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日产LEAF 2011款电机及其控制器分析

TIME:2019-11-02   click:

  2011款LEAF电机峰值转矩280Nm,峰值功率80kW,峰值转速10390rpm。反电动势为51Vrms/1000rpm。重量达到58kg,体积大约19L。算下来功率密度约为1.4kW/kg和4.2kW/L,在当时也不算最高的。电机为永磁同步,8极48槽。

  为了增加气隙磁链、凸极率,从而提高转矩密度,Leaf的电机摒弃了一型和V型磁钢布局,采用了delta布局。磁钢采用的30UH。

  转子的磁槽里并不是100%填充磁钢,而是留了一部分气隙,这就是隔磁桥。隔磁桥里◆●△▼●面都是空气,磁导率低,磁阻大,就能•☆■▲引导磁密线穿过较窄的定转★▽…◇子气隙,去耦合定子绕组,而不是直接经过转子铁芯形成磁场闭合,形成漏磁的浪费。

  磁桥不是越大越好,因为这部分空间会影响转子的机械强度。大家都知道转子高速旋转后,会形成离心力,磁钢会有脱离转子飞出去的趋势,对于内埋式电机就需要磁钢外部的硅钢片牢牢的抓住磁钢。如果隔磁桥大了,磁钢外的硅钢片就薄了,机械强度不够,高速容易扫膛。

  Leaf的这款电机,优化了磁桥的倾斜角和宽度。倾斜角主要是从机械力的方面考虑,采用了60°。磁桥宽度主要是从降低涡流损耗和增大Q轴电感的角度去权衡优化。

  理论上,永磁电机同步运行,转子磁链应该是恒定的,没有磁链波动,转子不会产生涡流损耗。但实际由于定子齿槽效应、逆变器PWM供电、电流暂态波动◇=△▲等因素,转子的磁链在空间和时间上是存在变化的。变化的磁场就会产生变化的电场,从而在转子上形成涡流,造成发热。

  为了减小涡流效应,转子本体也和定子一样做成叠片式硅钢片,但磁钢却不能做成薄片,这样磁钢表面的涡流就不可避免成了转子的主要热源。特别是当电机高速长时间运行时,电机频率高,涡流效应更明显,转子温度升高,如果超过了磁钢的居里温度,就会造成失磁。Leaf的这款电机磁钢也采用了分段式,如上图所示。

  定子采用的是0.3mm的硅钢片,硅钢片太厚定子涡▪▲□◁流损耗大,硅钢片太薄加工难度高、成本高。定子绕组采用0.75mm的漆包线,采用自动下线%的槽满率。

  经过橡树岭的堵转测试,在600Apeak下,电机达到峰值转矩280Nm。

  电机标称的峰值功率是80kW,但奇怪是在7000rpm、65°的入水口温度下,电机80kW却能持续运行1小时以上(温度到了160度)。看来▽•●◆峰值功率80kW的瓶颈不在电机,可能在控制器的输出能力上,电机远远有富余。

  实测的电机效率图,高效区在中高速、中高功率附近。和常规的设计理念不一致啊,感觉在实际开车过程中,这个区域使用频率很低啊。

  该款控制器外形如下图所示,长470mm,宽280mm,高140mm(最高处190mm)。

  控制器总重16.2kg,总的体积15.6L,但是盖子上有个凸出1.5L多余空间,上面LOGO,线L左右。

  直流端子线,交流端子线Arms)。打开盖子后,最上面看到的就是控制板,内部结构采用▲★-●叠层时放置,从上往下依次是控制板、控制☆△◆▲■板支架、电容、电容支架、驱动板、IGBT、散热器。

  控制板的主要作用是电源电压调理、驱动信号发出、通讯、输入输出信号调理等功能。主芯片是Renesas的R5F71476FPV,32位,512 kB ROM ,有16路12位AD。解码芯片用的是多摩川的AU6803。为了提高EMC,36pin 线束上用了磁环。

