汽车电子图解

1、【汽车电子图解】（一）汽车与电子技术的密切关系汽车的性能取决于电子技术。虽然这种说法由来已久，即便是现在各种各样的技术仍不断地配 备到汽车上，使得汽车在不断地变化发展。与汽车电子化一道成长、不断推出新型汽车电子技术的 日本电装技术团队，将分多章回顾汽车电子技术，介绍关键技术的基础知识。本文将首先回顾汽车 与电子技术的发展史，并探讨两者的密切关系。要想理解汽车电子技术，就需要回顾一下汽车与电子两大技术在 20 世纪的发展史。图 1 为汽车与电子技术的发展历史。世界首辆汽油 4 轮汽车是在 1886 年由戈特利布戴姆勒（Gottlieb 戴姆勒） 发明的。汽车圆了“随时随地自由移动”这一人类多年来

2、的梦想。图 1：汽车及汽车电子技术的历史汽车的历史始于 1886 年，其发展得到了电子技术技术的推动。从那以后过了大约 20 年，美国福特汽车（Ford Motor）的“Model T”（通称 T 型福特）将工艺品似的的汽车改变成了工业产品。生产线通过传送带方式提高了生产效率，这在当时具有划时代意义。始于 19 世纪末的汽车就这样被 1908 年推出的 T 型福特带入了全面普及期。这款 T 型福特在大约 20 年间生产了 1500 万辆，然后，直到德国大众汽车（Volkswagen AG）的“Type 1”（通称甲壳虫）生产了 2100 万辆以上为止，T 型福特一直是单一车型中最热销的汽车。汽

3、车的实用化，是工业发展历史的集大成。也就是说，是产业革命由外燃机开始进一步引发能源革命，进而催生了内燃机。自 T 型福特以来，截至上世纪 60 年代为止，支撑汽车技术进步的是机械技术及制造技术。在这一时期，汽车业界通过机械加工及内燃机技术，实现了发动机性能的提升， 而且，与“行驶、转弯、停车”相关的性能全凭机械技术的进步便可提供支持，这一点足以令人称奇。电子技术是应对尾气排放规定的“救命稻草”另一大技术电子技术发端于 1947 年发明的晶体管，在此前不断发展形成的固体物理学及量子力学的理论的支持下，上世纪 60 年代以后电子技术取得了长足发展。从晶体管到 IC（集成电路）， 再经过微处理器，最

4、终促进了软件技术的发展。电子技术的应用遍及所有产业，在汽车电子技术领域的推广应用也毫不逊色于其他领域。对于因为苦于应对尾气排放规定而停滞不前的汽车产业而言，上世纪 70 年代后电子式燃料喷射装置的实用化可以是成为了汽车产业的一棵“救命稻草”。借助电子技术，该装置超越了此前机械控制的极限，在不牺牲输出功率及燃效等性能的情况下成功地实现了尾气净化。汽车电子技术的发展带来了机械技术的新进展，汽车借助电子技术与机械技术的相乘效应，进一步实现了发展。电子技术的应用领域也开始不仅限于发动机控制，而是向数字仪表、安全气囊、ABS（Anti-lock Brake System）以及汽车导航系统等领域不断扩展。

5、就这样，汽油 4 轮汽车发明以来已度过了大约 120 年的时光，晶体管度过了约 60 年、T 型福特度过了大约 100 年、微处理器度过了约 40 年的时光。且不说汽车电装部件，汽车电子技术得以全面发展的时期是在上世纪 70 年代电子式燃料喷射技术面世以后。首先被应用于以发动机控制为代表的动力传动控制领域，之后，汽车电子技术逐渐扩大到车体系统、行驶安全系统以及信息系统（图 2）。图 2：汽车电子技术应用产品的扩大:从动力传动系统向信息系统不断扩展动力传动系统方面，从减少尾气、节省燃耗的系统开始，目前发展到了混合动力车及电动汽车的驱动控制。车体系统方面，车门锁等旨在提高方便性的系统被开发出来，之

6、后，电子技术又为安全气囊以及 ABS 之类安全性能的提升作出了贡献。目前，由于汽车与外部之间的通信功能的进步，紧急通报以及远程服务等已实现了实用化。在从上世纪 90 年代开始全面普及的汽车导航系统的技术进步中，通信功能发挥了重要作用，近年来， 通信功能与 ETC（Electronic Toll Collection）系统等交通基础设施的联动得到了强化。图 2 仅作了一个简介，汽车电子技术的详细年表见本文末尾的表 1。今后，可进一步提高燃效以及用于安全预防的技术的应用产品将会越来越多。为了满足汽车所要求的环保性能、安全性、方便性以及信息高速处理等各领域的要求，新产品将会不断被开发出来。受益于半导

