日產聆風純電動汽車用驅動電機與逆變器

周泉

?

日產聆風純電動汽車用驅動電機與逆變器

周泉

摘要：介紹日產在本公司內開發電動汽車核心部件的緣由、主要電氣部件的生產分擔、日產聆風純電動汽車用驅動電機與逆變器的結構與特點。

關鍵詞：EV核心技術；驅動電機；逆變器；磁橋區域

1　日產在本公司內開發EV核心部件

對HEV／EV來說，驅動電機、逆變器及二次電池等是關鍵部件，日產汽車早已決定在本公司內開發、生產這些部件，為此在公司內設置了開發／生產部門，建有這3種產品的裝配線。這一決策源于普通汽車用ECU的生產，當初ECU的開發／生產都是委托協作單位完成，在日產看來，ECU簡直成了黑匣子，公司內普遍擔心：這樣下去的話，日產公司很多技術將變為空洞化，所以決定新產品與新系統都在公司內開發。雖說基本方針如此，但有些部件還是外協；有些則是兩條腿走路，即一種產品，既有公司內生產，也有外協生產。聆風純電動汽車用幾種主要電氣部件的生產分擔情況如表1所示。

表1　　聆風純電動汽車主要電氣部件的生產分擔

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

HEV用驅動電機與EV用的規格不同。HEV用驅動電機組裝在變速器的內部，即在以前組裝液力變矩器

HEV是用發動機與驅動電機交替行駛的，EV則要求用驅動電機總成連續地行駛。因為使用方法不同，所以熱設計等的考慮方法也不同。在設計時，HEV用驅動電機安裝在變速器的內部，當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用驅動電機較重要的是考慮電機自身的散熱。

2　驅動電機

日產聆風作為純電動汽車于2010年12月上市，其驅動電機型號為EM61，它是以2003年制造的燃料電池車用驅動電機為基礎開發出來的。為滿足日產聆風要求，此電機采用了獨自設計的嵌入式永磁同步電動機，由此實現了EV獨有的高響應特性與靜音行駛。驅動電機的外觀如圖1所示；其規格［1］為：最大轉矩280Nm，最大輸出功率80kW，最高轉速10390r／min，電機質量58kg。

驅動電機的部件構成如圖2所示，其冷卻方式為水冷。驅動電機分解出轉子總成與定子總成如圖3所示。電機采用VR轉速／解角傳感器作為旋轉位置傳感器。

圖1　　驅動電機的外觀

圖2　　驅動電機的構成部件

為了抑制高速旋轉時定子鐵心產生的鐵損，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，聆風用驅動電機采用了分布繞組。通過利用磁阻轉矩實現高輸出轉矩，減少鐵損來降低永磁體與定子總成的發熱。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%，實現了高密度輸出。定子鐵心內的繞組剖面如圖4所示。電機的磁路形狀 （磁路解析模擬圖）如圖5所示。轉子鐵心的外觀如圖2、圖3所示。

圖3　　轉子總成與定子總成

要爬上30%的陡坡，驅動電機須能輸出280 Nm的轉矩。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。轉子的每一極按▽形狀配置3枚永磁體，構成了永磁轉矩再加上磁阻轉矩的磁路，實現了高輸出功率、高轉矩密度。

轉子鐵心在旋轉時，永磁體與鐵心的質量將起著離心力的作用，特別是驅動電機高速旋轉時，較大的應力會集中在磁體兩端部的磁橋區域［2］。如果加大磁橋寬度的話，是可以減小應力的，但另一方面，永磁體的漏磁通增加，轉矩就會降低。為此對永磁體兩端部的磁橋區域進行了研究，實現了磁橋區域形狀最佳化，這樣，不但可以抑制漏磁通，而且可以提高耐離心力的強度。最佳化的磁橋區域形狀如圖6、圖7所示。圖6中所示的磁橋寬度保持一定，既不妨礙磁通的通路，又可以抑制應力的集中。

圖5　　電機的磁路形狀（磁路解析模擬圖）

圖6　　磁橋區域最佳化研究結果之一

另一方面，在高速旋轉時，接近定子鐵心的轉子鐵心表面的鐵損增加，而且隨磁橋區域形狀的不同將使最大轉矩下降。但如圖7所示，通過使磁橋區域寬度尺寸最佳化，既可以抑制低速旋轉時的轉矩下降，又可以較大程度地降低鐵損。也就是說，通過上述磁橋區域形狀的最佳化，既可以提高耐高速旋轉的離心力、降低損耗，同時又可以實現低速旋轉時的高轉矩。