  在X射线下,内部结构如下图。比较奇怪的是为什么单独加了一个1.13uF的小电容,仅仅是为了提高空间利用率?看位置,也不像是IGBT尖峰电压的吸收电容。

  具体不知用的谁家的IGBT,怀疑是定制的,看尺寸比英飞凌的Econo封装稍微大点。

  按照官方的说法,这款IGBT的特别之处在于,功率芯片直接焊到了母排上面,普通IGBT都是放在陶瓷基板上,然后通过bonding线连到母排上的。

  下图是个驱动电路的▲●…△简图。IGBT的开通关断速率是驱动电路决定的,太快会造△▪▲□△成电压尖峰过高,太慢会造成开关损耗过大,所以需要权衡。

  按照官方说法,关断时如果dvdt过高,就可以通过该电路降低门极的放电速率,减小关断▪•★速度,从而减小dvdt。由于只是个简图,很难分析具体内容,哪位大牛能说明白,欢迎给我消息。

  从IGBT的输出三相端子到电机线接线处的铜排走线,是很头疼的事情,因为既要留一定的距离绝缘,走向又要拐很多弯。这款控制器应该是用的塑▼▲料模具,同时解决了电流传感器的固定、铜排绝缘和固定等问题。

  电池来的正负母排需要先到电容,电容再输出到三只IGBT。电容到igbt的铜排需要优化设计,减小杂散电感,从而减小关断电压尖峰。这部分也是用塑料件来实现的。

  停机后,薄膜电容上还有残留的高压,但薄膜电容漏电流很小,所以放电很慢,为了加快放电速率,在直流上并了一个电阻(61kΩ,15W),大概需要2min才能将电压放到安全阈值。

  老四最开始一直没想明白一个问题,这款控制器体积很小,内部交直流集成母排上的螺钉•□▼◁▼孔,在生产过程中,怎么拧上螺钉,实现电容、IGBT的固定。可以看到,这些螺孔都是水平方向的(不能从上往下固定的),且外壳距离很近,没有特殊工具根本没法安装固定。后来发现人家用了一个很土的办法。

  在控制器外壳上留很多的孔,生产时从这些孔拧螺钉。拧完螺钉后,再用挡板把孔给封死。这样很◆▼有效,但外壳会比较丑,而且做的不好的线,至少增加了密封破坏的隐患。

  控制器峰值电流输出能力和持续电流输出时间,都是由●功率器件的温度所决定了的。热保护策略既要保证车辆在各个工况下最大输出能力,又要保护自身避免损坏。

  Leaf的控制器,实时估算了IGBT的结温,用该温度来确定IGBT输出电流的大小。

  一是器件发热损耗计算,用当前的直流▷•●电压、输出电流、开关频率和PWM占空比,实时计算IGBT和二极管的开关损耗和导通损耗,综合得到器件的发热总量。二是根据模块内部的热模型(热阻和热容等参数),加上器件总发热量,计算得到IGBT和二极管的实时结温。三是用估算的结温做保护,高于一定阈值开始降容,继续高于一定★-●=•▽阈值就直接△▪▲□△停机保护。

  基本思路都是这样,国内很多厂家也在这样做。关键是损耗计算和热模型的精确性,需要反复做试验对比。当然也不能完全依赖于估算的温度,这之外还需要保护策略。

  官方说默认开关频率是5kHz,对上万转的电机来说,感觉很低啊。不过根据实测数据,温升很低,所以低开关频率也不是没可能。不知有朋友实测过没有,有没有具体的值。

  控制器驱动电机,转矩响应相对于传统燃油发动机来说,快了一个数量级。带来加速性提高的同时,会造成传动系统的抖动,表现来就是踩下或松开油门时,车会有抖动感,在低速最明显。所以为了消除抖动,需要采用一定的控制策略。Leaf公布的策略是一个前馈补偿,这玩意儿看看就行,了解下思路,具体怎么干还得靠自己去琢磨,软件策略的东西人家肯定是不会说的。

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