7、体的技术进步电子技术的进步，得益于半导体集成度的提高。图 3 通过单个 IC 中集成的元件数的逐年走势展示了这种进步，可以看出，其元件数呈几何级数式增加。图 3：半导体集成度提高的走势:IC 的元件数一直在加速增长。在作为上世纪 20 年代以来的固体物理学研究成果、量子力学的实际应用形成高潮是在 1947 年， William Shockley 等人发明了晶体管。单个的晶体管从点接触式发展到平板式，再发展到开发出将多个晶体管集成在 1 个元件中的、以 Kilby 专利为代表的集成电路，进而最终发明了微控制器。美国英特尔创始人之一的戈登摩尔（Gordon Moore）提出了摩尔定律：“半导体的集

8、成度每过1824 个月就会倍增”。集成电路应用产品一直在按照摩尔定律向前发展。如图 3 所示，双极 IC、MOS（金属氧化膜半导体）IC 以及内存等元件被开发出来，这些元件组成了单芯片微控制器，由此迎来了半导体技术的更大飞跃。当时正是全世界数量庞大的电子技术人员竞相进行技术开发的年代。微细化技术为上述微控制器的性能提升提供了支持，引领了软件产业的崛起，并一直为目前电子技术产业的发展提供着支持。汽车也是从中受益的一个领域。ECU 的变迁汽车上采用的 ECU（电子控制单元）的发展进程见图 4。（a）为在微控制器实用化以前就率先付诸实用的、采用模拟电路的电子式燃料喷射装置用 ECU。这种 ECU 采

9、用的是在 1973 年付诸实用的分立式（Discreet）元件实现的模拟方式。由此，发展出了如（b）所示的、由模拟 IC 构成的 ECU。当时的 IC 封装处于 DIP（Dual In-line Package）时代。图 4：ECU 的技术进步:与其他设备及系统一样，逐步从模拟方式向数字方式转变。是以微控制器为主体构成的数字式发动机 ECU。1978 年采用的定制微控制器为 12 位， 汇编语言方面采用了经过编程的软件。程序存储器为掩模型只读存储器（MaskROM），采用在微控制器制程中以晶圆状态进行制造的方式。照片为 1983 年车型的当时最为复杂的发动机 ECU。是由 2 个 32 位的微

10、控制器构成的现有动力传动 ECU。2007 年采用的这种 ECU 上使用的部件，全部为表面封装件。软件采用 C 语言进行编写。程序存储器为闪存，可从 ECU 的外部端子进行写入。如上所示，ECU 的规模、所采用的部件、封装的形状以及软件编写语言等都在与时俱进。汽车电子技术随着制造 ECU 的各种关键技术的进步而不断发展。这些关键技术具体是指：微控制器及 I/O（输入输出）的功能，传感器、致动器、软件及 ECU 的测评方法等。图 5：ECU 所需的关键技术噪声及电压过冲对策、散热对策、控制算法以及多重通信等多种技术都不可或缺。今后，为了不断满足提高燃效、减少尾气排放、提高安全性及便利性等多样化需

11、求，以半导体为代表，封装技术、软件技术以及测评技术等多种关键技术的进步必不可少。在这个意义上来说， 了解作为汽车电子技术基础的关键技术的现状及发展趋势，极为重要（图 5）。即便说这些关键技术将决定我们能否满足今后的系统需求也毫不为过。（未完待续，特约撰稿人：加藤光治，日本电装技术监督；中村克己，日本电装研究开发 3 部主任；手操能彦，日本电装技术策划部室长）【汽车电子图解】（二）解决了 EV 课题的 HEV，彻底剖析其系统和控制方式在 2009 年日本国内新车销量中，丰田“普锐斯（Prius）”以超过 20 万辆的业绩高居榜首，如今 HEV 已完全成为大众型汽车。HEV 通过充分利用马达，大大

12、改善了发动机汽车起动及减速时的能耗和尾气排放等缺点，同时还解决了 EV 存在的行驶距离和充电时间等问题。本文将对 HEV 系统的种类及特点进行介绍。混合动力车（HEV）系统完美融合了发动机汽车和电动汽车（EV）的技术，对 EV 采用的马达及电池技术进行了充分利用。EV 尽管从汽车黎明期就已出现，并在 1900 年以前达到了实用水平，但迄今为止一直未能实现全面普及。在第二次世界大战后的汽油紧缺时期，EV 作为替代能源汽车开始在日本上市。1949 年日本国内 EV 产量达到 3299 辆，占到当时日本汽车保有量的 3。但是，随着发动机汽车的改进以及加油站的普及，EV 的势头开始在日本逐渐衰退。之后

13、，汽车业界从 1971 年起将 EV 定位于环保汽车展开了开发。当时日本的通商产业省工业技术院利用大型项目制度（由汽车、电机及电池厂商参加）启动了 EV 的研发，众多汽车厂商及部件厂商投入了极大的精力。但在 1980 年以后，随着发动机汽车尾气净化技术的进步，EV 再次消失了踪影。在 20 年过后的 1990 年，美国加利福尼亚州制定了尾气排放规定“ZEV 法案”（零排放车辆法）。当时，除了 EV 以外，没有任何一种汽车能够达到这一规定，因此 EV 的开发再一次被启动。ZEV 法案的实施时间为 1998 年，由于必须要销售规定比例的 EV，因此各公司开始奋力开发。但是该规定并未按期实行，最终以

