拆解日產(chǎn)Note e-POWER逆變器：構造太簡潔了

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e-POWER是日產(chǎn)自主研發(fā)的混合動力系統(tǒng)，屬于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)范疇。本次拆解分析將圍繞串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的核心特性展開，同時深入探究逆變器內(nèi)部電路結構，剖析其如何支撐串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)特性的實現(xiàn)。

工作原理解析

首先對e-POWER所采用的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)進行原理闡釋。基于該系統(tǒng)架構繪制的示意圖顯示，e-POWER系統(tǒng)由發(fā)動機、發(fā)電電機、兩臺逆變器、蓄電池及驅動電機構成。該系統(tǒng)的核心特征在于發(fā)動機僅承擔發(fā)電功能，不直接參與驅動車輪，其作用是帶動發(fā)電電機運轉。本質而言，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可視為搭載了車載發(fā)電機的電動汽車，這是其核心設計理念。

下文結合系統(tǒng)架構示意圖，對多種運行模式下的能量流轉過程進行詳細說明。該系統(tǒng)包含電動汽車純電運行模式、發(fā)電機工作模式等多種運行狀態(tài)，具體如下：

1.蓄電池直供驅動模式：由蓄電池直接向驅動電機供電，此為典型的電動汽車行駛狀態(tài)，即常規(guī)運行模式；

2.再生制動模式：車輛行駛過程中制動時，系統(tǒng)會回收車輛的動能與勢能，并將其反饋至蓄電池，實現(xiàn)蓄電池的充電；

3.發(fā)動機運行模式：在此模式下，與發(fā)動機連接的發(fā)電電機可運轉以完成對蓄電池的充電；同時，發(fā)電電機產(chǎn)生的電能也可在為蓄電池充電的同時，直接供給驅動電機。此外，當電機處于再生模式時，存在雙重能量回收充電的情況：一方面車輪將能量反饋至蓄電池，另一方面發(fā)動機也可通過發(fā)電電機為蓄電池充電。

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)因發(fā)動機僅專注于發(fā)電，具備顯著優(yōu)勢：發(fā)動機可始終運行在熱效率最優(yōu)的轉速與負載區(qū)間。由于發(fā)動機的燃油消耗受轉速和負載條件影響較大，e-POWER系統(tǒng)通過將發(fā)動機產(chǎn)生的電能分配至蓄電池或直接供給驅動電機，確保發(fā)動機持續(xù)處于最優(yōu)性能區(qū)間，進而實現(xiàn)較高的熱效率，最終達成優(yōu)異的燃油經(jīng)濟性。

與此同時，該系統(tǒng)也存在一定局限性：在高速行駛工況下，其燃油經(jīng)濟性可能低于其他類型的混合動力系統(tǒng)。具體分析如下：城市道路行駛時，車輛最高時速通常在60公里/小時左右，且存在大量啟停工況，此時車輛可完全依靠蓄電池供電行駛，發(fā)動機得以維持在最優(yōu)性能區(qū)間運行；而在高速行駛時，空氣阻力顯著增大，車輛無法僅依賴蓄電池供電，需由發(fā)動機發(fā)電驅動車輛。在此過程中，能量流轉路徑為：發(fā)動機驅動發(fā)電電機產(chǎn)生電能，電能經(jīng)逆變器轉換為直流電后，傳輸至另一臺驅動電機專用逆變器，最終供給驅動電機。

該能量流轉過程中存在多處能量損耗：首先是發(fā)電電機本身的損耗；其次是與發(fā)電電機連接的逆變器產(chǎn)生的損耗；隨后電能經(jīng)過驅動電機逆變器時會產(chǎn)生進一步損耗；最后，驅動電機驅動車輪運轉時也會存在能量損耗，整體能量損耗相對明顯。

