新一代汽车的七大领域新技术-低燃耗与小型轻量化

在2014年5月21～23日举办的“人与车科技展2014”上，为了在激烈的全球竞争中取胜而开发的最新技术齐聚一堂，获得了汽车行业技术人员的密切关注。此次展会上，［1］低燃耗、［2］小型轻量化、［3］削减成本、［4］自动驾驶、［5］新材料、［6］新接合技术、［7］新开发工具这七个领域都涌现出了值得关注的技术。本文分三篇，结合图片向大家介绍这些新技术。（《日经制造》人与车科技展采访组）

低燃耗：丰田的SiC功率半导体，欲将燃效提高10％

在本次展会上，参观者络绎不绝、最受关注的当属丰田展出的碳化硅（SiC）功率半导体。功率半导体是动力控制单元（PCU）的核心部件，PCU的作用是控制混合动力车（HEV）等的驱动马达的电流。采用SiC制作功率半导体可以降低电力损耗，大大缩小PCU的体积并大幅提高燃效。丰田共制作了两种SiC功率半导体，分别是控制电流开关的晶体管和控制电流单向流动（整流）的二极管。

左为晶体管，右为二极管。在丰田汽车自己的生产线上制造。

SiC功率半导体由丰田汽车、电装、丰田中央研究所合作开发。丰田汽车在公司内设置了SiC专用的清洁车间。除了晶圆是从外部彩后而来，其他基本都由丰田完成。

使用SiC功率半导体可保持相同性能，使PCU的体积缩小到1/5左右。

开发的目标是替代目前的Si（硅）功率半导体，使燃效提高10％，并且使PCU的体积缩小到原来的1/5。力争在2020年左右，使配备SiC半导体的PCU投入实用。对于成本问题，丰田的解说员表示，“SiC功率半导体的成本虽高，但我们更重视能降低燃耗的优点，所以采用，希望在其他地方削减成本”。

低燃耗：三菱电机展出业内最小的EV驱动系统，采用SiC功率半导体

三菱电机开发出了采用SiC功率半导体、从而缩小了体积的纯电动汽车（EV）驱动系统“EV Motor Drive System”。逆变器的功率模块采用了SiC功率半导体。与使用Si功率半导体的现有系统相比，体积缩小了一半。

SiC功率半导体除了能降低损失以外，还有助于实现逆变器的小型化，因为与Si功率半导体相比，采用SiC功率半导体能够缩小电路内电容器和线圈的体积。Si晶体管在关闭后无法立即断电，在一段时间内会持续通电（尾电流），但SiC晶体管不存在尾电流。因为没有尾电流，所以与Si相比，SiC晶体管能够实现约10倍的高频驱动（高速开关）。实现高频驱动后就可以减少一个周期的开关存储的电量，也就能减小电容器的大小。

业界最小的EV驱动系统。

逆变器嵌入马达的机壳内部，实现了一体化。这样不仅简化了布线和接线，还使马达与逆变器的冷却器合二为一，从而简化了水冷配管。

使用SiC功率半导体使逆变器小型化，并安装在马达机壳内实现一体化。

三菱电机的目标是2023年使这种驱动系统投入实用。希望通过SiC功率半导体普及产生的量产效应，再加上小型化与一体化，逐步压缩成本。
 

小型与轻量化：比玻璃轻40％，丰田自动织机实现车顶树脂化

使汽车车顶整体实现树脂化——丰田自动织机展出了由丰田普锐斯的聚碳酸酯（PC）双色成型车顶进化而来的，集成了太阳能电池、摄像头等众多装置的“多功能树脂车顶”。与车顶一体化的装置包括摄像头（前视摄像头与后视摄像头）、天线（鲨鱼鳍天线）、刹车灯（高位刹车灯）、太阳能电池。嵌入太阳能电池时，与使用玻璃覆盖相比，新树脂车顶的重量可减轻40％。而且，树脂的形状自由度高，可以轻而易举地实现玻璃难以制成的形状。因为没有分割线（部件的接合面），树脂还具有外观品质好的优势。

