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一汽丰田普锐斯的油电混合系统的特点与其他混动系统有啥区别？

新款普锐斯致胜的奥秘（一）：“身兼四职”的复合齿轮

图1：燃效、加速性能均有提高 “动力性能相当于2.4L车辆”。

无论是燃效还是价格，第三代普锐斯的首要关键无疑是混合动力系统。与第二代普锐斯相比，电机*与发电机的总成本减少了约3成。从内置电机的驱动桥来看，全长从384.5mm减少到了372mm，缩短了约10mm，重量也从109kg减轻到了88kg（1）。而且改进没有牺牲行驶性能。其加速能力相当于2.4L排量的普通车辆（图1）2）。

*电机：实际上还可以通过再生制动作为发电机工作。即便称之为发电机，其实在高速行驶时会起到相当大的驱动作用。丰田把前者叫作MG2，把后者叫作MG1。

“身兼四职”的复合齿轮

与第二代相比，第三代普锐斯的最大改变在于电机上增加了减速器，转数从6400rpm提高到了13900rpm。这一改动对整个汽车都带来了影响。首先功率从上一代的50kW增加到60kW，但同时扭矩也从400N·m降低到了207N·m。电机的重量基本与扭矩成正比，因此，第三代普锐斯靠牺牲扭矩实现了相应的轻量化。

电机的最高电压也从500V提高到了650V。因为提高电压后同等电流流通所需的线圈可以减细，所以有利于电机实现小型化和轻量化。通过降低扭矩、提高电压，电机用逆变器的额定电流从230A减少到了170A。

减速器和650V电机均为丰田“Estima Hybrid”等其他混合动力车款已经采用的技术。目前混合动力车技术发展神速，如果等待普锐斯换代时采用就难免出现间隔过长的现象，因此，丰田的做法是在新近车型中随时采用新技术，在接受市场考验之后，再应用于其他车型。

由于第二代普锐斯的电机没有配备减速器，因此，单纯追加的话会加大体积。为了腾出空间，第三代普锐斯改变了从最终减速器中获得转速的方法。

以往获得转速使用的是链条（图2左）。从轴方向来看，链轮与链条占有一定长度。而第三代将其改为了齿轮（图2右）。动力分割机构与新增的减速机构均为行星齿轮构造。二者的内齿轮整合为一个大直径复合齿圈。只需在这个齿轮的外侧形成锯齿，利用其获得转速，就可以不再使用链条。内侧为减速器和动力分割机构，外侧为最终减速器的传导机构，沿轴方向可以共享空间。在轴方向上占有的长度也不会增加。

图2：电机、发电机与动力分割机构左侧为第二代，右侧为第三代。放弃链条改用齿轮。中央大齿轮的左右可以看到大直径的轴承。(点击放大)

复合齿圈的表面齿轮“身兼四职”，内侧为动力分割机构的内齿轮、减速机构的内齿轮，外侧为动力输出齿轮，以及与停车制动器相互咬合的齿轮。齿圈在热处理中容易变形，甚至无法忍受加工时的夹固，因此，如何维持齿面精度、以及如何低成本制造是该系统成立的关键。

新款普锐斯致胜的奥秘（二）：加大直径，轴承的摩擦也不增加

加大直径，轴承的摩擦也不增加

齿圈支撑也颇费心思。一般来说，行星齿轮机构的内齿轮需要使用法兰盘形成直径较小的部分，然后用轴承加以支撑。而法兰盘、轴承会增加轴方向的长度。为了避免这种情况，丰田在第三代普锐斯中采用了以2个大直径轴承从外侧支撑的设计。2个大直径轴承的内径分别为110mm、118mm。这种构造一般来说，无法避免随之而来的摩擦阻力增大。

这一问题，通过日本精工开发的大直径但摩擦损失不增加的轴承获得了解决（图3）。与标准设计相比，保持器单体的摩擦损失降低了30～40％、轴承整体降低了50～65％。这相当于把普锐斯的燃效提高了1～2％。

图3：日本精工为普锐斯开发的球轴承呈现黑色的树脂制保持器上可以看到抬高的部分和沟槽。

在轴承的钢珠数量方面，由生产情况决定的数量大于按照实际负载决定的数量，其实是受到了生产状况的制约。在组装轴承时，首先使内轮偏离轴心，扩大间隙加入钢珠〔图4（a）〕。然后把内轮与外轮的中心对准〔图4（b）〕。最后移动钢珠，使其分布均匀〔图4（c）〕。当达到一定数量后，钢珠会互相推挤，使位置稳定，如果数量不够，钢珠就会从缝隙中脱落。在目前，这一制作过程只能凭借手工完成。因此产品数量上存在制约。

