成果報告書詳細
管理番号20120000000447
タイトル平成20年度-平成23年度成果報告書 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 要素技術開発 次世代自動車用高性能モータ蓄電パワエレシステムの研究開発
公開日2014/3/8
報告書年度2008 - 2011
委託先名三菱電機株式会社
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約レアアースを用いないコイル界磁型同期モータの試作機(20kW級)を完成させ、ハイブリッド自動車や電気自動車への搭載を想定し、従来のPMモータに近い性能を実現することを主な目標として、研究開発を行い、目標とする性能を達成することができた。
1.コイル界磁型同期モータの研究開発
(1)コイル界磁型同期モータ要素技術の研究開発
 オルタネータ(1kW級)をモデルに軽量コンパクトな高出力クローポール型構造を検討し、爪状磁極の構造やブラシレス・スリップリングレス給電構造の設計を進め10kW級コイル界磁型同期モータを実現した。しかし、目標には遠い性能しか得られなかったことから、3次元鉄損現象の解明と鉄損の対策を進め、積層鋼板を用いた爪状磁極と漏れ磁束緩和のために爪状磁極をフェライト磁石で囲う新たな構造を開発した。これにより、20kW級コイル界磁型同期モータ試作実現に向けた要素技術を確立できた。
(2)20kW級コイル界磁型同期モータの開発
 回転子およびに固定子についての最適設計を進め、界磁可変、ギア比可変にした最適モータ制御によって、PM モータ並みの高トルク密度化(5Nm/kg 以上)の達成と、磁路に寄与しない部位の削除による軽量化、更なる磁気飽和の緩和などにより高出力密度化(1kW/kg 以上)の目処を得、JC08モードの代表ポイントで90%近い最大効率を実現することができた。
2.蓄電パワエレ部要素技術の研究開発
(1)車載用キャパシタセルおよびモジュールの研究開発
 瞬発キャパシタセルおよびモジュールを開発し、その耐熱性、放熱特性を改良することによって、105℃、3000時間の寿命性能の目処を得た。また、500万回の急速充放電寿命の目処を得ることができた。さらに、瞬発キャパシタとリチウムイオン電池を用いた要素試験や、その結果を反映させたシミュレーション結果等により、開発した蓄電パワエレ部を備えたモータであれば、バッテリの寿命を2倍近く長寿命化できることを見通すことができた。
(2)蓄電パワエレ部の研究開発
 アクティブクランプカップルドインダクタ型双方向DC/DCコンバータとゼロ電圧スイッチングPWM並列接続DC/DCコンバータを新たに開発し、キャパシタとリチウム電池間、あるいはキャパシタから界磁電流を送る場合に、昇圧比が大きい場合でも電力変換効率90%以上を実現可能なDC/DCコンバータを開発することができた。
3.トータルシステムの研究開発
 コイル界磁型同期モータの試作機に蓄電パワエレ部を連結してJC08モードで運転し、そのデータ解析から数十kW級のコイル界磁型同期モータ蓄電パワエレシステムについて、蓄電パワエレ部の寄与によって、瞬時回生が可能になり、JC08モード等を模擬した場合の総合効率がPMモータと同等程度近くなる見通しを得ることができた。
4.国内外の技術動向調査
 国内外の学会、講演会や展示会等で技術動向の調査を実施し、開発に生かすことができた。
英文要約Development of high-performance battery systems for next-generation vehicles.
Elemental technology development.
Development of a high-performance motor system for next-generation vehicles equipped with a power-electronic interface for an energy storage.
(FY2008-2011) FY2011 Final Report.
(1)Development of a synchronous motor with field coil excitation.
(1-1) Basic structures of a high-power light-weight claw pole type motor.
Initially, a 10kW class claw pole motor which had a solid core and brushless field excitation had been developed based on the alternator (1kW class) design. However, as for max torque and eddy-current losses were lower level than expected performance. To improve them, the structure of the claw pole motor has been changed drastically. Solid rotor cores were changed to laminated cores and additional ferrite magnets were set between the rotor poles. The ferrite magnets in the rotor had a significant effect to reduce magnetic saturation of the rotor core.
(1-2) Development of a 20kW class claw pole type motor.
Specifications of 260mm stator outer diameter, 190mm rotor outer diameter, 32-pole and brushless field excitation were selected for the 20kW class 3rd proto motor after design parameter study. The measured maximum torque density has achieved the final target of 5 Nm/kg and the final target of power density of 1 kW/kg can be achieved by getting rid of the parts that were not contribute magnetic flux path and reducing magnetic saturation of the rotor.
(2)Elemental technology development of power electronics for energy storage systems.
(2-1)Development of electric double layer capacitor cells for next-generation vehicles.
A novel 1kF class cell of an elliptical spiral-type capacitor (ca. 100 cm2 class) and the module (10 cells) was developed. The cell and module were operated at 105-C under constant voltage of 1.8V, and the life of more than 3000 hours was assumed.
(2-2)Power electronics for energy storage devices
A coupled-inductor DC-DC converter with an active-clamp and a zvs-pwm pallarel type DC-DC converter were developed for the charge and discharge from and to capacitors. As a result, 90% and more of the high efficiency was attained over the wide range of output.
(3)R&D of the total systems.
The developed 10kW class and 20kW class motors with the power electronics for energy storage devices were tested as the total systems. The JC08 running mode with and without EDLC was simulated using a developed program, and efficiency in consideration of the brake generation of electricity was calculated. As the results, total efficiency of 90% was obtained with the total systems with the JC08 running mode.
(4)The technological trend investigation of Japan and the foreign countries.
The investigation of the technology trends of motors was carried out by participating in academic meetings, exhibitions, and so on, and we had made use of it for the development.
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