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日本的部件与材料企业加速电动汽车市场开发 |
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| http://cn.newmaker.com
9/17/2010 9:20:00 AM
日经BP社
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聚焦电动汽车，日本的部件厂商及材料厂商开始行动起来。2010年6月与7月在日本连续举行的两场展会“新一代汽车产业展A-NEXT2010”与“电动汽车开发技术展EVEX2010”清楚地反映了这一点。这些展会均在“电动汽车元年”的2010年首次举行。尽管展会的规模还很小，但虎视眈眈地瞄准电动汽车市场商机的部件厂商及材料厂商都设置了展位。
近来，有关电动汽车的报道日益增多，人们对日产汽车预定2010年底上市的“绿叶”也寄予厚望。不过，电动汽车的普及量还非常少，当前还很难称得上是一项盈利业务。
尽管如此，部件厂商及材料厂商仍在面向电动汽车大举推进技术开发，促使其这样做的一大原因便是危机感。日本NOK的一名员工表示，“本公司一直面向汽车发动机大量生产并销售密封材料。电动汽车时代来临时，销售额可能会大幅减少。如果现在不着手开发，就会落后于人”。
首先为做好“未雨绸缪”的准备而推进开发，之后再将其培育成新的收益源。这种想法似乎已被融入到了各公司的部件及材料开发工作之中。
为了延长续航距离……
目前的电动汽车还存在很多影响其普及的问题。这就要求构成电动汽车的部件及材料采用能够解决或减轻这些问题的技术。首先，现在的电动汽车不得不使用能量密度较低的充电电池，因此续航距离有限。要延长续航距离，就需要部件及材料实现小型轻量化。
从事木模制作和电动汽车开发等业务的日本Takayanagi（总部：浜松市）公开了预定2011年春季以630万日元（含税）的价格推出的高级小型电动汽车“miluira”的内部构造（上图右下照片）。这是为了在销售整车的同时，还销售车身部件的尝试。其中格外引人注目的部件是实现了轻量化的马达。马达的机壳采用碳纤维强化树脂（CFRP）。将机壳重量减轻到了现有铝合金机壳的1/5、钢机壳的1/9。
这种由CFRP制成的机壳为三层构造，在由CFRP片形成的筒形内侧和外侧之间夹有磁性体。加工方法是使用木模冲压成型。Takayanagi代表董事、一级木模技师高柳力也表示，“利用了不用设置脱模斜度（Draft Angle）就能形成圆筒形的木模技术”。另外，之所以夹有磁性体，是为了可在定子外侧（机壳端）形成磁路，更加有效地利用磁通量。
一般情况下，马达的机壳都采用钢和铝合金等金属，为了实现轻量化，该公司便考虑采用替代材料。其中，普通树脂的耐热性和强度都不够，因此Takayanagi将目光锁定在了CFRP上。
因只打算进行小批量生产，因此即便量产性存在些许问题也无大碍。成本方面，如果3500～5000日元/m2的CFRP薄膜的现有成本可以降至1000日元/m2左右，“那么成本将低于使用普通树脂成型的机壳”（高柳）。
比钢制车门板轻7kg的车门板
日本杰斯比（JSP）和优必佳（U-PICA）展出了采用经过玻璃纤维强化处理的植物性树脂（植物性FRP）和植物性发泡芯材相结合的“复合板”制成的汽车车门板。包含玻璃窗在内，这种复合板车门约重21kg，比约28kg的钢板车门轻7kg。还有望提高隔热性、吸音性及冲击吸收性等性能。