圖7　　磁橋區域最佳化研究結果之二

永磁體采用的是釹鐵硼燒結永磁體，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，分割數量與渦流損耗的關系如圖10所示。從分割數量與熱性能、生產效率的關系考慮，在轉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　　分割數量與渦流損耗的關系

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，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，所以將外殼設計成分散應力的形狀。設計筋形狀時，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

日產聆風用逆變器的外觀如圖12所示，逆變器的主要參數為：尺寸304×256.5×144.5 mm，質量16.8 kg，最大輸出電流425A（4s），340A，DC電壓240～403 V，載波頻率5 kHz。逆變器接收經由CAN的轉矩指令值，通過電流反饋控制驅動電動機。逆變器的構成部件如圖13所示。包括獨特結構的功率模塊在內，構成部件均為專有設計，所以，既確保了作為車載部件所要求的可靠性，又實現了成本與性能的最佳化。逆變器的內部結構如圖14所示。

圖12　　逆變器的外觀

圖13　　逆變器的構成部件

圖14　　逆變器的內部結構

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：日產特殊結構的功率模塊——驅動功率模塊的柵極驅動電路底板，集約了DC輸入／AC輸出的強電系統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，其代表性的技術有：功率半導體的散熱技術。此技術的采用，降低了開關技術以及溫度管理技術的損耗。

1）功率半導體的散熱技術逆變器的功率半導體散熱結構如圖15所示。在功率模塊上，功率半導體經過銅鎢復合材料制成的緩和層，直接固定在母線上。設置緩和層的目的是：緩和功率半導體與母線的線膨脹率不同所形成的應力。母線固定在散熱片上，散熱片上還有通過新開發的散熱／絕緣片與潤滑脂形成的水道，這樣既保持了絕緣性能，又滿足了功率半導體冷卻性能的要求。由于絕緣層距離功率半導體的位置比較遠，所以能夠增大半導體芯片附近的熱容量，在很短的時間內就可以降低熱阻。功率模塊處的水道結構如圖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生影響。

圖15　　逆變器的功率半導體散熱結構

圖16　　功率模塊處的水道結構（功率半導體的下側）

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

開關速度的最佳化可在設計柵極驅動電路時得以實現。本文所述逆變器所采用的驅動電路如圖17所示。功率半導體通斷時，集射極之間產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動電路，由此確保了開關速度在規定的范圍。此外，通過對此反饋功能有效時間的調整，一方面可以提高導通、截止初期的開關速度，另一方面，又可以保證僅在過電壓沒有升高的時間帶內，導通、截止的速度在規定的范圍之內。通過這些動作，既保證了過電壓收攏在規定范圍之內，又可以降低開關損耗。采用這種電路前后導通、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通、截止時的損耗要低。

3）功率半導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體器件的溫度。而本文所述的逆變器通過上述的散熱技術及開關技術實現了降低功率半導體器件的溫度。而且，即便在估計之外的狀況下，也需要防止功率半導體器件出現過熱的故障，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矩作為防止過熱的方法。但是，由于降低載波頻率會產生刺耳的高頻噪聲，限制轉矩會招致動力性能降低，這些毛病頻繁發生的話，將會給客戶帶來麻煩與不便。對于這一課題，日產采用的方法：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體器件的損耗模型，與散熱系模型實時推斷功率半導體器件的溫度，通過轉換載波頻率與線性地限制轉矩，以保證其低于規定的溫度。通過實時推斷功率半導體器件的溫度，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，并可以繼續運轉。

圖17　　逆變器所采用的驅動電路

圖18　　導通、截止時波形的對比

4　結語

本文介紹了日產聆風車用的關鍵部件——驅動電機與逆變器的結構與特點。就驅動電機而言，還有一個很重要的內容，即驅動電機與其控制軟件相配合，日產聆風車實現了驅動電機的線性控制。

利用電能使汽車行駛，從某種意義上來講，是與發熱量在抗爭；逆變器的開關元件為IGBT，當其溫度超過150℃，IGBT將無法發揮正常的功能，所以需要采取風冷或水冷等措施。因此，就要采用具有富裕的熱設計，而外殼又不能過大。對子系統必須是臨界狀態的熱設計，既保證殼體的小型化，又要發揮出最大的能力。

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，2012，66（9）：44-49.

（編輯楊景）

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：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