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主題 : 汽 車與電子化

主題 : 汽 車與電子化. 老師 : 第 8 組 : 鍾璨宇 劉志鵬 陳品滑. 目錄 :. ( 一 )【 電動汽車拆解 】PCU ：採用雙面冷卻構造實現小型化 ( 二 )【 電動汽車拆解 】PCU ：實現了與鉛蓄電池相當的尺寸 ( 三 )【 電動汽車拆解 】PCU ：使半導體與冷卻板緊密貼合. 【 電動汽車拆解 】PCU （一）：採用雙面冷卻構造實現小型化. 圖一. 圖 1 ：混合動力車的系統構成（雷克薩斯 LS600h ）由充電電池（鎳氫）

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主題 : 汽 車與電子化

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Presentation Transcript

  1. 主題:汽車與電子化 • 老師: • 第8組: 鍾璨宇 劉志鵬 陳品滑

  2. 目錄: (一)【電動汽車拆解】PCU：採用雙面冷卻構造實現小型化 (二)【電動汽車拆解】PCU：實現了與鉛蓄電池相當的尺寸 (三)【電動汽車拆解】PCU：使半導體與冷卻板緊密貼合

  3. 【電動汽車拆解】PCU（一）：採用雙面冷卻構造實現小型化【電動汽車拆解】PCU（一）：採用雙面冷卻構造實現小型化 圖一 圖1：混合動力車的系統構成（雷克薩斯LS600h）由充電電池（鎳氫） 、PCU（功率控制單元）、驅動馬達及發電機等構成。PCU具有升降壓轉換器和逆變器功能。

  4. 電裝已開始向豐田汽車的部分混合動力車型提供PCU（功率控制單元）。豐田汽車現在的混合動力系統全部為水冷式，而非空冷式。混合動力車在前格柵的發動機室內配置了不同於發動機用散熱器的混合動力系統專用散熱器。混合動力系統採用冷卻水來冷卻PCU和驅動馬達。 　而“雷克薩斯LS600h”採用的最新PCU雖然同樣是水冷式，但採用的是雙面冷卻構造由於散熱面積增大，因此單面冷卻更容易冷卻。

  5. 這樣，單面冷卻就不足以解決大電流功率半導體的散熱問題，因此採用了雙面冷卻結構。過去，每個元件可流過200A的電流，而雷克薩斯LS600h採用了每個元件可流過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換器均減少了功率半導體的數量。新型功率半導體為富士電機元件科技製造的產品。（未完待續：特約撰稿人：金子高久，電裝EHV機器技術部組長）這樣，單面冷卻就不足以解決大電流功率半導體的散熱問題，因此採用了雙面冷卻結構。過去，每個元件可流過200A的電流，而雷克薩斯LS600h採用了每個元件可流過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換器均減少了功率半導體的數量。新型功率半導體為富士電機元件科技製造的產品。（未完待續：特約撰稿人：金子高久，電裝EHV機器技術部組長）

  6. 過去：PCU構成（單面冷卻）每個功率半導體元件流過200A，元件散熱措施設想採用單面冷卻時。過去：PCU構成（單面冷卻）每個功率半導體元件流過200A，元件散熱措施設想採用單面冷卻時。

  7. 【電動汽車拆解】PCU（二）：實現了與鉛蓄電池相當的尺寸雷克薩斯LS600h是在高級轎車“雷克薩斯LS460”基礎上追加混合動力系統而成。如果是混合動力專用車，PCU的尺寸或許會更大一些，而雷克薩斯LS600h最優先強調的就是要減小PCU的尺寸。LS460將置於車輛前部的鉛蓄電池移至車輛後部，PCU的尺寸只能與空出的鉛蓄電池容積相當。 　　原來的功率半導體和冷卻器的構造由上往下依次為功率半導體元件、絕緣板、散熱板（銅或銅合金）、冷卻板（鋁合金壓鑄而成）（圖5）。重疊冷卻板製成的是冷卻器。使冷卻水在冷卻器中迴圈，通過散熱板，冷卻半導體元件。

