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电机分析 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。 结合LEAF车型，最高车速能到145km/h，能达到的爬坡度为30%。 转子 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。 另外，为了降低齿槽转矩，电机采用了两端斜极。 定子 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，采用自动下线机，能达到70%的槽满率。
外壳和水道
采用铸铝外壳，里面三个并联水道。 性能 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。
控制器分析 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，真实空间只有14L左右。
直流端子线径为54mm2，交流端子线径为85mm2（峰值电流425Arms）。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
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。
电容 Panasonic的薄膜电容，1186.5uF+1.13uf，电压600V。电池电压通常在350~400V之间，最低到270V。电机的反电动势是51Vrms/1000rpm，峰值转速10400rpm。
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。
驱动板和IGBT 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。
下图是用该款IGBT做的双脉冲测试电压波形，电压尖峰100V左右。
驱动电路 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。
图蓝色部分是一个dv/dt反馈电路，类似有源箝位电路。 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。 交流集成母排 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。 交流输出母排上，每相一个电流传感器，没有备份。
直流集成母排 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。
放电电阻 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。
组装工艺 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，而且做的不好的话，防护等级到不了IP67，至少增加了密封破坏的隐患。 热保护 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。
大体的思路分为三个部分。 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。 开关频率 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。 防抖动控制
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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