿功率長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)，而且電池電量用完后還可迅速充電?！俺说蛢r(jià)位產(chǎn)品還能暢銷的新興市場(chǎng)國(guó)家之外，其他市場(chǎng)基本上都會(huì)轉(zhuǎn)向鋰離子充電電池的電動(dòng)工具”（后藤）。事實(shí)上，該公司采用鋰離子充電電池的電動(dòng)工具銷售額已是連年倍增。

充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)出現(xiàn)熱潮

與電動(dòng)工具一樣，充電時(shí)間短還有望成為電動(dòng)汽車普及的重要武器。電動(dòng)汽車的弱點(diǎn)之一就在于一次充電的持續(xù)行駛距離較短。如果與快速充電結(jié)合，這一弱點(diǎn)便可得以減輕。也許是受這一因素的推動(dòng)，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)最近在各國(guó)活躍起來(lái)。

比如，美國(guó)BetterPlace公司正積極準(zhǔn)備在以色列、丹麥、