  8. 圖5：單面冷卻的構成在絕緣板上面配置功率半導體元件。熱量通過絕緣板，傳到散熱板，由冷卻器散熱。圖5：單面冷卻的構成在絕緣板上面配置功率半導體元件。熱量通過絕緣板，傳到散熱板，由冷卻器散熱。

  9. 而新開發的PCU由散熱板、絕緣板和冷卻板夾在功率半導體的兩側而成（圖6）。其中，功率半導體和散熱板用樹脂封裝。功率半導體與信號輸入端子之間通過引線鍵合相連。另外，為確保引線鍵合高度方向的空間，在功率半導體的一側配置了導電墊片。

  10. 圖6: 新型雙面冷卻的構成冷卻功率半導體的兩側。為提高熱傳導，在功率半導體旁邊依次配置散熱板、絕緣板、冷卻器。

  11. 圖7：冷卻器為層疊型（a）雙面冷卻的PCU採用的是冷卻器的冷卻板與半導體交叉層疊的層疊結構。（b）現在採用該結構的只有雷克薩斯LS600h和RX450h，具有靈活性，可根據車型需要的輸出功率改變層疊枚數進行設計。將來還有望應用於普及車型。

  12. 【電動汽車拆解】PCU（三）：使半導體與冷卻板緊密貼合使半導體與冷卻板緊密貼合雙面冷卻構造的功率半導體需要在製造方法和維持冷卻性能方面下工夫。 　　新型冷卻系統採用的交叉層疊功率半導體和冷卻板的構造，因此半導體和冷卻板需要始終接觸在一起。製造時首先重疊冷卻板製成冷卻器，然後重疊功率半導體，插入冷卻器中（圖8）。

  13. 圖8：PCU的製造工序在層疊型冷卻器中插入功率半導體元件。通過向冷卻器兩側加壓，使冷卻板與半導體元件緊密貼合。最後，用板簧對冷卻器加壓，維持冷卻性能。圖8：PCU的製造工序在層疊型冷卻器中插入功率半導體元件。通過向冷卻器兩側加壓，使冷卻板與半導體元件緊密貼合。最後，用板簧對冷卻器加壓，維持冷卻性能。

  14. 作為表示雙面冷卻性能的資料，有熱傳導率類比資料和熱阻試驗資料。通過熱傳導模擬，比較了冷卻構造中的最熱部分（熱阻最高的部分）。模擬結果表明，雙面冷卻構造比單面冷卻構造的熱阻可降低約48％。 　　通過熱阻實驗資料，比較了功率半導體每個位置的冷卻性能（圖10（a）。該實驗將功率半導體耐熱性上限150℃下的熱阻目標值定為0.3K/W左右。實驗資料控制在上限以下（圖10（b）。另一組熱阻試驗的資料測量了改變冷卻水流速時的熱阻。將功率半導體每個位置（下降側的1～12）的熱阻做成了圖表。資料顯示熱阻始終在0.3K/W以下，滿足了散熱條件（圖10（c）。

  15. 圖10：採用雙面冷卻，冷卻性能達到目標值以下（a）對PCU的功率半導體，在冷卻水入口按順序貼上序號1～12。在冷卻水入口側（上升）和出口側（下降）比較了功率半導體的冷卻性能。（b）熱阻值的比較。冷卻水入口側和出口側均控制在功率半導體目標值0.3K/W以下。（c）改變冷卻水流量時的熱阻控制在目標值以下。

  16. 功率半導體的耐熱性是一大課題，不過將來該課題有可能得到徹底解決。比如，現在使用的是Si（矽）晶圓，而用SiC（碳化矽）材料做的話，耐熱性將大幅提高，同時還能夠通過更大的電流。 　　另外，現在設計的是水冷式PCU，今後隨著氣流改善等，或許還需要研究空冷式PCU。今後的10年將是決定PCU未來走向的關鍵時期。

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