14、数年的限量生产而告终。采用 EV 要素技术的 HEV如上所述，EV 存在行驶距离、充电时间及成本方面的课题，迄今只在叉车等特定用途领域实现了普及。而解决了 EV 的上述课题，燃效比发动机汽车出色且实现了低排放的汽车就是 1990 年下半年面市的 HEV。丰田于 1997 年上市了“普锐斯（Prius）”，本田也于 1999 年推出了“Insight”。这些 HEV 采用了为符合 ZEV 法案而开发的 EV 要素技术。尤其是镍氢充电电池，在 1996 年实用化的丰田“RAV4EV”及本田“EV PLUS”上得到了采用。由于有助于延长 EV 的持续行驶距离，因此即使说 HEV 没有镍氢充电电池就无

15、法实现也不为过。另外，不仅是电池，为 EV 开发的使用稀土类磁铁的永久磁铁（PM）式同步马达也为 HEV 性能的提高做出了贡献。在介绍 HEV 的系统之前，先来谈谈为符合 ZEV 法案而开发的 EV。图 1 列出了丰田 RAV4 EV 的系统构成。该系统根据油门传感器检测的踩入量，由 EVECU（电子控制单元）控制逆变器，驱动行驶马达。马达采用永久磁铁式马达。图 1：丰田“RAV4 EV”的系统构成:1996 年实用化的、配备镍氢充电电池的 EV。驱动马达的电池采用 288V 镍氢充电电池，通过用电池 ECU 和 EVECU 监测充放电状态来随时计算行驶时的剩余容量。为电池充电时利用车载充电器

16、通过交流 200V 商用电源进行。以下将驱动行驶马达的高电压充电电池称为主电池，将辅助驱动用充电电池称为 12V 电池。在 EV 行驶控制中，根据油门开度、制动信号、档位及车速等信息，利用驱动扭矩图来决定所需要的车辆驱动扭矩。由 EVECU 的车辆控制部向马达控制部发出扭矩指令，通过 PWM（脉冲宽度调制）信号向逆变器传输指令。马达控制采用加速或正常行驶时用作电动机、减速时用作发电机的方式（图 2）。（未完待续：特约撰稿人：山田好人，电装 EHV 机器事业部 主席部员）图 2：EV 的行驶控制:根据油门开度及制动信号等，决定车辆驱动扭矩。【汽车电子图解】（三）解决了 EV 课题的 HEV，混合

17、动力系统概要混合动力系统的概要混合动力系统的分类方法有二种。一种是根据可实现的功能的不同来进行分类，另一种是以驱动机构的方式来分类。首先，按功能来分类的话，就如同图 3 所示。只有无空转功能的称为微HEV或ISS（Idling Stop System）。在该功能的基础上增加加速辅助、能量再生及发动机高效运转功能等的话，就称为弱HEV， 而增加EV行驶功能的话则称为强HEV。越接近强HEV，CO2排放量及尾气就越少。而EV的排放全部 为零。另外，插电式HEV（PHEV）及通过运转发电用发动机来延长行驶距离的增程器式EV被定位于强HEV和EV之间。图 3：HEV 和EV 的 CO2 减排效果:按照

18、不同功能对混合动力系统进行分类。以驱动方式进行分类时，主要分为串联式 HEV、并联式 HEV、串并联式 HEV 三种方式。下面来依次介绍一下三者的构成及特点。串联式 HEV串联式 HEV 配备为主电池充电的发动机和发电机，一边始终充电一边用马达行驶（图 4）。也可认为是在 EV 的基础上增加配备了发动机和发电机。在市售车中，与私人乘用车相比，该方式在公交车上采用得较多，丰田 1997 年上市的“Coaster HEV”以及三菱扶桑卡客车 2004 年上市的“Aero Nostep HEV”就采用了该方式。图 4：串联式HEV 的构成:仅靠马达行驶。配备高功率大型马达。串联式 HEV 的特点如下

19、。仅靠马达行驶，因此与其他方式相比，马达及发电机为高功率大型产品。将发动机动力全部转变为电力，因此能源效率略低。驱动力控制及功率输出控制较简单。发动机以稳定状态运转，因此比较容易实现尾气净化。并联式 HEV并联式 HEV 并联配置发动机和马达，可由两方供给行驶动力（图 5）。除本田作为“IMA（Intelligent Motor Assist）”进行实用化之外，还得到了戴姆勒“Mercedes-Benz S400 HYBRID”及宝马“ActiveHybrid 7”等的采用。在本田的 IMA 中，发动机和马达采用直接连接构造，同时旋转。而与此不同的是，还有很多厂商开发了在发动机与马达之间夹入离

