【導讀】提到豐田讓人想到的不僅僅是具有環保意識車輛的代名詞，當然其中最知名的當屬普瑞斯 (Prius)，而且還有創新。豐田在混合電動汽車開發方面的努力有目共睹。本文明導給大家介紹豐田混合動力汽車的創新，即混合動力汽車變頻器功率模塊的熱特性。
Mentor Graphics近日發布一份題為《豐田混合動力汽車的創新》的研究報告。中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網站閱讀和下載：[ http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=241 ]。
本文的作者為明導產品營銷部 Boris Marovic。
混合動力汽車的基本原理是通過同時利用電動馬達和內燃機來降低油耗，這取決于您處于驅動循環的哪一部分。通常情況下，電動馬達是用來在駕駛速度較慢的情況下進行加速，達到特定的速度之后，內燃機開始接管汽車并發揮作用。混合動力汽車還可以提供使用存儲在電池中的電量進行驅動的功能，當電池電量較低時只需轉換到內燃機產生電力即可，或者依靠電池或依靠內燃機單獨運行，或者甚至在某些動力增加模式下兩者同時使用。無論哪種情況，都不屬于純電動汽車。電動行駛里程較為有限，只用于降低車輛的總體排放。
電池通過回收制動能量或者從內燃機驅動的發電機充電。為了給電池充電，產生的電量必須從交流電轉換成電池所需的直流電。一旦電池用來驅動汽車，電流必須從直流電轉換成交流電，從而為電動馬達提供動力。這類工作由包含了絕緣柵型雙極性晶體管 (igBTs) 等幾個不同器件的電力電子系統控制。絕緣柵型雙極性晶體管(igBTs)可以在數百安培的電流下運行，并且起到電子開關的作用，能夠以極高的轉換速度運行，因此產生大量熱量。
提到豐田讓人想到的不僅僅是具有環保意識車輛的代名詞，當然其中最知名的當屬普瑞斯 (Prius)，而且還有創新。Hybrid Synergy Drive（混合動力系統,簡稱“HSD”）是指豐田為其系列全混合動力汽車開發的技術。(圖 1 &2)豐田在混合電動汽車開發方面的努力有目共睹。早在90年代末，該公司的首款混合動力車已上路。自那時起，其全球總產量已經達到數百萬輛，未來還將繼續增長。
圖1：豐田混合動力系統概覽
西森久雄 (HisaoNishimori)是豐田混合動力汽車開發小組的一名工程經理。2012年9月份在日本品川舉行的明導技術設計論壇大會上發表的演講中，西森久雄探討了豐田為描述和優化混合動力汽車與電動汽車功率模塊的熱特性所做的努力。IGBT 是需要進行優化以擁有理想的熱阻來更好地將元件所產生熱量散發到與其相連的冷卻系統的電力電子器件。應用明導公司具有合適的大電流電源的 T3Ster®瞬態熱測試系統使混合動力汽車能夠達到為器件加熱所需的電力并加熱器件、記錄熱響應以及獲得器件的結構函數。
圖2：變頻器系統的配置(THS-II)
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在使用T3Ster設備的功能之前，豐田的設計流程從設計嵌入原型的模塊開始，然后在不同的條件下進行測試，如不同的開關頻率或者不同的IGBT導熱硅脂的厚度等等。然后使用紅外熱成像儀進行測量，再對結果進行評估。如果結果不滿意或者不準確，則需要團隊返工改變設計，然后重復相同的步驟。西森久雄說：“如果再次改變設計，重新評估一個新的原型需要花費大量的交付周期、努力和成本。”
豐田的目標是優化流程，在短時間內實現高度準確和可重復的結果，因此更加富有效率。“T3Ster 使我們能夠詳細地了解器件的結構以及其熱流路徑。它清晰地顯示了被測量半導體器件附近熱阻的差異，在進行可靠性測試前后可以檢驗測量結果，從而找出散熱特性的任何變化。”在測量模塊的所有器件時，豐田還能夠檢測結構的細節，即使是已封裝的半導體器件。“我們甚至還能測量與設計值相匹配的粘結材料”。在T3Ster設備的幫助下，豐田能夠向設計人員迅速地反饋高度準確的結果，從而進一步改善設計。從導熱硅脂厚度到粘結狀態一切的情況都可以進行優化。在這之前，豐田無法檢驗產品的狀態和已封裝的半導體器件附近的散熱狀況。
圖3：T3Ster 累積結構功能
西森久雄在總結時表示：“通過提供來自T3Ster測量結果的結構函數，與設計值的比較和驗證可以更詳細的進行。在可靠性測試中使用這個測量方法已經幫助我們發現影響壽命的設計缺陷，而且由于設計值現在能夠測量出來，因此進行前端裝載成為可能。此外，我們還可以通過降低設計中的重復工作以降低原型成本。”(圖 3)西森久雄通過一個汽車隱喻很好地表達了他對設計和評估過程的觀點：“評估和設計就像質量保證的兩個‘輪子’，重要的‘發動機’則為輪子提供驅動力。通過適當地組合 CAD、CAE 和自動化測量，輪子將把‘優質的設計’帶到路上。”（圖4）
本文原發表于明導的期刊《Engineering Edge》。
圖4：設計與評估流程