图4：球轴承的组装方式钢珠偏少时容易在工序途中脱落，无法建立生产线。

日本精工通过改进制造工艺中工件的加工方法、避免钢珠脱落，降低了工艺上的限制。把标准设计需要的22～23个钢珠减少到了16～18个。

丰田还对钢珠的保持器进行了改进。以前大直径轴承使用的是钢板压制的保持器。而这一次，保持器改换了高耐热性、耐油性的PA46树脂材料。一般树脂制保持器在需要应对高速旋转形成的离心力时使用，以降低损耗为目的的用法还是首次。

图5：保持器的形状（a）一般的王冠形受到油的阻力较大。（b）连接上部可以稳定流向。（c）在钢珠左右开设沟槽，降低了组装难度。(点击放大)

树脂制保持器呈王冠形，从一侧沿轴方向插入来支撑钢珠。过去，是从王冠“底座”上伸出来的部分来支撑钢珠的〔图5（a）〕。在变速箱内的“飞溅润滑”条件下，保持器的下方浸泡在油中，也即需要从油中穿过。因此，该形状的保持器会与油接触卷起漩涡，形成阻力。

解决这个问题需要抬高底座，使其与钢珠基本处于同一高度〔图5（b）〕。抬高的部分无需强度设计，作用最多也就是“整流”。

但这又带来了新的问题。底座抬高后，包围钢珠的周边部分刚性随之增加。而在组装时，钢珠需要借助保持器的弹性形变，用力压入，刚性的增加会导致钢珠无法安进保持器。因此，保持器的四周通过加设凹槽，保证了组装钢珠时需要的弹性形变〔图5（c）〕。

新款普锐斯致胜的奥秘（三）：电机的单脉冲驱动区域增大以及停用两种昂贵材料

电机的单脉冲驱动区域增大

对于电机，第三代普锐斯通过考察线圈的缠绕方式和压缩成形技术，把线圈端部（线圈中定子横向突出的部分）的单线长度缩短了20％。把磁钢片的厚度从第二代的0.35mm缩小到0.3mm，降低了涡流造成的铁损。通过这一改进，电机的重量减轻了35％，体积缩小了40％，总长度缩短了30％（图6）。

图6：电机左侧为第二代，右侧为第三代。扭矩从400N·m降低到207N·m，实现了小型化。

使用逆变器控制电机时，低速区使用过调制PWM（Pulse Width Modulation）开关方式，高速区使用单脉冲开关方式，两者的中间区域使用过调制PWM开关方式。使用单脉冲开关时，当输入矩形波后，电机线圈的电感会延缓电流的上升沿，得到近似于正弦波的波形。过调制PWM开关则介于PWM与单脉冲开关之间，可以利用3个矩形波形成正弦波。

单脉冲的开关次数较少，因此损失较小。但无法得到PWM水平的扭矩响应，所以难以实现精密控制。PWM则与之相反，虽然损失较大，但响应速度较快。

第三代普锐斯的电机大幅扩大了单脉冲开关的区域 3）。通过在发动机起动时切换为PWM，并事先把工作电压提高至最高的650V，抑制了起动时的第一次爆震。

而对于发电机，线圈的缠绕方式从过去的分布缠绕改为了集中缠绕。因此，线圈端缩短了30％，减少了铜损（图7）。集中缠绕可以缩短线圈端，而且生产性好，是现代电机经常采用的“首选”方式，但齿槽效应方面存在难点。因此，第三代普锐斯采用了发电机方为集中缠绕，电机方则为分布缠绕的做法。

停用两种昂贵材料

掌管混合动力系统的PCU（功率控制单元）由于大功率所以采用了水冷方式。第二代中各自独立的电机及发电机用IPM（Intelligent Power Module）和升压用IPM在第三代中合二为一（图8）。部件数量和螺栓数量分别减少了23％和34％。组装的自动化率也从0％提高到了82％。

图7：发电机第三代采用分布缠绕，重量减少了36％，体积减少了37％。

图8：第三代的PCU ECU、逆变器、升压转换器、DC-DC转换器全部内置。

对小型化、低价格化的实现起作用的是散热方式的改变。与第二代相比，第三代降低了热阻，把散热机构的体积缩小到了第二代的1/3。散热器为丰田自动织机在昭和电工的协助下开发出来的。

