為了提高燃油效率並遵守排放法規，日立汽車系統有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)正在開發更小、更輕、功率密度更高的電傳動系統。
該公司通過提供逆變器、電動機和電池產品，以及集成這些產品的技術解決方案，為汽車的環保性能做出貢獻。
儘管長期用於車輛動力傳動系的內燃機一直在不斷髮展，但自本世紀初以來，隨著全球範圍內環保型二氧化碳減排舉措的推廣，僅傳統內燃機車輛就可達到的法規遵從性限制預計將在2020年到2025年來臨。
因此，混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車（EV）作為環保型替代品的引進有望在全球範圍內增長。
自上世紀90年代以來，日立汽車系統有限公司一直在為這些電動汽車開發和供應電力傳動系統，並繼續開發技術和提高性能，以期待未來環保汽車的普及。
這篇文章討論了應用在電動汽車電控、電機和電池上的電力組件技術，以及他們的集成技術。
逆變器小型化技術
逆變器採用脈寬調製(PWM)控制，將儲存在電池中的直流電(DC)轉換為交流電(AC)，當車輛需要驅動時由電池將電能輸出給驅動電機，當需要功率再生時進行能量再生操作為電池充電。
由於車輛上的可利用空間是十分有效的，更小型的逆變器的要求不斷被車企提出。為逆變器開發高功率密度的電路板成為一項持續不斷的工作。
與此同時，高性能的逆變器控制技術也被用來進行扭矩控制、電機轉速控制、能量回收控制，同時按照ISO26262標準要求進行包括異常檢測、故障診斷和指定的功能安全措施。
為了實現這些機載應用的需求，需要在高壓主電路和高性能控制電路方面進行創新，並改進結構設計技術，以便將這些組件封裝在一個緊湊的PACK中，同時使機載應用能夠持久地抵抗汽車的振動和產生的熱量。
高功率密度和高壓主電路
對450V級別的電池來說，混動和純電動汽車的逆變器的大部分體積來自於高壓主電路，所以改進主電路組件部分是減小逆變器尺寸的關鍵。
日立汽車系統(Hitachi Automotive Systems)通過開發雙面冷卻電源模塊技術，實現了逆變器尺寸的大幅縮小。該技術使用不含熱油脂的冷卻水，使逆變器產生大部分熱量的高壓電源模塊能夠直接冷卻(見圖1)。
圖 1 - 雙面冷卻功率模塊
該結構能夠直接用冷卻水對功率半導體進行雙面冷卻，降低熱阻，提高功率密度。
直接雙面冷卻結構大大降低了熱阻，使電流和功率密度更高。
該雙側冷卻電源模塊的電流輸出也可以通過改變所安裝的芯片和部分封裝組件進行縮放，以適應不同的車輛重量等級。
該模塊的二合一結構使設計更加緊湊，主電路電感可降低，減少發電損耗，配置保證了逆變器PACK內佈局一定程度的自由度。
高性能的控制電路
車載逆變器需要高性能的矢量控制操作，使用可變電壓、電流和工作頻率的要求，實現電動汽車的啟動、加速/減速和停止的基本操作。
這些逆變器還需要使用控制器區域網絡(CAN)或FlexRay支持大容量、高速通信、異常檢測、扭矩安全、故障診斷和功能安全等功能。
為滿足這些需求，日立開發了高性能電機控制電路技術，內置高性能中央處理器（CPU）和緊湊型功能電路。
以及響應來自控制電路的驅動信號以操作主電路電源模塊的柵極控制電路。
它們需要以足夠高的速度和電流運行，以跟上電力設備的最新性能發展趨勢，同時確保安全可靠運行。
為了滿足這些需求，日立公司開發了一種由高性能集成電路（IC）驅動的緊湊型門控電路。
緊湊、高可靠性的集成結構
上述技術已應用於日立開發並應用於產品的緊湊、高度可靠的集成結構中。
在滿足車載安裝要求的同時，具有較高的可靠性和耐久性。
圖2所示的示例產品與之前的日立汽車系統產品相比，尺寸減小了40%，產量更高。
圖 2 - 高功率密度逆變器
同時，該產品還開發了一種效率最高為94%的高效DC/DC變換器。
隨著下一代低損耗SiC功率元件的使用，功率模塊和驅動系統的不斷髮展應減少逆變器的尺寸，並增加電動汽車的行駛里程，推動未來幾年電動汽車數量的增長。
它提供了車載逆變器所需的功能，而緊湊、高可靠性的封裝將尺寸縮小40%，並增加了與以前的日立汽車系統產品相比的輸出。
高效電機技術