20、合器，通过断开离合器来实现 EV 行驶的系统。图 5：并联式HEV（直接连接）的构成:马达只起辅助性作用，采用小型产品。并联式 HEV（直接连接）的特点如下。只需在以往车型的发动机与变速箱之间追加马达，因此构成简单。马达的功率输出只起辅助作用。几乎不进行 EV 行驶，因此马达为小型产品。马达兼具发电机作用，因此再生电力只有储存到电池中后才能用于行驶。通过在发动机与马达之间夹入离合器，可进行 EV 行驶，但这时需要大输功马达。串并联式 HEV串并联式 HEV 的代表示例是丰田普锐斯等采用的“THS（Toyota Hybrid System ）”。该方式利用行星齿轮机构综合发动机、MG1、MG2

21、三种动力源，根据行驶状态来组合这些动力源，由此进行驱动（图 6）。图 6：串并联式 HEV 的构成:同时具备串联方式和并联方式两者的优点。这里的 MG 是指马达兼发电机的缩略语。由于需要在马达功能与发电机功能之间频繁进行切换， 因此将原来称为马达或发电机的部分称为 MG。发动机的作用是驱动车辆和驱动 MG1。MG1 的作用除了为主电池充电外，还包括作为马达起动发动机以及对车辆进行驱动辅助。MG2 的作用是实现 EV 行驶、做加速辅助，以及作为发电机进行能量再生。串并联式 HEV 的特点如下。具备串联方式和并联方式两者的优点，兼顾燃效和行驶性。系统效率较高，因此燃效提高效果显著。系统及控制较复杂

22、。（未完待续：特约撰稿人：山田好人，电装 EHV 机器事业部 主席部员）【汽车电子图解】（四）解决了 EV 课题的 HEV，串并联式 HEV 的构成和控制串并联式 HEV 的构成和控制下面拿串并联式 HEV 来详细介绍一下系统构成和控制。普锐斯的示例配备有发动机、MG1 和 MG2（图 7）。为了最佳运行两套驱动系统，由 HEVECU 对它们进行综合控制。主电池为镍氢充电电池，系统主继电器及电流传感器等电源类产品与 EV 相同。另外，还配备了 12V 电池充电用 DC-DC 转换器，并采用了空调用电动压缩机，这些也与 EV 相同。不过并未配备 EV 所必需的充电器。HEV 的控制系统如图 8

23、所示。HEVECU 根据驾驶员的要求、车辆的状态以及主电池的充电状态， 将要使发动机产生的功率作为发动机要求功率，向发动机 ECU 发出指令。然后由发动机 ECU 按照HEVECU 指示的发动机要求功率来控制电子控制油门的开度。图 7：HEV 的构成（普锐斯的示例）配备发动机和两个马达兼发电机（MG1、MG2）。图 8：HEV 的控制系统HEVECU 为“司令部”，进行多种控制。另外，HEVECU 还会计算出 MG1 的扭矩和 MG2 的扭矩，向 MGECU 发出扭矩指令值。在接到指令后，MGECU 就会通过逆变器来控制 MG1 和MG2，按照扭矩指令值来输出驱动力。同时，电池监测单元还会获取

24、主电池的信息（电流、电压、温度），发送给 HEVECU。HEVECU 根据这些信息计算出主电池的剩余容量（SOC：State Of Charge），为使系统达到最佳状态而对充电状态进行控制。普锐斯这样的 HEV 在减速时将马达用作发电机，把运动能量转变成电力存储到主电池中。为了回收更多的运动能量，实施对使用摩擦力的机械式制动以及基于发电的再生制动进行分配的控制（图9）。在电力控制方面，始终监测主电池的容量，根据电池的 SOC 对充电量及放电量进行管理。主电池在 EV 行驶时那样将马达用于驱动时进行放电，在旋转时那样将马达用作发电机时被充电（图 10）。 SOC 高时 EV 行驶的可能性更高，可

25、再生的能量变少。而 SOC 低时则与之相反。图 11 展示了主电池的 SOC 是如何变化的。主电池的 SOC 过高的话存在过量充电的不良影响， 而过低的话则存在过度放电的不良影响。要想抑制主电池性能的降低，长期确保可靠性，需要限制SOC 的使用范围。因此要利用电池传感器始终掌握再生量和放电量，计算出 SOC。使用镍氢充电电池的普通 HEV 一般将 SOC 的使用范围限制在 2040左右（SOC 在 4060或 4080）。图 9：HEV 的制动同时使用机械式制动和再生制动。图 10：电力控制的思路根据主电池的剩余容量来控制充放电量。图 11：实际行驶时的 SOC展示了随行驶时间变化的电池剩余容

