日产汽车电驱动总成和新型BEV电池的开发

电气化在汽车行业正以迅猛的速度向实现碳中和的目标迈进。自1947年的TAMA EV以来，日产公司稳步积累了电动汽车的业绩并完善了其技术。首款大规模生产的电动汽车LEAF自2010年起在全球范围内销售。日产公司对其平台和动力系统进行了更新，创造了配备最新技术的ARIYA车型。

图1 日产纯电动汽车（BEV）发展历史

ARIYA提供两驱和四驱版本，分别搭载66kWh和91kWh的电池，让客户可以选择最符合他们生活方式的级别。ARIYA融合了提高驾驶便利性的技术。

电动汽车普及的一大障碍是续航里程，ARIYA与上一代LEAF相比增加了电池容量，同时减轻了重量并提高了空气动力性能，尽管是一款SUV，但增加了巡航范围。通过优化电池的热管理技术，ARIYA的电池充电性能也得到了提高。

图2 ARIYA 续航里程（WLTP）

另一方面，紧凑型SUV需要宽敞舒适的内部空间、优异的四驱性能和高功率，这些因素之间存在着一种权衡关系。新开发的动力系统必须平衡这些权衡。

图3 ARIYA车辆包装

1.1.1 电动机和逆变器

电动机和逆变器必须具有高输出和扭矩、静音、高效、紧凑、轻量化和成本降低的特点。

1.1.2 高压电池

电池必须具有高容量，一个平坦且薄的壳体，有助于实现平整的地板，并且需要安全性和可靠性。

作为一款全球车型，电池的热性能也需要确保电动汽车能够在全球范围内，在各种严酷的温度和驾驶条件下使用。

1.1.3 动力总成，车辆控制

车辆控制还需要新的电动四轮驱动技术，该技术在保持高功率和驱动力的情况下，平衡了高度控制、响应、平顺性、安全性和安全性。

2.1.1 电机

在传统磁铁类型之外，采用了一种油冷式电动执行器（EESM），以在高转速下实现加速性能和最大速度（Vmax）。

该电机转速比LEAF电机高出约2,000转每分钟，同时输出提升了11%。实现了与LEAF相同的电机尺寸，并且与逆变器一起实现了5%的体积减少。这是通过与安装在LEAF上的磁铁类型相同的大小实现的。这种紧凑性使得在包装电机舱时具有更大的自由度，空调单元可以重新定位到电机室，有助于提供更大的内部空间。

图4 eMOTOR PN曲线和尺寸比较

通过优化转子和磁场电流，电磁激励力已经得到降低。转子形状设计成使得气隙中的磁通密度分布呈正弦波形，显著减少了不贡献扭矩的高阶磁通密度，从而降低了激励力和铁损。此外，在低负载下，转子电流被控制在最小必要值以减少电机电磁激励力和噪音。这些特性使得内部极为安静，特别是在低负载运行时。由于永磁电机所需的弱磁场不再需要，该电机可以在低负载、高转速范围内实现高效运行，并且可以提高高速巡航范围。

图5. EESM在噪音和效率方面的优势

由于不使用磁铁，这种电动机在资源成本方面也具有显著优势。然而，引入油冷却型EESM也存在转子过热和生产效率低的缺点。

为了引入油冷却型EESM，采用了直接冷却转子的油冷却结构。冷却线圈端子可以同时冷却整个转子和线圈端子，通常这部分损耗占总损耗的40%。

图6 油冷却结构

生产效率一直是一个问题，通过开发内部设备，在20分钟内同时绕制8个转子来解决了这个问题。

图7 EESM转子绕组过程

2.1.2 逆变器

对于逆变器，使用了一种新型树脂水套，具有优异的成型自由度和绝缘性能，电源模块、驱动控制板和母线放置在水套上，与传统逆变器相比，重量减轻了35%，零件减少了40%。

图8 新逆变器结构和重量比较

振动控制被纳入附加值中，前馈/反馈补偿器控制电动机，即使电动机受到快速输入扭矩的影响，也可以防止前后摆动。

图9 控制原理图和车辆测试结果

在有限空间内的电池布局对于实现平坦宽敞的内部空间是必要的，而续航里程高度依赖于电池性能，因此单位体积的能量密度必须得到提高。

有两种容量的电池可供选择，分别为66千瓦时和91千瓦时，可产生310千瓦/350千瓦的输出功率。电池温度控制功能包括加热器和冷却机制，同时将尺寸减小到大约最小144毫米。

表1：电池比较

在推出LEAF之后，这款已经售出超过60万辆的汽车，没有发生过任何严重的交通事故。日产采用了同样的安全概念，并已经在极端条件下对ARIYA电池进行了测试和验证。

完美的电动汽车需要在更短的时间内具有更多的充电容量，并且还需要一个用于电池温度控制的温度控制系统。冷却通道需要与电池单体和模块间隔开来，因此采用了底部冷却结构。

图10 电池冷却/加热系统

然而，该系统会增加零件数量，电池外壳变得更重、更厚。为了减少零件数量，底部板、LLC流道和保护板被集成在一起。采用铝挤压工艺创建一个横截面结构，允许LLC通过挤压的底部板流动。这已经实现了一个厚度减小的冷却系统。

图11 带有冷却通道的电池盒结构

2 2.3 电动四驱 e-4ORCE

新ARIYA拥有四轮驱动型号，配备了前后分离电机。扭矩和功率相同，且可以分别控制。过去，具有六个自由度的车辆运动由各个系统（即动力总成、VDC、转向、底盘和制动）控制。由于这些系统是液压的，例如，它们的控制响应较慢。因此，构建顺序自然确定（如从慢到快）。然而，这种前后电机动力系统具有更快的响应速度，当电源电气化时，它可能会改变理想的造车方式（快速响应技术）。例如，通过使用电机的负扭矩来控制减速力，从而产生制动力矩。日产电动四驱控制系统（e-4orce）旨在通过高功率双电机和精确控制来实现新一代电动汽车驾驶。

舒适的驾驶体验：通过前后轮的高精度扭矩控制来抑制车身俯仰。此外，与两驱相比，通过将减速扭矩分配到后侧，缩短了制动距离。

图12：电动四轮驱动的制动优势

易于跟随的路径如驾驶员预期：扭矩根据道路表面条件和车辆情况分配到前后轮以最大化轮胎抓地力。同时，制动控制也被激活以优化左右轮胎的扭矩。

图13 电动四轮驱动扭矩分配系统

ARIYA 作为全球纯电动汽车（BEV）在聆风（LEAF）之后被开发出来。ARIYA的平台和电动动力总成已经更新，以满足C级SUV的性能要求。

• 新动力总成实现了紧凑的包装，并为宽敞的车舱做出了贡献。
  

• EESM被采用以实现大规模生产，追求低电耗和高速时的静音效果。
  

• 新电池实现了薄而扁平的封装，这也为宽敞的驾驶舱做出了贡献。
  

• 新电池基于为LEAF开发的技术概念，并确保了电池安全。
  

• 电动四轮驱动系统通过利用前后电机创造新的价值。