日產(chǎn)聆風(fēng)純電動汽車用驅(qū)動電機與逆變器

周泉

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日產(chǎn)聆風(fēng)純電動汽車用驅(qū)動電機與逆變器

周泉

摘要：介紹日產(chǎn)在本公司內(nèi)開發(fā)電動汽車核心部件的緣由、主要電氣部件的生產(chǎn)分擔(dān)、日產(chǎn)聆風(fēng)純電動汽車用驅(qū)動電機與逆變器的結(jié)構(gòu)與特點。

關(guān)鍵詞：EV核心技術(shù)；驅(qū)動電機；逆變器；磁橋區(qū)域

1　日產(chǎn)在本公司內(nèi)開發(fā)EV核心部件

對HEV／EV來說，驅(qū)動電機、逆變器及二次電池等是關(guān)鍵部件，日產(chǎn)汽車早已決定在本公司內(nèi)開發(fā)、生產(chǎn)這些部件，為此在公司內(nèi)設(shè)置了開發(fā)／生產(chǎn)部門，建有這3種產(chǎn)品的裝配線。這一決策源于普通汽車用ECU的生產(chǎn)，當(dāng)初ECU的開發(fā)／生產(chǎn)都是委托協(xié)作單位完成，在日產(chǎn)看來，ECU簡直成了黑匣子，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?，所以決定新產(chǎn)品與新系統(tǒng)都在公司內(nèi)開發(fā)。雖說基本方針如此，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)純電動汽車用幾種主要電氣部件的生產(chǎn)分擔(dān)情況如表1所示。

表1　　聆風(fēng)純電動汽車主要電氣部件的生產(chǎn)分擔(dān)

日產(chǎn)1998年前已有生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的基地，現(xiàn)在用來研究／試制與EV及容錯功能相關(guān)的半導(dǎo)體器件。對驅(qū)動電機來說，比較重要的不是單件的開發(fā)，而是還包含控制驅(qū)動電機的逆變器及軟件在內(nèi)的開發(fā)。電機廠家是可以開發(fā)／生產(chǎn)HEV／EV用驅(qū)動電機的，但是要做到裝車還有許多工作要做。例如：驅(qū)動電機／逆變器與其控制軟件之間沒有達到最佳控制時，就很難實現(xiàn)汽車的愉快、舒服駕駛。

HEV用驅(qū)動電機與EV用的規(guī)格不同。HEV用驅(qū)動電機組裝在變速器的內(nèi)部，即在以前組裝液力變矩器

HEV是用發(fā)動機與驅(qū)動電機交替行駛的，EV則要求用驅(qū)動電機總成連續(xù)地行駛。因為使用方法不同，所以熱設(shè)計等的考慮方法也不同。在設(shè)計時，HEV用驅(qū)動電機安裝在變速器的內(nèi)部，當(dāng)然會受到來自外部熱量的影響，對此就要加以考慮。與此相比，EV用驅(qū)動電機較重要的是考慮電機自身的散熱。

2　驅(qū)動電機

日產(chǎn)聆風(fēng)作為純電動汽車于2010年12月上市，其驅(qū)動電機型號為EM61，它是以2003年制造的燃料電池車用驅(qū)動電機為基礎(chǔ)開發(fā)出來的。為滿足日產(chǎn)聆風(fēng)要求，此電機采用了獨自設(shè)計的嵌入式永磁同步電動機，由此實現(xiàn)了EV獨有的高響應(yīng)特性與靜音行駛。驅(qū)動電機的外觀如圖1所示；其規(guī)格［1］為：最大轉(zhuǎn)矩280Nm，最大輸出功率80kW，最高轉(zhuǎn)速10390r／min，電機質(zhì)量58kg。

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

圖1　　驅(qū)動電機的外觀

圖2　　驅(qū)動電機的構(gòu)成部件

為了抑制高速旋轉(zhuǎn)時定子鐵心產(chǎn)生的鐵損，沒有采用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。

同步電動機的定子繞組分為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)動電機采用了分布繞組。通過利用磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)高輸出轉(zhuǎn)矩，減少鐵損來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，定子槽的槽滿率達到了70%，實現(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。

圖3　　轉(zhuǎn)子總成與定子總成

要爬上30%的陡坡，驅(qū)動電機須能輸出280 Nm的轉(zhuǎn)矩。為順暢地高速行駛，電機須能輸出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，實現(xiàn)了高輸出功率、高轉(zhuǎn)矩密度。

轉(zhuǎn)子鐵心在旋轉(zhuǎn)時，永磁體與鐵心的質(zhì)量將起著離心力的作用，特別是驅(qū)動電機高速旋轉(zhuǎn)時，較大的應(yīng)力會集中在磁體兩端部的磁橋區(qū)域［2］。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)矩就會降低。為此對永磁體兩端部的磁橋區(qū)域進行了研究，實現(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。

圖5　　電機的磁路形狀（磁路解析模擬圖）

圖6　　磁橋區(qū)域最佳化研究結(jié)果之一

另一方面，在高速旋轉(zhuǎn)時，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，通過使磁橋區(qū)域?qū)挾瘸叽缱罴鸦?，既可以抑制低速旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩下降，又可以較大程度地降低鐵損。也就是說，通過上述磁橋區(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，同時又可以實現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)時的高轉(zhuǎn)矩。