第二代的散热方式是在功率器件下方依次铺设陶瓷制绝缘底板、铜块，涂抹一层散热膏后，再铺设由Al铸件制成的散热板（图9）。

图9：第二代的功率模块截面大型铜块是问题的根源。下方通入冷却剂。

由于铜块对绝缘底板存在热应力，会导致底板热疲劳，为避免这一现象就需要降低线膨胀系数，过去一般使用铜钼合金。但钼的价格昂贵且重量较大。

第三代去除了铜块。散热板也从铸件换成了Al波纹板（图10）。因为波纹板可以伸缩，所以热应力的问题大致得到了解决。

图10：第三代的功率模块截面散热板较薄，利用冲孔金属板灵活制造。

而且，绝缘底板与散热板之间还焊接有Al冲孔金属板，来吸收热应变。冲孔金属板上的小孔可以通过变形吸收热变形。虽然小孔的存在缩小了导热截面积，但是，由于热传导的整体速度取决于热阻最大的接触电阻，因此可以确认，小孔对于整体的影响并不大。

把来自电池的201.6V电压提高到650V时所使用的升压电抗器的铁芯，在第二代时为0.1mm厚磁钢片层叠而成。磁钢片中加入了6.5％的Si（硅）。其含量正好可以防止磁致伸缩噪声的产生。

此类磁钢片价格不菲。Si即便是放到电炉中也无法良好分散。只能在制成钢板后从表面向内渗透。处理时间较长，所以价格昂贵。

之后的工艺也非常复杂。钢板需要经过起模、加热、层叠、添加粘合剂、清洗表面、硬化粘合剂等多道工序。因此，铁芯在电抗器总成本中所占的比例相当高。

第三代的铁芯采用了高密度压粉磁芯（HDMC: High Density Magnetic Composite）。HDMC由覆盖绝缘层的铁颗粒高密度压缩而成。只需压缩和热处理两道工序，无需后加工，因此价格得以降低。

但HDMC的问题在于振动。因为铁颗粒无法避免磁致伸缩，所以HDMC铁芯的振动较大。因此，第三代把方针从“清源”转向了“善后”。利用硅树脂在容器内浮起铁芯，阻断了振动的传递（图11）。结果，振动加速度缩小到了第二代普锐斯的1/3（图12）。电抗器也为丰田自动织机制造。由丰田自动织机新投建的安城工厂生产，向丰田的广濑工厂供货。

图11：浮动支持电抗器上方为第二代，下方为第三代。

图12：浮动支持与直接接触的振动加速度使用本质上易于振动的材料，在降低成本的同时把加速度降低到了1/5。

新款普锐斯致胜的奥秘（四）：提高阿特金森循环率

提高阿特金森循环率

向混合动力系统提供动力的发动机“2ZR-FXE”以“2ZR-FE”发动机为基础，通过改用阿特金森循环，使油耗量减少了8.5％（80N·m、1000rpm行驶时，下同）。并且通过配备Cooled-EGR（冷却式废气再循环），又减少了1.7％的油耗，总改善率高达10.2％（图13）。

图13：2ZR-FXE发动机前方可以看到电动水泵。

第二代虽然也采用了阿特金森循环，但第三代在保持燃烧室形状与冲程决定的机械压缩比为13.0不变的情况下，把进气阀关闭时间从第二代的下死点后72～105度“提前”到了62～102度，使得“阿特金森循环率”上升，提高了热效率。油耗方面，扩大了230g/kWh的区域，一部分甚至达到了220g/kWh（图14）。

图14：发动机排量与效率 1.8L发动机的230g/kWh区域较大，部分甚至实现了220g/kWh。

但是，仅这样做会减少进风量，所以第三代普锐斯把发动机排气量从1.5L提高到了1.8L。如果以小排量勉强输出功率，则进气时机将无法自由选择，结果反而会导致燃效下降（图15）。基于这一判断以及今后非普锐斯车型也有可能安装同类混合动力系统，第三代普锐斯采用了比较宽裕的1.8L排量。

图15：功率与排量的关系随着功率的提高，排量越大，热效率越高。

Cooled-EGR机构利用水冷方式，在热交换器中冷却排气阀排出的高温气体，并使其返回进气管。降低进气温度可以提高抗振性，并相应提前点火时机，使燃烧压力峰值出现在上死点之后的适当时刻，从而降低耗油率（图16）。

图16：EGR冷却器出口温度的影响在温度较低时，点火时间可以提前，使油耗率降低。也就是使燃效提高。

从发动机的外围设备来看，第二代中由发动机借助传送带驱动的水泵，在第三代中实现了电动化。这一改进使燃效提高了2％。利用发动机驱动水泵时，流量基本与转数成正比。在转数高的区域流量过大（图17）。