在使用日本优必佳的生物不饱和聚酯树脂“BIOMUP”的两块植物性FRP成型品之间，填入了杰斯比开发的生物发泡芯材（未公开）形成复合板。据杰斯比介绍，复合板的厚度为10mm，但用钢板制造时也要将两块0.6～0.8mm的薄板粘合起来，最终使用时厚度也会达到10mm左右，因此这种复合板可在不对其他部件造成影响的情况下直接代替钢板。
一般情况下，各种产品大多采用以发泡体填充FRP内侧的方法作为轻量化手段。此次试制的汽车车门“已证实强度达到了也可用于汽车外装部件的水平”（杰斯比的解说员）。
可确保强度的最大原因在于提高了植物性FRP与发泡体的粘合性。新开发了与植物性FRP的亲和性较高的发泡体材料，不使用粘合剂等也可实现一体化。
试制品于2010年6月完成，花费了3年左右的时间。今后还将验证实用化方面的问题。另外，杰斯比还表示，目前已使用经过纤维素类纤维强化处理的植物性树脂，在公司内部试制出了强度与钢板制门板相当的车门板。
体积缩小至1/10以下
日本NOK展出的是嵌入锂离子充电电池的柔性印刷底板（FPC）“电压监控布线用FPC”。锂离子充电电池由电池管理单元（BMU）对各电池单元的功能及安全性进行管理。这种FPC是能够用电信号将各个电池单元连接至BMU，并利用BMU检测出电池单元电压的部件。
采用的构造是在铜箔布线图案上下涂布粘合剂，然后用聚酰亚胺薄膜作为绝缘体夹住布线图案。各布线图案分别与母线（Busbar）的不锈钢板连接。为了使相邻的电池单元串联起来，需要将各个母线放置在电极之间并以螺丝等固定。这样，便可测量出各电池单元的电压。
FPC的厚度为300μm，母线为1mm。该公司的目的是，利用其较薄的特点取代现有线束（Wiring Harness）。由于体积可缩小至线束的1/10以下，因此可对电池组的小型化作出贡献。
另外，这种FPC的连接性也十分出色，可防止布线错误。其原理是，由于该FPC的形状已固定，因此只要准确连接一处，其他连接点就能自动准确定位。据该公司介绍，原来需要用线束逐个连接母线与BMU，为了防止布线错误，作业时要非常谨慎，这样便会增加作业人员的工作负担。
不过，这种FPC与线束不同，成型时需要使用模具。因此，“成本会提高至线束的10倍以上”（该公司的解说员）。
可减小风切音的发泡剂
不安装发动机的电动汽车具有不产生噪声和振动的特点。不过，这种应视为“优点”的特点会引发新的问题。那就是以前被发动机声完全遮盖的行驶时的风切音会变成使乘员感到刺耳。
为了解决这一课题，日本盛势达技研（Sunstar，总部：大阪府高槻市）开发出了涂布型防音发泡剂“Penguin Form”。将发泡剂填入车柱内，可使风切音等噪声难以传入车内。
原料为含有发泡剂的膏状合成橡胶。涂布系统的构成部分包括可流出原料的高功率泵、定流量泵、将原料涂布在对象位置（车柱等）上的高压枪、用于控制上述两个泵的控制盘，以及握住高压枪对涂布原料的位置进行定位的6轴垂直多关节机器人。将灌装的原料放入高功率泵中，原料会从高功率泵流向定流量泵，并送入高压枪，然后从高压枪顶端喷出，涂布到对象位置。随后，在140～160℃温度下加热20分钟，膏状合成橡胶会发泡，体积膨胀至原来的11倍。凝固后就会变成防音材料。
涂布的对象位置为车柱（A～C柱）内部等。由于这些部位的截面为箱状（中空），因此车辆行驶时会因风灌入而产生风切音。对此，可将防音发泡剂填入车柱内部，通过切断气流来减小风切音。此外，为了防止汽车产生路面噪声、轮胎噪声以及石子飞溅的声音，盛势达还考虑将这种发泡剂应用于轮罩拱（Wheel Arch)）及地板下方等。其隔音效果为30dB左右。