26、量。运用 EV/HEV 技术的系统运用 EV/HEV 技术的汽车有增程器式 EV 及 PHEV。其中，增程器式 EV 采用与串联式 HEV 的系统基本相同的构成，但与串联式 HEV 的主电池暂时存储发动机发电产生的电力相比，却配备有更大容量的主电池，以依靠主电池的电力进行 EV 行驶为主。通用“Chevrolet Volt”就是其中的代表，Volt 配备容量 16kWh 的锂离子充电电池，可实现约 64km 的 EV 行驶。另外，该车还通过用排量 1.4L 的发动机进行发电，使持续行驶距离延长到了 480km。图 12 展示了具有代表性的增程器式 EV 系统的构成。而 PHEV 则通过增加强

27、HEV 所配主电池的容量，延长了 EV 走行模式的行驶距离。丰田“普锐斯插电混合动力车”就是其中的代表。该车将镍氢充电电池换成了锂离子充电电池，使容量扩大到了原来的约 4 倍。同时还通过扩大 SOC 使用范围，使 EV 行驶的持续距离达到了 23.4km。图 13 展示了PHEV 的系统构成和能量流。（未完待续：特约撰稿人：山田好人，电装 EHV 机器事业部 主席部员）图 12：增程器式 EV 的构成展示了代表性的系统构成。图 13：PHEV 的构成延长了 EV 行驶模式的行驶距离。【汽车电子图解】（五）探索 HEV 系统的主要部件：马达与逆变器构成 HEV 系统的主要部件包括马达、逆变器、电

28、源系统、高电压辅机系统等。其中，本文将 介绍马达和逆变器（电源系统与高电压辅机系统将在下次登载）。车载用马达大多使用交流马达， 对小型轻量化、高输出功率、高转速等方面要求严格。逆变器由功率元件、电容和控制电路组成。 本文将对二者的特征和性能要求等进行讲解。混合动力车（HEV）的驱动心脏是马达。首先来看马达的特征。马达是提供 HEV 及电动汽车（EV）驱动力的重要部件。乘用车行驶使用的马达一般输出功率为10k60kW 左右。由市售车辆改造而来的 EV 和小型 EV 虽然使用直流（DC）马达，但交流（AC） 马达仍占主流（表 1）。大量采用永久磁铁型马达对于 HEV 用马达，可以列举的性能要求有小

29、型化所需的高输出功率化、高转速化、高电压化、提高燃效所需的高效率化、以及行驶系统的免维护化等。表 2 分别列出了 DC 马达和 AC 马达在要求项目上的利弊。在支持高电压和维护方面 AC 马达有利，其中，小型且高效率的永久磁铁型马达得到了大量采用。永久磁铁通过使用钕等稀土类磁铁，实现了大幅的小型化和高输出功率化。永久磁铁型马达可以根据磁铁安装位置的不同分为表面磁铁型（SPM）和内置磁铁型（IPM）（图 1）。HEV 大多采用的是易于实现高速化，能够利用磁阻转矩的 IPM（图 2）马达。SPM 马达则主要应用于存在振动音问题的电动助力方向图 1：SPM 与IPM 的转子结构盘等方面。但是，当永久

30、磁铁型马达大量使用稀土类磁铁时，根据磁铁的配置可以分成表面磁铁型（SPM）成本与稳定供应方面存在课题。图 3 是 HEV 用马达的实例。虽然在照片上无法判断，但该马达采用的是 IPM 转子。逆变器的整体结构与功能逆变器的作用是利用与主电池的直流电源桥接的 6 个功率元件，将直流电转换为三相交流电，向马达供电（图 4）。在这里，功率元件是指 IGBT（绝缘栅型双极晶体管）与二极管（续流二极管）的组合。其控制原理如下。首先，HEV 和 ECU 根据显示驾驶员油门踏板操作量的油门开度指令计算出所需的驱动转矩，发出 IGBT 的驱动信号。此时，根据电压相位与转子位置的关系求出的转矩不固定， 因此需要以

31、检测转子位置能够获得最大转矩为前提，确定通电的时机。IGBT 的驱动使用 PWM（脉宽调制）控制，工作方式是从功率元件输出电压可变的正弦波三相交流电，控制驱动转矩。与内置磁铁型（IPM）。图 2：磁阻转矩的利用HEV 大多采用能够使用磁阻转矩的IPM。图 3：HEV 用马达采用IPM 转子。3 相交流的生成原理下面来介绍形成可变电压正弦波的 3 相交流原理。比较图 5 中相差 120 度相位的正弦波的电压指令和三角波，形成图 4 所示的位于 U/V/W 各相的 2 个 IGBT 的开/关信号后，相电压 VU/VV/VW 会转变为相位相差 120 度的正弦波状脉冲电压（各脉冲的平均电压变化为正弦

32、波状）。由于电压指令振幅的改变，脉冲的开/关比将发生变化，电压值随之改变。到此为止，电流只在开时流经马达，关时流经并联的二极管。这样即可向马达通入连续的正弦波电流。另外，提高三角波的频率虽然可以抑制马达电磁噪声和电流纹波，但会增加功率元件的损耗，因此频率通常设定为 5k10kHz。（未完待续：特约撰稿人：山田好人，电装 EHV 机器事业部 主任部员）图 4：逆变器的结构由 6 个功率元件（IGBT 与二极管组合而成）和电容等构成。图 5：三相交流的生成原理首先比较相位相差 120 度的正弦波电压指令与三角波，生成 IGBT 的开/关信号。【汽车电子图解】（六）探索 HEV 系统的主要部件：功率