图17：各装置需要的流量图为满负荷时。在机械式水泵中，当转速超过近3000rpm时，流量会超过需要。

水泵为爱信精机制造。为拥有8片叶轮，转子直径为52.5mm的离心型（图18）。为了防止泄露、提高效率，叶轮外侧安装了轮盖。电机是功率输入为160W的同步电机，内置逆变器。能够在监控水温的同时，在1000～5000rpm之间连续控制转速。5000rpm下可实现100L/分的排水率，完全满足发动机需求并且还有余量。向丰田交货时，部件右侧安装有铝铸件制造的涡旋。散热回路的最高水温（散热器入口温度）为110℃。

水泵不使用轴封，消除了轴封的摩擦阻力。因此，水能够进入电机的转子部分。轴承浸于水中，是以水为润滑剂的平面轴承。

图18：电动水泵交付时需要安装铝制涡旋。

新款普锐斯致胜的奥秘（五）：空调配备喷射器以及利用太阳能电池的电力换气

空调配备喷射器

空调采用了电装开发的喷射器循环。与原有系统相比，压缩机的动力消耗最大可减少约25％，使普锐斯的燃效提高了1.5％。

汽车空调消耗的能量大部分都用于了压缩冷媒的压缩机动力。原有系统在利用蒸发器冷却空气时，需要使空气通过膨胀阀（冷媒的节流阀），对冷媒进行减压。与此相比，第三代在配备喷射器的系统中，喷射器内的喷嘴取代了膨胀阀。而且，减压时产生的力能够起到使冷媒升压的作用，从而降低了压缩机负荷，减少动力消耗。

电装已经在冷冻车冷冻机、使用CO2冷媒的家用饮水机，丰田“陆地巡洋舰”等汽车中少量地采用了这种喷射器循环系统。并以配备普锐斯为目的不断进行小型化。

原有的喷射器循环空调中，蒸发器、喷射器、气液分离器各自独立，通过配管相互连接。在此次开发的系统中，喷射器被置于蒸发器上方冷媒流经的贮槽内，与贮槽实现了一体化（图19）。蒸发器的尺寸与以往相同，无需顾及周边设计，只需更换即可实现“喷射器循环化”。

图19：电装开发的喷射器循环空调的喷射器喷射器置于蒸发器上方的贮槽内，不占多余空间。(点击放大)

而且，以往因为有配管存在，所以为了切削管螺纹，配管上很多部分的外壁较厚。而实现一体化后，绝大多数位置都可以缩小壁厚，进而实现了轻量化。

冷媒的热循环也得到了改善。高温用蒸发器的出口设置了温度传感器，可以利用此处的信息反馈，控制蒸发器入口的流量调整阀（图20）。从而调整压力，使蒸发器内的冷媒在到达出口前不发生液化。

喷嘴内部加工简单，采用了易于降低成本的一级节流。过去在冷冻车等大型用途中，为了提高效率，喷嘴内一般设置二级节流。在此次的结构中，由于流量调整阀为第一级、喷嘴为第二级，因此只需一级节流即可。

喷射器主体和喷嘴均为铝制，内径切削加工。由于内径的形状精度、主体与喷嘴的同心度对于效率影响较大，因此第三代普锐斯不惜成本，选择了原本不愿在汽车量产品中使用的切削加工工艺。喷射器的长度从过去最短的250mm缩短到了150mm。

图20：制冷循环的比较左侧为原有循环，右侧为喷射器循环。(点击放大)

利用太阳能电池的电力换气

第三代普锐斯可以在车顶选配太阳能电池板（图21）。在停车时利用电池板产生的电力带动风扇吹散热气，减轻空调的负荷。

图21：京瓷提供的太阳能电池可用作停车时换气扇的电源。(点击放大)

太阳能电池单元为京瓷制造的多晶硅型。其尺寸为15cm见方标准太阳能电池单元的一半，纵向6个，横向6个，共计36个。转换效率为16.5％，电池板的总功率为56W。

太阳能电池的基本配置与家用产品相同。区别在于家用产品呈平面，车用产品配合车顶形状略呈弧形。其实现方式是把平面的各片单元贴附在曲面玻璃上，使整体呈现曲面。

车用产品的外观标准严格。家用太阳能电池安装于房檐上，只能仰视，而车用电池的位置刚好与视线平齐。因此不允许出现变色。

太阳能电池的颜色由涂层的膜厚决定。在制造单元时，膜厚难免出现不均匀。过去单元制造工序后需要测定颜色，把颜色均匀的单元送入后工序。而此次则进一步缩小了颜色变化的管理范围。