为了防止涂布于对象位置的合成橡胶滴落，该公司还改进了粘度。因此，还可涂布在垂直或斜面位置。
减小驱动马达的振动
尽管驱动马达的尺寸已经小得无法与发动机相比，但仍会产生噪声及振动。日立汽车系统（总部：东京）便着眼于此类噪声源与振动源之一——旋转中的转矩变动幅度即转矩脉动（Torque Ripple），开发出了可减小转矩脉动的马达。在保持基本转矩特性的同时，进一步提高了静音性。
此次开发的是将永久磁铁嵌入转子内部的IPM（内嵌磁铁型）马达。使用了磁力较强的烧结钕铁硼磁铁。为减小转矩脉动所做的改进施加于名为“脉动减小转子构造”的转子构造之上。改进方法十分简单，只是在转子外周对转子磁极每隔1极加工了小沟槽。
转子为8极，转子上插入了8个这种磁铁。如果第1极没有沟槽，则第3、5、7极也没有沟槽，而在第2、4、6、8极设有沟槽。具体而言，就是在转子外周上正好相当于磁铁两端附近之处，加工深1mm×宽5mm左右的小沟槽。因此，各个“有沟槽极”上分别设有两个沟槽。
磁通量会从缠有绕线的定子端流向转子端。在“无沟槽极”上，磁通量经由缺口（空隙）从定子齿（突极）径直流入转子端。但有沟槽极因沟槽占有空间，除了缺口之外，定子和转子的缝隙会变得更大。因此，在设有沟槽的位置，阻碍磁通量流动的“阻力”会变大，来自于定子齿的磁通量会避开沟槽流向转子端。
随着这种磁通量的变化，无沟槽极上产生的转矩脉动波形与有沟槽极产生的转矩脉动波形近乎于反相位。因此，由其合成的转矩脉动波形的振幅就会接近于零。也就是说，能够减小转矩脉动。
与未经过减小转矩脉动的斜槽处理＊1的转子（插入一体型磁铁的转子）构成的马达相比，采用新型转子的马达可减小转矩脉动约60％。
＊1 斜槽处理是指将磁铁沿着轴（长度）方向进行分割，按其长度沿着轴方向将转子分块，然后在设置旋转角的同时将多个转子块层叠起来使转子成型。由于通过拉紧转子（块）来形成旋转力的磁铁转矩和磁阻转矩很难随着旋转角的变化而变动，因此可将转矩脉动减小至与采用新型转子的马达相当的水平。不过，采用这种方法会使磁铁加工工时与转子的组装工时增加，因而造成成本上涨。另外，还存在会导致马达输出功率降低百分之几的课题。
利用薄壁铸造方法提高散热性
电动汽车配备有驱动用充电电池、马达、逆变器及充电器等需要通过大电流的高压部件，虽然发热问题不如发动机车严重，但仍存在散热问题。因为高电压类部件产生的热量在内部蓄积而导致高温时，会造成磁铁及电子部件性能劣化，导致无法发挥功能的危险。因此，必须采取切实的散热措施。
从事试制及小批量部件生产业务的日本INATEC（总部：爱知县幡豆町）开发出了装有薄壁散热片的散热器试制品。目标是试制出安装在高电压类部件上的散热部件。虽然该试制品采用的是砂型铸造法，但散热片的壁厚在最薄膜处仅为1.5mm，从而提高了散热性。
材料采用压铸用铝合金ADC12。虽然铸造时通常使用AC4B等，但在利用砂型铸造法进行试制后，客户大多会在量产时改用铝压铸法。因此，有越来越多的客户“希望试制品也使用与量产时相同的材料”，所以INATEC试制的散热器也使用了ADC12。
此次凭借浇注口设置部位及木模制作的技术经验，实现了精密成型。据该公司介绍，现行的砂型铸造法只能将壁厚减薄至4～5mm。而该公司的砂型铸造技术则可对壁厚1.5mm×高80mm的散热片进行成型。