33、元件功率元件是最重要的部件就功能和成本而言，功率元件在逆变器中是最为重要的部件。要想降低成本，如何使用小型元件是重点所在。元件的小型化需要降低元件产生的损耗。如图 6 所示，对于理想开关，无论有多少电流经过也不会产生损耗，而半导体开关一旦通入电流便会在通态电压的作用下产生通态损耗。图 6：理想开关与半导体开关:半导体开关一旦通入电流即产生损耗。而且，在开/关时不会瞬间完成切换，其产生的一段时间（开关时间）的延迟还会造成开关损耗。由图 6 可知，降低损耗有三个手段：缩小电流；降低通态电压；缩短开关时间。下面来分别进行说明。缩小电流缩小功率元件电流使用的是升压电路。以普锐斯（Prius）为例，逆变

34、器与主电池之间设置了升压电路，其作用是将电压提升至 650V 并向逆变器供电（图 7）。由于马达的电流与电压成反比，因此，流经功率元件的电流也能够缩小。继续提高电压虽然能进一步缩小电流，但以绝缘为主的诸多问题会造成逆变器和马达等部件体积增加，因此，这一程度的电压对于车载用途较为适宜。图 7：升压电路的结构:以“普锐斯”为例。下存管。图 8：IGBT 与功率MOSFET 的特性比较池 芯片尺寸为 5mm 见方。最佳元件由要求耐压决定。这种方式的优点在于增加升压电路的成本远远小于缩小电流能够减少的成本。在升压电路中，打开方的 IGBT，电抗器开始储能量，关闭 IGBT 后，电压上升。使其经上方的二

35、极储存于电容后，升压完成再生时，驱动上方的 IGBT 与下方的二极管，向主电通入电流。降低通态电压通态电压由开关元件的特性决定，因此需要选择最佳元件。如图 8 所示，当要求耐压为 200V 以下时，功率 MOSFET（金属氧化膜半导体电场效果型晶体管）比 IGBT 更佳。但无论是哪种元件， 耐压越高，通态电压也会增高，因此需要尽量选择低耐压元件。缩短开关时间降低开关损耗只需缩短开关时间即可。这可以借助栅电阻完成，电阻越小，时间越短。但是，鉴于电流变化率 di/dt 增加，浪涌电压 V 随之增加，这就需要提高元件耐压。如此一来， 好不容易缩小了开关损耗，通态损耗又会增加。如图 9 所示，由于浪涌

36、电压由布线电感 L 产生，因此，怎样缩小电感是设计的重点。具体方式是尽可能把 IGBT 配置在电容附近，缩短布线长度并加宽布线。因为互感效应能够降低 L，所以要采用使布线（实际为母线）尽可能接近等方法。图 9：浪涌电压的发生原理:浪涌电压由布线电感产生。功率元件的小型化除了能够降低损耗外，还能够改善散热性能，降低温度。图 10 给出了功率元件的安装结构和散热路径。冷却一般为水冷方式，容量较小的元件有时也采用空冷方式。元件的温度上升 T 是元件损耗 P 与热电阻 R（散热性能的倒数）之积，由于 R 缩小的倍数即为损耗允许增加的倍数，因此可以使用小型元件。利用电容稳定电流如图 11 所示，电容的作

37、用是稳定主电池的电流。如果没有电容，由于 IGBT 做开/关动作，电流会呈现脉冲状变化。当电流关时，外部布线电感会产生过大的浪涌电压，瞬间击穿 IGBT。而使用电容可以平稳缩小电流，抑制浪涌电压。另外，当电流呈现脉冲状时，从主电池到逆变器的布线会发射出频率成分复杂的噪音，干扰广播等无线信号。稳定电流对此也有抑制作用。控制电路为双系统构成图 10：功率元件的安装结构与散热路径:一般的水冷方式。图 11：电容的作用:电容的作用是稳定主电池的电流。图 12：控制电路的结构:由高压系统与低压系统双系统构成。控制电路为高压系统和低压系统构成，高压系统由驱动 IGBT 的驱动电路和保护 IGBT 的保护电

38、路组成（图 12）。出于安全考虑，低压系统与高压系统安全利用光耦合器和变压器进行了电绝缘。MGECU 通过向量控制形成驱动信号。保护电路的作用通常是检测 IGBT 的过电流、短路、过热、驱动电压的下降，在出现异常时断开 IGBT。（未完待续：特约撰稿人：山田好人，电装 EHV 机器事业部 主任部员）【汽车电子图解】（七）电源与高压辅机本文将以构成 HEV 系统的主要部件为对象，着重介绍电源系统和高压辅机系统。电源系统方面主要讲解电池和 DC-DC 转换器等，高压辅机系统方面讲解电动压缩机和电动水泵等。混合动力车（HEV）的电源由主电池及其冷却装置、监控电池的电池监控单元、机械式接通切断高压的系