不只是玻璃窗部分，整个车顶都使用树脂材料以实现轻量化。

小型与轻量化：使用竹纤维制作后座背板，比使用木板轻10％

与木质板材相比，采用竹纤维板制作的背板强度更高、重量更轻。

日本发条公司（NHK Spring）开发出了用于汽车内饰材料的竹纤维板。使用泰国产竹纤维，制作出了后座背板。与使用木质板材的现行产品相比，重量可减轻10％。

之所以考虑使用竹材，是因为竹子是天然资源，而且生长速度比树木快，有望实现稳定采购。树木从种植到采伐耗时近60年，而竹子只需3年左右。而且，竹子制成材料的成品率高于大麻槿。“大麻槿只使用表皮，而竹子除了枝叶都可以使用”（日本发条的解说员）。

制造方法采用抄造，与制造和纸相同。把青竹粉碎成宽0.2mm、长约50～60mm的纤维状，在120℃的温度下干燥2个小时，得到竹纤维材料。材料经过抄造，也就是与水和作为粘合剂的聚丙烯（粒径约为200μm）混合，浇到金属网上，制成厚5～10mm的板材。然后在130～160℃的温度下将板材加热约1分钟，在板材受热变得柔软时进行冲压。

小型轻量化：大成PLAS展示可漂在水面的结构材料，采用三层复合结构

由铝、聚丙烯（PP）、铝形成三层构造。

大成PLAS利用拥有铝板/聚丙烯（PP）/铝板结构的材料“MetalSand”制造了座椅框架，并将其放在水中展示，该框架可漂在水面上，可见其重量之轻。其实，该公司在2013年就展出过这种材料，不过这一次有了明确的用途，该公司对相关技术做了更详细的介绍。

MetalSand是在两层厚度为0.25mm的铝板之间，封入了厚度为4.0mm的聚丙烯。聚丙烯使用吹入超临界氮的“MuCell”工艺进行发泡，MuCell是日本制钢所的专利工艺。MetalSand具有等同于1.6mm厚钢板（SPCC）的弯曲强度，但重量从108g减轻到31g，减轻了约70％。这要归功于聚丙烯层使两块铝板保持了一定距离，施加到每块铝板上的应力转变成为了拉伸、压缩的轴力，而不会造成弯曲。除座椅框架、地板等的单纯的结构材料，还可以用作结构材料兼隔热材料。

小型与轻量化：德国马勒推出轻型汽车用气缸盖罩，通过使壁厚减至1.5mm减轻重量

用于铃木“HUSTLER”。壁厚减薄至1.5mm，从而减轻了重量。使用添加了34％玻璃纤维的PA66。

德国马勒公司（Mahle）展出了通过使壁厚减薄至1.5mm而减轻了重量的铃木轻型汽车用气缸盖罩。盖罩采用注射成型法，使用的树脂在聚酰胺（PA）66中添加了34％的玻璃纤维。铃木已经在轻型汽车“HUSTLER”（2014年1月上市）的发动机“R06A”上采用了这种盖罩。过去的气缸盖罩的壁厚为2mm，通过减薄厚度，重量减轻了20％。为了避免欠注和强度不足，在侧面从气门到另一侧均设置了加强筋。

小型与轻量化：丰田纺织开发新式分离器，体积缩小至1/4

分离曲轴箱内产生的发动机油的油雾。体积缩小至1/4。

分离器的作用是在回收漏气（漏出到曲轴箱的未燃烧的混合气体）时，起到去除润滑油油滴的作用。丰田纺织采用新方式“惯性冲击”，使分离器的体积缩小到了过去的约1/4。这种方式是在流路的途中设置喷嘴和无纺布，使喷嘴加速喷出的漏气与无纺布接触。油滴渗入无纺布后会向下滴落。而在过去，去除油滴采用的是使漏气经过迷宫一般的流路，利用油滴的自重进行分离。（日经技术在线！供稿）