標準電機背後的概念是通過設計適合各種不同類型電動汽車（HEV、EV、PHEV）以及不同尺寸的電機標準，來減少開發工作量，並標準化部件、生產設備和製造實踐。同時還提供小尺寸、輕重量、高輸出、高效率、安靜運行和低振動等功能。
開發方法是在提高開發效率的同時，開發一種低成本的電機。針對不同主機廠的不同接口尺寸，允許在不同類型的車輛上以標準化的方式設計車輛佈局，滿足廣泛輸出要求的輸出特性，適合不同類型電動車輛特性以及一系列模型變量。
標準電機定子繞組法
為使標準電機定子繞組尺寸小、轉矩密度高，選用方絲波繞組。與過去使用的帶圓線的分佈式繞組相比，帶方線的繞組在空間係數（導體截面/槽截面）上提高了約20%，在電機輸出轉矩密度（輸出轉矩/（定子鐵心直徑）²×定子鐵心長度）上提高了約15%。通過改變線圈直線段的長度，波繞組分段線圈可以靈活地適應定子疊層長度的變化。
電機外徑尺寸的選擇
為了使用波繞法創建與不同尺寸的車輛和各種不同類型的電動車輛（如HEV、EV和PHEV）兼容的電機規格，日立汽車系統設計了4個不同外徑的定子，每個定子槽具有不同數量的線圈。
圖 3 - 每個定子設計中每個槽的線圈外徑和數量
圖3顯示了每個設計的定子外徑和每個槽的線圈數。
標準設計每個槽有4個線圈，定子外徑為φ200 mm。
第一種變化是在標準設計的外部增加2個線圈（每個槽總共6個線圈），定子外徑為φ215mm。
第二種變化增加了標準設計外的4個線圈（每個槽總共8個線圈），定子外徑為φ230 mm。
第三種變化是在內部增加2個線圈，在標準設計的外部減去2個線圈（每個槽總共4個線圈），定子外徑為φ185 mm。
通過保持定子內徑不變，改變各槽中的定子外徑和線圈數，設計出了與各種電機特性相適應的設計方案。
以129.5 mm定子內徑作為最小外徑（185 mm）的標準，在批量生產直徑為φ200 mm、φ215 mm和φ230 mm的定子時，可以通過在芯內徑側使用2線圈夾具來共享設備。
這四種定子設計可以在同一臺設備上生產。它們支持各種輸出特性和電機外徑，從加長的圓柱形EV電機到扁平型HEV電機（見圖4）。
圖 4 - 外徑為Φ200 mm、Φ215 mm、Φ230 mm定子的扭矩輸出特性
按照上述所述的設計進行配置，可以實現可變的外徑，使用波形繞組可以實現可變的定子疊層長度，從而可以使用相同的生產設備支持各種電動車輛的電機規格要求。
改變定子的外徑和疊層長度，可以與各種電機特性兼容。
新一代鋰離子電池組
電動汽車市場預測與倡議
作為一種提高燃油經濟性的技術，輕度混合動力系統最近一直吸引著人們的興趣。這些系統使用汽油發動機作為行駛輔助，以及電池和馬達動力。
預計全球輕度混合動力汽車產量將從2016年的約45萬輛增長到2023年的逾1280萬輛。
歐洲和中國的輕混合動力系統預計將特別快速增長，這是由48伏鋰離子電池驅動的，可以相對便宜地提高燃料消耗效率。
日立汽車系統（Hitachi Automotive Systems）在2016年3月宣佈開發一款適用於輕度混合動力汽車的48 V鋰離子電池組，以應對這些趨勢。開發工作將把混合動力汽車的鋰離子電池製造技術和電池管理系統（BMS）技術結合起來。
輕型混合動力汽車用48V鋰離子電池組的研製
鋰離子電池通過鋰離子在電極材料上的運動來進行充放電。到目前為止，電池的輸出密度一般是通過減小電極膜厚度來減小電阻來提高的。
但是，隨著輸出密度的增加，存儲能量的減少是一個問題。新的鋰離子電池組改進了微米級的電池電極結構，創造了一種更容易使鋰離子流動的結構。這種結構在不降低膜厚、增加輸出密度的情況下降低了電阻。
正負電極的材料組成也得到了改善，通過增加每單位重量可儲存的鋰的數量，增加了能量密度。與以前的產品相比，這些技術增加了25%的輸出密度和50%的能量密度。
通過降低電池內部的發熱和電阻，以及在鋰離子電池組外殼中使用具有高導熱和散熱性能的金屬，消除了對冷卻風扇的需求。這些進步提高了噪音，使設計更薄，安裝更自由（見圖5）。
圖 5 - 48 V 輕混合動力汽車用鋰離子電池組
輸出密度的提高使電機加速輔助期間的扭矩特性更好，最大輸出功率為12千瓦，從靜止加速時可獲得強大的性能。
最大輸入功率也可以達到15千瓦，使大量的再生能量在突然減速時能立即恢復，並減少能量損失。更好的輸入/輸出特性和更高的能量密度的結合有助於提高燃油經濟性（見表1）。
