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日產(chǎn)聆風(fēng)?純電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與逆變器

2021-10-05 20:17:06·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
1 日產(chǎn)在本公司內(nèi)開(kāi)發(fā)EV核心部件對(duì)HEV／EV來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器及二次電池等是關(guān)鍵部件，日產(chǎn)汽車(chē)早已決定在本公司內(nèi)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這些部件，為此在公司內(nèi)設(shè)置了
1 日產(chǎn)在本公司內(nèi)開(kāi)發(fā)EV核心部件
對(duì)HEV／EV來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器及二次電池等是關(guān)鍵部件，日產(chǎn)汽車(chē)早已決定在本公司內(nèi)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這些部件，為此在公司內(nèi)設(shè)置了開(kāi)發(fā)／生產(chǎn)部門(mén)，建有這3種產(chǎn)品的裝配線。這一決策源于普通汽車(chē)用ECU的生產(chǎn)，當(dāng)初ECU的開(kāi)發(fā)／生產(chǎn)都是委托協(xié)作單位完成，在日產(chǎn)看來(lái)，ECU簡(jiǎn)直成了黑匣子，公司內(nèi)普遍擔(dān)心：這樣下去的話，日產(chǎn)公司很多技術(shù)將變?yōu)榭斩椿詻Q定新產(chǎn)品與新系統(tǒng)都在公司內(nèi)開(kāi)發(fā)。雖說(shuō)基本方針如此，但有些部件還是外協(xié)；有些則是兩條腿走路，即一種產(chǎn)品，既有公司內(nèi)生產(chǎn)，也有外協(xié)生產(chǎn)。聆風(fēng)純電動(dòng)汽車(chē)用幾種主要電氣部件的生產(chǎn)分擔(dān)情況如表1 所示。

日產(chǎn)1998年前已有生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的基地，現(xiàn)在用來(lái)研究／試制與EV及容錯(cuò)功能相關(guān)的半導(dǎo)體器件。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，比較重要的不是單件的開(kāi)發(fā)，而是還包含控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器及軟件在內(nèi)的開(kāi)發(fā)。電機(jī)廠家是可以開(kāi)發(fā)／生產(chǎn)HEV／EV用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，但是要做到裝車(chē)還有許多工作要做。例如：驅(qū)動(dòng)電機(jī)／ 逆變器與其控制軟件之間沒(méi)有達(dá)到最佳控制時(shí)，就很難實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的愉快、舒服駕駛。
HEV用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與EV用的規(guī)格不同。HEV用驅(qū)動(dòng)電機(jī)組裝在變速器的內(nèi)部，即在以前組裝液力變矩器的位置處，所以其形狀也與EV用的不同。HEV是用發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)交替行駛的，EV則要求用驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成連續(xù)地行駛。因?yàn)槭褂梅椒ú煌?，所以熱設(shè)計(jì)等的考慮方法也不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，HEV用驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在變速器的內(nèi)部，當(dāng)然會(huì)受到來(lái)自外部熱量的影響，對(duì)此就要加以考慮。與此相比，EV用驅(qū)動(dòng)電機(jī)較重要的是考慮電機(jī)自身的散熱。
2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
日產(chǎn)聆風(fēng)作為純電動(dòng)汽車(chē)于2010年12月上市，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為EM61，它是以2003年制造的燃料電池車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。為滿足日產(chǎn)聆風(fēng)要求，此電機(jī)采用了獨(dú)自設(shè)計(jì)的嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)了EV獨(dú)有的高響應(yīng)特性與靜音行駛。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外觀如圖1所示；其規(guī)格為：最大轉(zhuǎn)矩280 Nm，最大輸出功率80 kW，最高轉(zhuǎn)速10 390 r／min，電機(jī)質(zhì)量58 kg。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的部件構(gòu)成如圖2所示，其冷卻方式為水冷。驅(qū)動(dòng)電機(jī)分解出轉(zhuǎn)子總成與定子總成如圖3所示。電機(jī)采用VR轉(zhuǎn)速／解角傳感器作為旋轉(zhuǎn)位置傳感器。

為了抑制高速旋轉(zhuǎn)時(shí)定子鐵心產(chǎn)生的鐵損，沒(méi)有采用0.35 mm的電工鋼板，而是選用了鐵損更低且可以鉚接的0.3mm電工鋼板。

同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組分為2種：分布式繞組與集中式繞組；從有利于磁路的角度，聆風(fēng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了分布繞組。通過(guò)利用磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)高輸出轉(zhuǎn)矩，減少鐵損來(lái)降低永磁體與定子總成的發(fā)熱。繞組的線材是聚酰胺酰亞胺包覆的漆包線（AIW），線徑為0.75 mm，定子槽的槽滿率達(dá)到了70%，實(shí)現(xiàn)了高密度輸出。定子鐵心內(nèi)的繞組剖面如圖4所示。電機(jī)的磁路形狀（磁路解析模擬圖）如圖5所示。轉(zhuǎn)子鐵心的外觀如圖2、圖3所示。