39、统主继电器、防冲击电流的预充电继电器和寄存器、检测电池的输入输出电流的电流传感器等构成（图 1）。图 1：HEV 的电源结构:由电池组、DC-DC 转换器、升压转换器和逆变器等部件组成。主电池的必要条件当上述所有部件被包含在一个箱体内时，称为电池组。而且，因为是向 12V 电池供电，所以使用 DC-DC 转换器替代了传统的交流发电机。HEV 配备的主电池大致有四个特点。一是循环寿命。HEV 会频繁地重复充电/放电。由于铅蓄电池的循环寿命短，因此，寿命较长的镍氢充电电池和锂离子充电电池占据了主流。二是能量密度。从燃效和行驶距离的角度出发，HEV 需要体积小但能量大的电池。从能量密度的角度来看，锂

40、离子充电电池最佳（图 2）。图 2：各种电池的单位体积能量密度和功率密度:由此可知锂离子充电电池最佳。三是功率密度。获得更好的加速性能需要能够实现更大功率的电池。在这一点上，锂离子充电电池依然优秀，但镍氢充电电池最近也实现了大幅度的性能提升。四是安全性。在偶发事故和过度充放电的情况下，电池不能着火。因此，车辆方面的封装改进和安装控制保护系统十分重要。必须具备高安全性的高压绝缘系统某些 HEV 的主电池电压超过了 200V。这足以使人在接触时触电死亡。因而需要完善的绝缘构造和处理。发动机车的电池电压为 1224V，即使触电也不会造成问题。因此，采用的是可以简化布线的本体地（Body Earth）

41、接地方式。但高压系统若采用这种方式，则可能使人在误接触到高压部位时触电，或是在高压机械发生绝缘不良时引发火灾。因此，在 HEV 中，高压电路没有采用本体地，而是把负线和正线都用实线连接， 使其浮动接地（Earth Float）化。通过浮动接地，人即使接触高压部位和车体也不会触电。而且， 考虑到进一步的安全性，有些情况下还会采用能够检测高压机械和布线的绝缘不良并发布警报的系统。使用 DC-DC 转换器转换电压在发动机车中，交流发电机负责为 12V 电池充电。另一方面，HEV 因为会频繁关闭发动机，如果采用交流发电机方式，则电压变化会造成车灯闪烁以及鼓风机风量变化等问题。因此，HEV 采用的是转换

42、主电池的电压进行充电的方法。DC-DC 转换器的电压转换原理如图 3 所示。主电池的直流高压在功率 MOSFET 中经高频开关， 利用变压器降压。由二极管和平滑滤波器进行整流及平滑化之后，使其变为直流低压，注入 12V 电池。使用变压器的原因是为了防止某些故障导致高压施加到低压一侧时造成火灾和触电。而且，借助开关频率的高频化，变压器实现了大幅小型化。图 4 是丰田“雷克萨斯 GS450h”使用的 DC-DC 转换器。该转换器利用双变压器结构实现了大幅的高效率化和小型化。图 3：电力转换的原理:经多个过程转换电力。图 4：HEV 用DC-DC 转换器:雷克萨斯GS450h 用品。HEV 的高压辅

43、机系统下面来介绍高压辅机系统。发动机车使用发动机驱动空调用压缩机和水泵等辅机类。但是，HEV 的发动机在电动模式（EV）行驶时和停止时关闭，因此无法维持驱动力。鉴于以上原因，为了在发动机关闭时也能够驱动辅机类，电动化势在必行。而且，HEV 配备有高压电池，大负荷系统通过采用高压性能参数有望实现小型化。某些市售 HEV 已经采用了这种方式。压缩机和水泵HEV 采用的电动压缩机有发动机驱动力和马达驱动力并用的混合动力型，以及单独利用马达驱动力的类型。单独利用马达驱动的类型中也有通过采用高压性能参数实现小型化的种类。图 5 是单独利用马达驱动的电动压缩机范例。该范例通过压缩机、马达、逆变器、电子控制

44、单元（ECU）的一体化实现了小型化，配备的位置与发动机车的压缩机相同。而对于利用发动机驱动的压缩机，为了确保低转速时的容量，压缩机体积会相应加大。图 5：涡旋式电动压缩机的结构:只利用马达进行驱动的范例。而 HEV 用为马达驱动，只需提高转速便可缩小压缩机体积，可以有效利用剩余空间。永久磁铁式马达采用 IPM 型，马达线圈和逆变器的冷却使用压缩机冷媒。为了克服振动、温度和耐水性等环境条件，特别考虑了部件的固定方法、散热性和防水结构。电动水泵在 2009 年上市的“普锐斯（Prius）”上得到了采用。具有降低发动机辅机的驱动损失， 提高燃效的作用。该水泵的负荷小，采用了低压指标，但在今后，考虑到

