油耗再降5% 丰田开发新材料控制芯片

汽车之家 综合报道

随着近几年油价飙升及国家法规对整车油耗水平的日益严苛,混合动力汽车可谓是风生水起,其因优异的燃油经济性及卓越的环保性能被业内视为新能源汽车的发展方向之一。在混合动力汽车的发展过程中,各大汽车厂商不断对电池、车重、控制策略等方面进行改进优化,使其油耗进一步降低。日前丰田汽车公司与电装株式会社、丰田中央研究所株式会社合作,利用SiC材料开发出的新型动力控制芯片又为降低混合动力汽车油耗提供了一条新途径。

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这种SiC材料功率半导体芯片预计将用于混合动力汽车的动力控制单元(下称“PCU”)上,今后一年之内将会在公共道路上开始进行行驶实验。未来的目标是与现在的硅材料功率半导体芯片相比,将混合动力汽车的油耗再降低10%,并将PCU的体积减小五分之一。更低的油耗意味着更长的续航里程,这点对混合动力汽车是非常重要的。

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为什么一种新材料动力控制芯片会使开发人员有如此宏伟的目标?要知道整车油耗降低10%可不是一个小数字,真的仅仅依靠材料的变化就能完成如此艰巨的任务么?要解决这一疑问,我们还要先从PCU开始讲起。

● 什么是PCU

PCU在混合动力等车辆的电能利用中发挥着非常重要的作用,如在行驶时通过电力供给对车速进行控制,同时在减速时利用电力向电池充电等。形象的说其作用类似我们平时家用电脑所使用的CPU,整车动力系统完全由它来“调兵遣将”,它会告诉动力系统什么时候该做些什么。

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另外,PCU占据了混合动力汽车电力损失的大约四分之一,而其中大部分源自功率半导体,所以整个混合动力汽车电力损失的约20%是由于功率半导体造成的。因此,提高功率半导体的效率,即减少电流流动时的电阻,是降低油耗的关键技术之一。从1997年第一代普锐斯上市时起,丰田一直在开展功率半导体的自主开发工作,致力于降低混合动力汽车的油耗,而其成果便是我们这篇文章的主角SiC材料功率半导体动力控制芯片。

● SiC材料功率半导体动力控制芯片应用效果

SiC是一种硅与碳的化合物,在性能上比传统的半导体材料硅更有可能提高传导效率,丰田自从20世纪80年代起,就对其开展相关研究,并于2007年开展面向实用化的技术开发。最近,丰田汽车公司将装有SiC功率半导体(二极管和晶体管)芯片的PCU配备到混合动力汽车的试制车上,并在号称世界上最严格的JC08燃油模式下对车辆进行燃油测试。最终在试车场进行的行驶实验确认装有SiC功率半导体芯片PCU的混合动力汽车油耗能够降低5%以上。

小贴士:

JC08是日本2005年10月提出并于2011年10月全面实施的油耗测试模式,号称世界上最严格的燃油模式。说其严格主要是因为测试中所模拟的测试环境更接近于我们平时开车的实际环境,其测试结果更接近用户实际使用油耗,这种油耗结果往往比其它一些测试油耗标准要高,原因很简单,因为我们平时开车不会总是一帆风顺嘛。因此在这种测试环境下的油耗结果更具说服力。

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此外,2013年12月,丰田汽车公司还在研发并生产电子控制装置及半导体等的日本广濑工厂内部,建设了用于开发SiC专用半导体的洁净室,力争将混合动力汽车的油耗降低10%。

除上面所介绍的节油优势,SiC功率半导体还具有电流流动时的电阻以及电流开闭时(电流切换)损失较小的特点,即使进行高频化也可以使电流高效地流动。通过充分发挥这种性能,可以减小占据PCU体积大约40%的线圈、电容器的体积,其未来的目标是将PCU的体积比目前缩小五分之一。体积上的缩减及自身重量的减轻,都客观遵寻了当今电子产品的普遍发展趋势。如早期的“大哥大”到今天的智能手机;老式的手提电脑到今日的“超极本”都是如此。而这种变化对降低能耗也有着一定程度上的作用。

总结:目前各大汽车厂商都在试图通过不同方法来降低混合动力汽车的油耗,提升续航里程。丰田通过提高功率半导体的效率降低混合动力汽车油耗的做法无疑又为人们提供了一条新途径。不过设计的最终目的是走向应用,惠及大众,是否能达到预期目标仍有待时间来揭晓答案。但不管降耗10%的预期能否达成,对众多用车一族来说,只要降低1%都已称得上是一件好事,毕竟谁不愿意花更少的钱走更远的路呢?

来源:汽车之家

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