除此之外，外观上还有一个重点：从单元输出电流的电极为银色，影响外观。为了隐藏电极，第三代涂装时在玻璃上烧制了黑线。但是，如果黑线太粗，遮挡的光线会相应增加，使功率降低，因此，黑线宽度需要尽量缩小。为了以较小的宽度隐藏电极，黑线的位置精度非常重要。为此，丰田为普锐斯新增设了在玻璃上排列单元并进行封装的设备，提高了位置精度。（全文完，记者：浜田基彦）

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碳化硅在新能源汽车的应用！

碳化硅在新能源汽车的应用

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，较长一段时期内，汽车的需求量仍将保持增长势头。新能源电动汽车、汽车制造商、工业公司和研究机构也将携手合作，继续开发电动车辆和必要的基础设施。

电动汽车的前景有了明显改善，各种公司已经研究和测试了新的驱动概念，第一批混合动力和电动汽车都已上市，电力电子系统等新组件被集成到汽车中，这在传统柴油、汽油车辆中不存在的。

新能源汽车包括以下系统：驱动逆变器以驱动驱动电机（高达300kW）、电池充电器（车载充电器）从3.6kW到22kW、感应充电（无线充电）从3.6kW到22kW、 直流/直流转换器（高达5kW），用于空调、转向支架、水泵等辅助单元的逆变器。

对于上述系统，电力电子元器件在确保混合动力和电动汽车的功能方面起着决定性的作用。汽车原始设备制造商对电力电子系统的要求对此类系统的开发人员来说是一个巨大的挑战。特别是空间要求、重量和效率的相互制衡，整个系统的成本和产品设计阶段的工作量要保持在较低水平，同时还必须保证产品质量的稳定和操作的安全性。

硅是半导体行业第一代基础材料，世界上大多数集成电路元器件都是以硅为衬底制造的。传统电力电子器件的效率基于硅半导体技术，通常在85%至95%之间变化。这意味着在每次功率转换期间，大约10%的电能会以热量的形式损失。

但碳化硅(SiC)可以承受高功率密度从而在热设计中实现设计紧凑的系统。SiC的导热系数几乎是Si半导体器件的三倍，与硅半导体相比，SiC适用于更高的工作温度。随着电动汽车、5G等应用的快速发展，高功率、耐高压、高频率器件的需求也在快速增长。新能源汽车行业正在成为碳化硅大规模应用的主角。

碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大(Si的3倍)、热导率高(Si的33倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(Si的2.5倍)和击穿电场高(Si的10倍或GaAs的5倍)等特性。所以碳化硅(SiC)器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势。

碳化硅(SiC)半导体具有比Si-IGBT更好的开关性能，因此SiC在高开关频率下产生的开关损耗较小。与Si-IGBT相比，在高开关频率下SiC可获得更大的负载电流。

比较具有高开关频率应用中的SiC-MOSFET和Si-GIBT，可以说由于Si-IGBT的高开关损耗和由此产生的热量，必须降低输出电流。这是不超过最大芯片温度并确保半导体功能的唯一方法。

因此，在高开关频率下，SiC-MOSFET比Si-IGBT效率更高。

车载充电器当中也有Sic的应用，这是由用于电源转换的不同组件组成的复杂系统，这些系统中集成了的组件包括：半导体（如二极管、MOSFET）、无源元件（如电感器和电容器）和具有相应转换比的变压器。变压器以所需的电压为电池充电，此外也用于在充电过程中对高压电池进行电耦。

高压电池的续航里程是混合动力和电动汽车普及的最大掣肘之一。为了说服最终客户（即车主）相信电动汽车，许多汽车制造商目前依赖具有快速充电时间的充电系统。这是为了简化电动汽车的使用。但是快速充电意味着对于技术实施而言，需要在短时间内获得更高的充电性能。

由于车内的设计空间始终有限，因此电池充电器系统必须具有高功率密度。这是将此类系统集成到车辆中以满足市场需求的唯一方法。

电力电子元件小型化的选择之一是电感器和变压器等无源元件的更紧凑设计。这通常只有在可以控制在同一电路中部署的半导体以高开关频率时才有可能。

对于硅半导体，高开关频率下的热负载将限制这种方法。由于其出色的开关特性，SiC-MOSFET非常适合这些情况。对于采用Si半导体的DC/DC转换器系统，开关频率限制为25kHz。如果使用SiC-MOSFET，则开关频率可达160kHz，这导致整个系统的绕组质量大幅小型化，可实现高功率密度和显著的整体重量减轻。

在兼顾成本和效率以及平衡市场需求的基础上，可以预见，碳化硅SiC在新能源汽车中的应用将会被更多的汽车品牌所采纳。SiC功率器件将在汽车的制造过程中越来越普及。

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