日立汽車系統公司的鋰離子電池也具有卓越的耐用性、低環境影響和安全性。通過與日立建築機械有限公司的聯合開發項目，這些功能正在開發和發佈ZH200-6混合液壓挖掘機的鋰離子電池模塊。
開發的電池組主要由電池模塊、BMS和接線盒組成。
表1 - 輕型混合動力汽車用48V鋰離子電池組主要技術條件
電力傳動系統仿真技術
電動動力總成部件的關鍵問題是如何單獨或與最終使用的其他部件組合達到所需性能。車輛是許多不同產品的集合，僅通過局部優化不太可能實現高性能。
日立汽車系統（Hitachi Automotive Systems）正利用模擬驅動分析來研究適合這些電動動力總成部件特定組合的產品規格和控制技術。
能量/nv耦合模擬器
除了電力來源外，電動動力總成系統也是機電產品，在系統內產生扭矩，包含旋轉轉子和類似部件的區域。
優化這些系統需要分析和驗證，包括功率性能和系統安裝在車輛上時產生的噪聲振動（機電問題）。
即使是具有高功率性能的車輛，如果它們產生高噪聲水平，在市場上也不可行。
日立汽車系統公司開發了一種能源/NV耦合系統模擬器，使其能夠在開發過程中驗證電動動力總成部件的性能，並評估NV在原型製作之前進行必要的設計改進。
舊的模擬方法通常分別分析能量和nv，當這些參數耦合到機電產品中時，必須創建一個原型來評估產生的振動、噪聲和熱量。
因此，有時需要對設計進行重大修改。使用耦合模擬器可以在原型製作之前提前研究振動、噪音和熱量，以便在那時進行改進。
該模擬器使產品階段驗證和性能保證更加可靠（見圖6）。
圖 6 - 能量/nv耦合模擬器
該模擬器分析了從電池流向逆變器和電機的能量，並對該能量在完全耦合狀態下產生的機械現象（噪聲、振動和熱）進行了模擬分析，以反饋給產品設計。
結論
本文討論了電動汽車中用作電動動力總成部件的逆變器、電機和蓄電池，以及分析這些部件組合的仿真技術。
電動動力總成部件通過電力電子和微處理器的改進而得到了發展，並將隨著汽車動力裝置的發展而不斷髮展。
日立正致力於開發能夠滿足不斷擴大的與環境兼容的汽車市場需求的產品，以幫助保護環境。
2月全球電動車銷量TOP20：Model 3重回榜首
蓋世汽車
根據EV Sales網站公佈的全球電動車銷量數據，在經歷1月份的銷量開門紅之後，今年2月份全球電動車註冊量增幅有所放緩，同比攀升31%至111,541輛，佔全球新車銷量的1.4%；其中純電動車（BEV）銷量同比增速達55%，佔據了全球新能源市場70%的市場份額。
車型銷量Top 20：特斯拉Model 3重回榜首
上個月，由於中國處於春節假期期間，中國電動汽車市場大幅放緩，1月份中國電動車創下的強勁表現也被逆轉，不僅特斯拉Model 3重新從比亞迪元手中奪回了冠軍的地位，大多數中國電動車型的銷量排名均出現了下降，只有三款國產電動車的排名有所上升，其中比亞迪唐PHEV上升一名來到第四名，奇瑞eQ爬升兩名到第8名，而吉利帝豪EV憑藉6,470輛的累計銷量從第18名攀升到第9名。比亞迪元EV雖然與冠軍失之交臂，但以14,425 輛的累計銷量位居亞軍，而日產聆風依然穩居第三。
伴隨著中國電動車銷量的下滑，一些老牌OEM廠商開始逐漸收復失地，其中三菱歐藍德PHEV上升一名來到第6位，雷諾Zoe則進步兩名排在第七，寶馬i3也進步了一名。此外現代Kona也很值得一提，繼續1月的攀升態勢來到第14名，預計後面幾個月其排名還將進一步上升。
剩下的榜單中，大眾e-Golf上升一名排在第16位著實讓人驚訝，畢竟該款車此前連續幾個月都沒有上榜，而隨著大眾ID系列掀背車的到來，e-Golf還能在TOP 20車型榜單中停留多久？讓我們拭目以待……
最後值得一提的兩款車是特斯拉Model X和寶馬530e，前者繼1月份跌出榜單之後，又回到第19名，重新成為特斯拉最暢銷車型之一；後者也躋入前20榜單，從今年前兩個月的累計銷量來看，該款車銷量超過特斯拉Model S，因此暫時成為全球最暢銷的全尺寸新能源汽車。
品牌銷量Top 20：比亞迪蟬聯銷冠 特斯拉重回亞軍
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