要爬上30%的陡坡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)須能輸出280 Nm的轉(zhuǎn)矩。為順暢地高速行駛，電機(jī)須能輸出80 W的最大功率。為此，需要小型、高輸出的磁路。轉(zhuǎn)子的每一極按▽形狀配置3枚永磁體，構(gòu)成了永磁轉(zhuǎn)矩再加上磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路，實(shí)現(xiàn)了高輸出功率、高轉(zhuǎn)矩密度。
轉(zhuǎn)子鐵心在旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體與鐵心的質(zhì)量將起著離心力的作用，特別是驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，較大的應(yīng)力會(huì)集中在磁體兩端部的磁橋區(qū)域。如果加大磁橋?qū)挾鹊脑?，是可以減小應(yīng)力的，但另一方面，永磁體的漏磁通增加，轉(zhuǎn)矩就會(huì)降低。為此對(duì)永磁體兩端部的磁橋區(qū)域進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了磁橋區(qū)域形狀最佳化，這樣，不但可以抑制漏磁通，而且可以提高耐離心力的強(qiáng)度。最佳化的磁橋區(qū)域形狀如圖6、圖7所示。圖6中所示的磁橋?qū)挾缺３忠欢?，既不妨礙磁通的通路，又可以抑制應(yīng)力的集中。

另一方面，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，接近定子鐵心的轉(zhuǎn)子鐵心表面的鐵損增加，而且隨磁橋區(qū)域形狀的不同將使最大轉(zhuǎn)矩下降。但如圖7所示，通過(guò)使磁橋區(qū)域?qū)挾瘸叽缱罴鸦?，既可以抑制低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩下降，又可以較大程度地降低鐵損。也就是說(shuō)，通過(guò)上述磁橋區(qū)域形狀的最佳化，既可以提高耐高速旋轉(zhuǎn)的離心力、降低損耗，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的高轉(zhuǎn)矩。

永磁體采用的是釹鐵硼燒結(jié)永磁體，永磁體的特性如圖8所示。為了降低永磁體的渦流損耗引起的發(fā)熱，決定采用切割后再粘接的分割永磁體。永磁體分割后的渦流示意圖如圖9所示，分割數(shù)量與渦流損耗的關(guān)系如圖10所示。從分割數(shù)量與熱性能、生產(chǎn)效率的關(guān)系考慮，在轉(zhuǎn)子的軸方向上切割成18片（9片×2）。


電機(jī)外殼的外觀與冷卻水套的模型如圖11所示。外殼采用鑄鋁工藝生產(chǎn)，其中冷卻電機(jī)的水套為外殼的嵌件，為確保冷卻性能，水套采用了3個(gè)并行水道。此外，是將外殼套在定子鐵心上，所以將外殼設(shè)計(jì)成分散應(yīng)力的形狀。設(shè)計(jì)筋形狀時(shí)，注意了防噪聲功能。

3 逆變器
日產(chǎn)聆風(fēng)用逆變器的外觀如圖12所示，逆變器的主要參數(shù)為：尺寸304×256.5×144.5 mm，質(zhì)量16.8 kg，最大輸出電流425A （4 s），340A，DC電壓240~403 V，載波頻率5 kHz。逆變器接收經(jīng)由CAN的轉(zhuǎn)矩指令值，通過(guò)電流反饋控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。逆變器的構(gòu)成部件如圖13 所示。包括獨(dú)特結(jié)構(gòu)的功率模塊在內(nèi)，構(gòu)成部件均為專有設(shè)計(jì)，所以，既確保了作為車(chē)載部件所要求的可靠性，又實(shí)現(xiàn)了成本與性能的最佳化。逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示。


在底面上形成冷卻水道的壓鑄鋁的框體中，為疊裝式的逆變器部件：日產(chǎn)特殊結(jié)構(gòu)的功率模塊———驅(qū)動(dòng)功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)電路底板，集約了DC輸入／ AC輸出的強(qiáng)電系統(tǒng)布線功能于各部件支撐功能的樹(shù)脂壓模母線，用于平滑波形的薄膜電容器以及控制電路底板。
對(duì)逆變器來(lái)說(shuō)，其代表性的技術(shù)有：功率半導(dǎo)體的散熱技術(shù)。此技術(shù)的采用，降低了開(kāi)關(guān)技術(shù)以及溫度管理技術(shù)的損耗。
1）功率半導(dǎo)體的散熱技術(shù)
逆變器的功率半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)如圖15所示。在功率模塊上，功率半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)銅鎢復(fù)合材料制成的緩和層，直接固定在母線上。設(shè)置緩和層的目的是：緩和功率半導(dǎo)體與母線的線膨脹率不同所形成的應(yīng)力。母線固定在散熱片上，散熱片上還有通過(guò)新開(kāi)發(fā)的散熱／絕緣片與潤(rùn)滑脂形成的水道，這樣既保持了絕緣性能，又滿足了功率半導(dǎo)體冷卻性能的要求。由于絕緣層距離功率半導(dǎo)體的位置比較遠(yuǎn)，所以能夠增大半導(dǎo)體芯片附近的熱容量，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以降低熱阻。功率模塊處的水道結(jié)構(gòu)如圖16所示。絕緣片的基體材料為硅橡膠，潤(rùn)滑脂的基油采用的是與硅橡膠相容性較低的材料，所以不會(huì)對(duì)硅橡膠的機(jī)械特性產(chǎn)生影響。