此次试制的砂型铸造散热器的热传导率为150W/（m·K）左右。一般认为热传导率取决于材料。但该公司调查之后发现，制造方法不同，热传导率也会发生变化。这是因为该公司使用与试制品相同的ADC12制造了铝压铸散热器，发现其热传导率为90W/（m·K）以上。因此该公司认识到，即使采用相同的材料，砂型铸造品的散热性能也会优于压铸品＊2。
＊2 考虑到这一点，INATEC在试制产品时使用砂型铸造品进行了评测，并提醒客户：如果量产时改为铝压铸品的话，量产品的热传导率会与试制品不同。
如果散热片通过薄壁成型使散热性得到提高的话，还可为轻量化做出贡献。此外，由于形状灵活性较高，因此还可对限定于有限空间内的紧凑且复杂的形状进行成型。如果利用该精密铸造技术对以往通过接合多个部件来制造的部件进行一体成型的话，“还有望使成本得到降低”（该公司解说员）。
展出“已实际装配”的部件和材料
部件及材料厂商都在瞄准不久以后或将到来的电动汽车时代推进技术开发，不过此次展会还出现了已在实用化方面取得业绩的部件及材料。其中之一便是日本藤仓开发的线束“FMVC-MarkⅠ”。该产品已被富士重工业2009年上市的电动汽车“斯巴鲁Plugin Stella”采用。可用作连接电池与逆变器、连接逆变器与马达的导线，以及用于管理电流分支的接线盒内的导线等。
电动汽车用线束所要求的性能首先是大电流耐性。必须使其在常温环境下每20mm2截面积有150A的电流、100℃环境下有65A的电流通过铜线时不会出现问题。要求的另一性能是能够耐受直流600V的高电压。
线束由内到外采用以下构造。首先，用高耐热型聚烯烃类树脂（绝缘体）包覆为使其具备耐腐蚀性（防止氧化）而施以镀锡处理的铜线。然后，再利用将镀锡处理后的铜线结成圆筒状的包线管包住绝缘体的外周。最后，用高耐热型聚氯乙烯（PVC）包覆包线管的外周，这样线束就制成了。
要达到电动汽车用线束的性能要求，首先要提高耐热性。前面提到的包覆材料采用高耐热型树脂的原因就在于此。另外，还减少了接点的发热量。采用将通常只用一个的板状端子设置成多个，使其变成多接点的“多触点（Multi Contact）”方式。由此，减小了电阻，从而抑制了焦耳热的产生。另一个是电磁干扰对策，此次利用前面提到的包线管解决了这一问题。
斯巴鲁Plugin Stella为小规模生产，产量不到200辆，因此目前还很难说藤仓从电动汽车用线束业务中获得了足够的收益。不过，据该公司介绍，这种线束还能用于混合动力车，因此今后还会面向混合动力车销售。
通过沿用现有部件减少开发费用
日本富士机械（总部：前桥市）展出了同样在斯巴鲁Plugin Stella上得以实用化的驱动马达用减速机。该产品属于两档减速型，减速比为1/7。重量不到20kg，最大轮轴转矩为1190N·m。
该减速机的特点是尽量降低了开发费用。首先，沿用了该公司为发动机车生产的5速手动变速箱（MT）的部件——铝压铸离合器壳体。将本来用于收纳离合器从动盘（Clutch Plate）的壳体用作了以驱动用马达来代替该从动盘时使用的安装部件。据该公司介绍，如果制造专用壳体的话，还可进一步缩小直径并减小厚度。不过，新制作压铸用模具“需要花费1000万日元”（该公司解说员），因此该公司决定有效利用现有部件。
安装在离合器壳体背面的铝合金壳体盖采用了新设计。因发动机车使用的现有部件无法容纳于电动汽车的安装空间内，而且需要减轻重量，因此必须重新制造。不过，为了减少模具费用，将其制造成了铝铸造品而不是铝压铸品。这是因为“铝铸造用模具的价格比铝压铸用模具便宜一位数”（该公司解说员）。（记者：近冈 裕，池松 由香，高田 宪一）
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