與其他廠商混合動力系統(tǒng)的對比

以豐田汽車所采用的豐田混合動力系統(tǒng)Ⅱ（Toyota Hybrid System II）為例，該系統(tǒng)采用串并聯(lián)式結構，發(fā)動機動力可通過動力分配機構傳遞至驅動軸，直接驅動車輛行駛；本田的e:HEV并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)則通過離合器實現(xiàn)發(fā)動機與驅動軸的直接連接；而日產(chǎn)的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機無法直接與驅動軸連接，這一結構差異導致其在上述能量流轉過程中存在更大的能量損耗，且該系統(tǒng)損耗直接體現(xiàn)在車輛燃油經(jīng)濟性數(shù)據(jù)上。

根據(jù)廠商公布的燃油經(jīng)濟性數(shù)據(jù)對比：日產(chǎn)e-POWER車型在WLTC工況下的燃油經(jīng)濟性為28.4公里/升，在高速工況下為27.1公里/升，均略低于搭載其他混合動力系統(tǒng)的同級別緊湊型車型。

逆變器拆解與內(nèi)部結構分析

本次拆解的逆變器取自2023年4月生產(chǎn)的日產(chǎn)Note車型，屬于較新型號產(chǎn)品。從頂部觀察，可識別出驅動用鋰離子蓄電池的連接端子，屏幕右側為連接電機或發(fā)電機的母線排。該逆變器在拆解前已從車輛上拆卸，暫無法完全確定其原始連接對象為電機還是發(fā)電機。調(diào)整觀察角度后，可看到冷卻液進出水口，具體進出水方向需結合車輛運行狀態(tài)或維修手冊進一步確認。翻轉至背面，同樣可見一條母線排，該母線排同樣用于連接電機或發(fā)電機。

拆除底部蓋板后，可見黑色樹脂材質的松下（Panasonic）薄膜電容器。為便于拆解，已預先移除所有妨礙操作的連接線纜，可直接取出薄膜電容器進行后續(xù)拆解分析。

在分析單個部件之前，先對逆變器整體結構進行概述。從逆變器內(nèi)部取出的核心組件為薄膜電容器與母線排的組合體，內(nèi)部包含兩條銅質母線排，均與薄膜電容器相連。薄膜電容器的主要作用是為電機和發(fā)電機提供瞬時電流。與鋰離子蓄電池連接的母線排始終帶有電壓，通過與內(nèi)部其他組件連接實現(xiàn)電壓供給。將電容器母線排取出后重新安裝，可觀察到其通過兩個連接點與其他組件對接。

與母線排對接的核心組件為功率半導體。逆變器內(nèi)部設有兩組堆疊式印刷電路板，電路板下方為功率半導體。印刷電路板上的電路主要功能是控制功率半導體，進而調(diào)節(jié)供給電機和發(fā)電機的電流，實現(xiàn)對車輛加速、減速、發(fā)電、蓄電池充放電及發(fā)動機制動等功能的控制。兩組印刷電路板與功率半導體在外觀上高度相似，推測可能采用完全相同的組件，后續(xù)將進一步驗證。

功率半導體處理后的電壓通過兩條母線排傳輸，該母線排用于實現(xiàn)功率半導體與外部發(fā)電機、電機的連接。與母線排集成的樹脂部件上附著有柔性印刷電路板，其主要作用大概率是傳輸電流傳感器的信號。

電路圖中紅色高亮部分對應前文觀察的逆變器內(nèi)部結構，蓄電池位于逆變器外部，通過端子與逆變器連接。逆變器內(nèi)部包含控制電路和兩組功率半導體模塊，兩組模塊分別與發(fā)電電機和驅動電機連接。電路圖中所有電流的流轉均通過母線排實現(xiàn)，構成了逆變器的基本結構。結合實際拆解的逆變器及電路圖可見，其整體構造相對簡潔。

母線排的能量流轉過程

基于逆變器結構，結合假設場景（左側電路連接驅動車輪的驅動電機，右側電路連接與發(fā)動機關聯(lián)的發(fā)電電機），對電流流轉過程進行分析：

1.發(fā)動機不運行工況：蓄電池輸出的電能經(jīng)連接端子進入驅動電機，驅動車輛行駛。實際能量轉換過程為：蓄電池輸出的直流電進入逆變器，經(jīng)逆變器轉換為交流電后，通過母線排傳輸至驅動電機。制動再生時，能量從電機反饋至蓄電池。