2）開(kāi)關(guān)技術(shù)
通過(guò)提高電流的開(kāi)關(guān)速度是可以減少功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)損耗的，但是，提高開(kāi)關(guān)速度，會(huì)增加通斷時(shí)的過(guò)電壓，因此一般的做法是：要求開(kāi)關(guān)速度達(dá)到最佳化，使過(guò)電壓在容許的范圍之內(nèi)，而又可以減少損耗。
開(kāi)關(guān)速度的最佳化可在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)得以實(shí)現(xiàn)。本文所述逆變器所采用的驅(qū)動(dòng)電路如圖17所示。功率半導(dǎo)體通斷時(shí)，集射極之間產(chǎn)生的電壓變化率通過(guò)集電極端子上連接的超級(jí)電容反饋到柵極驅(qū)動(dòng)電路，由此確保了開(kāi)關(guān)速度在規(guī)定的范圍。此外，通過(guò)對(duì)此反饋功能有效時(shí)間的調(diào)整，一方面可以提高導(dǎo)通、截止初期的開(kāi)關(guān)速度，另一方面，又可以保證僅在過(guò)電壓沒(méi)有升高的時(shí)間帶內(nèi)，導(dǎo)通、截止的速度在規(guī)定的范圍之內(nèi)。通過(guò)這些動(dòng)作，既保證了過(guò)電壓收攏在規(guī)定范圍之內(nèi)，又可以降低開(kāi)關(guān)損耗。采用這種電路前后導(dǎo)通、截止波形如圖18所示。在相同過(guò)電壓的條件下，采用本文所述的電路，有反饋對(duì)比無(wú)反饋時(shí)的導(dǎo)通、截止時(shí)的損耗要低。

3）功率半導(dǎo)體器件的溫度控制
制約逆變器工作范圍一個(gè)較大的因素是功率半導(dǎo)體器件的溫度。而本文所述的逆變器通過(guò)上述的散熱技術(shù)及開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了降低功率半導(dǎo)體器件的溫度。而且，即便在估計(jì)之外的狀況下，也需要防止功率半導(dǎo)體器件出現(xiàn)過(guò)熱的故障，抑制工作性能的惡化。眾所周知，可以將降低載波頻率或者限制轉(zhuǎn)矩作為防止過(guò)熱的方法。但是，由于降低載波頻率會(huì)產(chǎn)生刺耳的高頻噪聲，限制轉(zhuǎn)矩會(huì)招致動(dòng)力性能降低，這些毛病頻繁發(fā)生的話，將會(huì)給客戶帶來(lái)麻煩與不便。對(duì)于這一課題，日產(chǎn)采用的方法：利用軟件采用溫度推斷功能加以解決。

所謂溫度推斷就是基于功率半導(dǎo)體器件的損耗模型，與散熱系模型實(shí)時(shí)推斷功率半導(dǎo)體器件的溫度，通過(guò)轉(zhuǎn)換載波頻率與線性地限制轉(zhuǎn)矩，以保證其低于規(guī)定的溫度。通過(guò)實(shí)時(shí)推斷功率半導(dǎo)體器件的溫度，可以將保護(hù)動(dòng)作限定于必要的且最少的場(chǎng)合，所以不會(huì)損害客戶的便利性，并可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了日產(chǎn)聆風(fēng)車(chē)用的關(guān)鍵部件———驅(qū)動(dòng)電機(jī)與逆變器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。就驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，還有一個(gè)很重要的內(nèi)容，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其控制軟件相配合，日產(chǎn)聆風(fēng)車(chē)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線性控制。
利用電能使汽車(chē)行駛，從某種意義上來(lái)講，是與發(fā)熱量在抗?fàn)?；逆變器的開(kāi)關(guān)元件為IGBT，當(dāng)其溫度超過(guò)150℃，IGBT將無(wú)法發(fā)揮正常的功能，所以需要采取風(fēng)冷或水冷等措施。因此，就要采用具有富裕的熱設(shè)計(jì)，而外殼又不能過(guò)大。對(duì)子系統(tǒng)必須是臨界狀態(tài)的熱設(shè)計(jì)，既保證殼體的小型化，又要發(fā)揮出最大的能力。
《日產(chǎn)聆風(fēng)純電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與逆變器》
文章DOI:1003－8639（2016）01－0055－04
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