圖7　　磁橋區(qū)域最佳化研究結(jié)果之二

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）。

圖8　　永磁體的特性

圖9　　永磁體分割后的渦流示意圖

圖10　　分割數(shù)量與渦流損耗的關(guān)系

電機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)，其中冷卻電機的水套為外殼的嵌件，為確保冷卻性能，水套采用了3個并行水道。此外，是將外殼套在定子鐵心上，所以將外殼設(shè)計成分散應(yīng)力的形狀。設(shè)計筋形狀時，注意了防噪聲功能。

圖11　　電機外殼的外觀與冷卻水套的模型

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（4s），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，通過電流反饋控制驅(qū)動電動機。逆變器的構(gòu)成部件如圖13所示。包括獨特結(jié)構(gòu)的功率模塊在內(nèi)，構(gòu)成部件均為專有設(shè)計，所以，既確保了作為車載部件所要求的可靠性，又實現(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。

圖12　　逆變器的外觀

圖13　　逆變器的構(gòu)成部件

圖14　　逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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)動功率模塊的柵極驅(qū)動電路底板，集約了DC輸入／AC輸出的強電系統(tǒng)布線功能于各部件支撐功能的樹脂壓模母線，用于平滑波形的薄膜電容器以及控制電路底板。

對逆變器來說，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，散熱片上還有通過新開發(fā)的散熱／絕緣片與潤滑脂形成的水道，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，所以不會對硅橡膠的機械特性產(chǎn)生影響。

圖15　　逆變器的功率半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)

圖16　　功率模塊處的水道結(jié)構(gòu)（功率半導(dǎo)體的下側(cè)）

2）開關(guān)技術(shù)通過提高電流的開關(guān)速度是可以減少功率半導(dǎo)體的開關(guān)損耗的，但是，提高開關(guān)速度，會增加通斷時的過電壓，因此一般的做法是：要求開關(guān)速度達到最佳化，使過電壓在容許的范圍之內(nèi)，而又可以減少損耗。

開關(guān)速度的最佳化可在設(shè)計柵極驅(qū)動電路時得以實現(xiàn)。本文所述逆變器所采用的驅(qū)動電路如圖17所示。功率半導(dǎo)體通斷時，集射極之間產(chǎn)生的電壓變化率通過集電極端子上連接的超級電容反饋到柵極驅(qū)動電路，由此確保了開關(guān)速度在規(guī)定的范圍。此外，通過對此反饋功能有效時間的調(diào)整，一方面可以提高導(dǎo)通、截止初期的開關(guān)速度，另一方面，又可以保證僅在過電壓沒有升高的時間帶內(nèi)，導(dǎo)通、截止的速度在規(guī)定的范圍之內(nèi)。通過這些動作，既保證了過電壓收攏在規(guī)定范圍之內(nèi)，又可以降低開關(guān)損耗。采用這種電路前后導(dǎo)通、截止波形如圖18所示。在相同過電壓的條件下，采用本文所述的電路，有反饋對比無反饋時的導(dǎo)通、截止時的損耗要低。

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上述的散熱技術(shù)及開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了降低功率半導(dǎo)體器件的溫度。而且，即便在估計之外的狀況下，也需要防止功率半導(dǎo)體器件出現(xiàn)過熱的故障，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)矩作為防止過熱的方法。但是，由于降低載波頻率會產(chǎn)生刺耳的高頻噪聲，限制轉(zhuǎn)矩會招致動力性能降低，這些毛病頻繁發(fā)生的話，將會給客戶帶來麻煩與不便。對于這一課題，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，與散熱系模型實時推斷功率半導(dǎo)體器件的溫度，通過轉(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。通過實時推斷功率半導(dǎo)體器件的溫度，可以將保護動作限定于必要的且最少的場合，所以不會損害客戶的便利性，并可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

圖17　　逆變器所采用的驅(qū)動電路

圖18　　導(dǎo)通、截止時波形的對比

4　結(jié)語

本文介紹了日產(chǎn)聆風(fēng)車用的關(guān)鍵部件——驅(qū)動電機與逆變器的結(jié)構(gòu)與特點。就驅(qū)動電機而言，還有一個很重要的內(nèi)容，即驅(qū)動電機與其控制軟件相配合，日產(chǎn)聆風(fēng)車實現(xiàn)了驅(qū)動電機的線性控制。

利用電能使汽車行駛，從某種意義上來講，是與發(fā)熱量在抗?fàn)帲荒孀兤鞯拈_關(guān)元件為IGBT，當(dāng)其溫度超過150℃，IGBT將無法發(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，而外殼又不能過大。對子系統(tǒng)必須是臨界狀態(tài)的熱設(shè)計，既保證殼體的小型化，又要發(fā)揮出最大的能力。

參考文獻：

［1]佐藤義則 日産リーフ向けモータ＆インバータの開発［J］.日産技報，2012，69-70（1）：21-24.

［2]佐々木広明 新開発EV向けモータ?インバータの開発［J］.自動車技術(shù)，2012，66（9）：44-49.

（編輯楊景）

中圖分類號：U469.72

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1003－8639（2016）01－0055－04

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-05-07的位置處，所以其形狀也與EV用的不同。

Driving Motor and Inverter for NISSAN LEAF Pure EV

ZHOU Quan

Abstract：TheauthorintroduceswhyNISSANdevelopsitscorecomponentsforEVautonomously，the production sharing of main electrical components；as well as the structures，characteristics of the driving motor and the inverter for NISSAN LEAF pure EV.

Key words：core technology for EV；driving motor；inverter；magnetic bridge region