2.發(fā)動機運行且發(fā)電機工作工況：發(fā)電電機產(chǎn)生的電壓經(jīng)功率半導體處理后，在發(fā)電側母線排進行能量交換，具體分為多種模式：一是發(fā)電機為蓄電池充電模式，該模式常見于車輛滑行或靜止狀態(tài)；二是車輛行駛減速工況，此時發(fā)電電機產(chǎn)生的能量與驅動電機的再生能量同時為蓄電池充電；三是發(fā)電機為蓄電池充電的同時驅動電機運行工況；四是發(fā)電機與蓄電池協(xié)同為驅動電機供電工況，該工況常見于急加速場景；五是發(fā)動機發(fā)電直接驅動車輛工況，通常在蓄電池電量較低或高速行駛時觸發(fā)。

需特別說明的是，日產(chǎn)Note e-POWER車型未配備啟動電機，其發(fā)動機啟動功能由發(fā)電機承擔——發(fā)電機在啟動階段充當電機角色，驅動發(fā)動機運轉。

此外，針對長下坡路段的再生制動特殊場景進行分析：長下坡過程中持續(xù)再生制動將使蓄電池逐漸充滿，此時再生制動功能停止。為避免車輛因勢能作用加速，系統(tǒng)設計了特殊能量流轉機制：驅動電機切換為發(fā)電機模式，發(fā)電電機切換為電機模式，由切換為電機模式的發(fā)電電機強制帶動發(fā)動機運轉，實現(xiàn)發(fā)動機制動。此過程中發(fā)動機不噴射燃油，燃油消耗為零；若發(fā)電機與發(fā)動機協(xié)同實現(xiàn)的發(fā)動機制動力度不足，剩余制動需求則由腳剎承擔，腳剎通過將能量轉化為熱能完成制動。

電容器與母線排細節(jié)分析

本次拆解的電容器為松下薄膜電容器，其額定參數(shù)為450V、1010μF，該型號電容器在汽車領域應用較為廣泛。將母線排拆解后發(fā)現(xiàn)，其采用兩層疊合結構，可分離設計，該結構的核心目的是最大限度降低母線排的電感。兩層母線排之間采用絕緣紙進行絕緣，該絕緣紙質地堅韌，不易撕裂，推測其結構為中間夾塑料層的復合紙，絕緣性能主要由中間塑料層提供。

對比此前拆解的現(xiàn)代IONIQ 5車型逆變器，其內(nèi)部同樣采用絕緣紙進行母線排絕緣，兩者絕緣方式高度相似，但兩款車型逆變器的電壓等級存在差異：日產(chǎn)Note逆變器為400V級，現(xiàn)代IONIQ 5逆變器為800V級。不同廠商的逆變器母線排絕緣方式存在差異，部分逆變器采用樹脂絕緣，例如第五代豐田普銳斯（ZVW60）動力控制單元中的薄膜電容器，其母線排采用樹脂絕緣，通過在一條母線排上開設孔洞，使另一條母線排穿過孔洞形成三維結構。該結構因空間布局復雜，無法采用絕緣紙絕緣，故選擇樹脂絕緣；而日產(chǎn)Note逆變器內(nèi)部布局平整，因此采用絕緣紙絕緣，體現(xiàn)了廠商根據(jù)產(chǎn)品結構合理選擇材料的設計思路。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，上下兩層母線排存在結構差異：上層母線排為平整銅片，下層母線排設有凸起結構。該凸起結構的作用是在母線排螺栓連接時提供穩(wěn)固的定位，以適應車輛行駛過程中的劇烈振動環(huán)境。