45、马达、逆变器、主电池等主要部件的小型化，冷却能力必须得到提升。在不久的将来，电动水泵估计会采用高压指标。（未完待续：特约撰稿人：山田好人，电装 EHV 机器事业部 主任部员；加藤光治，电装技术监督）【汽车电子图解】（完）汽车电子未来动向作为本连载的总结，本文将在指出混合动力和系统控制存在的课题的基础上，介绍汽车电子课题和未来动向，同时对 21 世纪应有的汽车形态做出展望。混合动力和系统控制的课题1997 年上市的 HEV 在这 10 年来逐渐获得了市场。通过改进其配备的主电池的配置位置，在维持舱室容量等参数不变的情况下实现节能的壮举具有划时代的意义。可以说这改变了用户的认识， 指明了今后汽车发

46、展的方向。但 HEV 无论是单马达式，还是双马达式，都是在发动机的基础上附加马达，从本质上来说增加了部件的数量。因此存在复杂程度增加，容易导致成本上升的问题。实现 HEV 的最大课题是主电池。可以说，正是因为开发出了需要重复随时充放电的 HEV 需要的镍氢充电电池，HEV 才得以成立。现在，性能更高的锂离子充电电池正在开发之中，大幅的小型化和高功率化值得期待。但是，对于 EV 和与之相近的插电式混合动力车（PHEV）、增程发动机 EV 等车辆，由于配备的电池容量增加，因此，性能比现在更高的电池也有望得以实现。对于 HEV 和 EV 等电动车辆的普及，电池以外的马达和逆变器等部件的小型化和低成本

47、化同样重要。马达虽然历史悠久，但包括绕线方法、磁铁配置在内，小型化研究依然火热。逆变器方面， 新功率元件的开发值得期待，以冷却技术改良为基础的小型化也在推进之中。此外，包括车辆控制在内，通过马达控制和电池控制等方式提高能量使用效率的研究也必须持续下去。与 10 年前相比，从事 HEV 和 EV 开发的技术人员数量激增。不用说汽车厂商和部件厂商，电机厂商、各种研究机构也积极开始参与。不光是日本，这也成为了全世界的动态。这一潮流不会停止， 今后还会继续加速。展望未来的汽车电子那么，汽车电子在今后将走向何方呢？准确预测未来并不容易。但我们可以思考未来的合理走向。在此，本文将探讨 21 世纪汽车方向和

48、汽车电子应有形态。汽车电子变迁和汽车发展的年表如图 6 所示。对于诞生于 20 世纪上半期，拥有 120 年历史的汽车产业，与电子的关联只集中在近 30 年间，仍处于发展阶段。图 6：汽车电子的变迁:汽车与电子的关联集中在最近 30 年，仍在发展之中。1900 年以后，以T型福特为代表的汽车进入批量生产时代。但初期的汽车技术大部分是由机械技术和燃烧技术发展而来，是没有电子干预的前电子时代。随着晶体管和IC的开发，这一情况在上世纪 70 年代后出现了重大转变。尤其是 1980 年以后，以发动机控制为先锋，电子技术开始投入使用，揭开了个别系统飞跃式发展的汽车电子第 1 幕。第 1 幕时代的汽车以“

49、更快，更安全，更舒适”为追求，在此基础上还要求“尽量减少尾气”。“更快”的代表是F1 赛车，而竞争车辆性能也成为了 20 世纪的汽车文化之一。另一方面，如今，电子技术发展再次带动了机械技术和燃烧技术的进步。今后，除了延续过去的方式，实现个别系统的高度化之外，对于围绕汽车的环境变化也需要加以适应。比方说，包括应对新兴国家市场需求加大的汽车低成本化，应对原油枯竭，降低CO2排放，减少交通事故造成的死伤者数量在内，此前的课题将愈发严重。对于这个时代，找到解决措施已经成为了必须任务。而且，时至今日，面对“21 世纪的汽车是什么”这一根本性问题，人们已经需要在社会系统中思考行驶性能、安全性、舒适和便利性

50、的发展。可以预见的是，旨在与列车联动的多模方式和借助信息通信的ITS（高级道路交通系统）的实用化将全面展开。这就需要设想出汽车的新用途，预测各系统的需求，使进化后的关键技术与之完美匹配。在这个意义上，今后可谓是汽车电子拉开第 2 幕的时代。以实现不相撞的汽车为目标强化与外部的通信功能、以单个故障不导致实际危险为目标配备功能安全、实现超低燃耗、电动化等有望成为今后的方向，车辆安全估计会得到进一步发展。ECU的结构与控制内容的变化随着时代转入汽车电子的第二乐章，ECU 的结构和控制内容也可能发生变化。图 7 显示的是各 ECU 群今后的方向。此前主要分成动力传动系统、车体、行驶安全、信息等四大群的 ECU 将通过深化联动发展网络化，在另一方面还将发展综合化。在动力传动系统领域，HEV 和 EV