PCB與功率半導體分析

拆除母線排后，可觀察到印刷電路板的安裝結構：最底部為功率半導體模塊，上方堆疊兩組印刷電路板。如前文所述，印刷電路板的核心功能是控制功率半導體。上層電路板搭載東芝（Toshiba）微控制器，從布局判斷其為控制板，背面安裝有多種組件，包括多摩川精機（Tamagawa Seiki）的旋轉變壓器集成電路（Resolver IC）；下層電路板為柵極驅動板，背面安裝有柵極驅動集成電路，型號為BM60060，由羅姆（Rohm）生產(chǎn)。

上層控制板搭載的東芝微控制器基于ARM內(nèi)核。在汽車用微控制器領域，英飛凌（Infineon）、瑞薩（Renesas）等品牌應用較為廣泛，而東芝同樣具備汽車級微控制器的研發(fā)與生產(chǎn)能力。本次拆解的功率半導體為三菱電機（Mitsubishi Electric）的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊，型號為CT700CJ1A060，模塊背面設有鋁制散熱片，采用直接水冷方式冷卻。該模塊為6合1汽車專用IGBT功率模塊，額定參數(shù)為650V、700A，屬于高規(guī)格組件。

值得注意的是，該級別車型未采用碳化硅SiC MOSFET，而是選擇硅基IGBT，核心目的是控制成本。對兩組堆疊式印刷電路板及功率半導體模塊進行對比驗證，確認兩組組件完全相同。推測日產(chǎn)采用該設計的原因是：日產(chǎn)Note車型銷量較大，通過組件標準化可有效降低生產(chǎn)成本；同時，標準化組件可適配其他日產(chǎn)e-POWER車型，提升零部件通用性。

母線排與電流傳感器結構

IGBT模塊三相側連接的母線排上安裝有電流傳感器，該傳感器可輕松拆卸，且兩組母線排上的電流傳感器完全相同，可互換安裝。拆解電流傳感器后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部包含三個鐵芯，內(nèi)置電路板同樣可便捷拆卸。從結構判斷，該電流傳感器采用霍爾元件檢測電流：每個鐵芯中央設有開口，霍爾元件嵌入開口處。由于電機工作頻率僅為數(shù)百赫茲，鐵芯采用金屬材質即可滿足電流檢測需求。兩組母線排上的電流傳感器在設計結構與組件配置上完全一致，進一步體現(xiàn)了日產(chǎn)在零部件標準化方面的設計思路。

功率模塊冷卻設計

拆除IGBT功率模塊后，可觀察到冷卻液通道結構，其設計特點是冷卻液進入后沿同一水平面流動。結合逆變器外部結構，冷卻液進出水口均位于殼體頂部。殼體上設有凸起結構，經(jīng)識別為溫度傳感器。關于冷卻液具體流向，推測其優(yōu)先冷卻電機側IGBT模塊，再流向另一組模塊，原因是電機側IGBT運行時間更長，發(fā)熱更為持續(xù)，優(yōu)先冷卻可確保其工作穩(wěn)定性。

假設冷卻液從一側進入，其流轉路徑為：首先進入對應通道，沿蓋板背面流動，流經(jīng)IGBT散熱片完成熱量交換，實現(xiàn)冷卻；隨后從該側出口流出，轉向另一側通道，流經(jīng)另一組IGBT散熱片進行冷卻，最終從出口排出。

不同廠商的逆變器采用不同的冷卻設計方案，例如部分逆變器在鋁制殼體上加工凹槽，使冷卻液流經(jīng)凹槽，冷卻殼體另一側的組件。日產(chǎn)Note逆變器因設計簡潔、組件數(shù)量相對較少，冷卻系統(tǒng)僅需針對IGBT模塊進行冷卻即可滿足散熱需求。

總 結

本次通過對日產(chǎn)Note e-POWER逆變器的拆解分析，驗證了基于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的逆變器設計預期：由于e-POWER系統(tǒng)采用串聯(lián)式結構，其逆變器整體構造相對簡潔。與豐田普銳斯逆變器相比，簡潔性特征更為顯著——豐田普銳斯逆變器包含升壓電路等多種組件，結構復雜度更高。

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內(nèi)容轉載自微信公眾號「汽車開發(fā)圈」（ID:AutoDevelopers），作者：DENKI OTAKU

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