简介

从ARIYA开始，日产将采用控制电动四轮驱动(AWD)的新技术“e-4ORCE”。e- 4ORCE中的e表示电动汽车的电驱动。而“40RCE”(读作“力”)，将物理动力和能量与四轮驱动的“4”结合起来，表明了控制四轮驱动轮胎的动力或力的意愿。

近年来，为满足更高的车辆动力和环保性能需求，越来越多的公司采用了安装在前后各一个大功率电机的电动AWD。与之前的机械式AWD相比，日产认为电动AWD具有非常高的技术潜力，因为电动AWD具有“良好的加速”和“极高的终极性能水平”，而且即使在日常使用环境中也能实现更好的车辆运动“质量”。“e-4ORCE”技术旨在释放电动AWD的潜力，提高车辆运动质量。此篇文章将从三方面介绍电驱动系统、电驱动系统、动力电池等三方面。

“e-4ORCE”技术概述

以前的AWD系统安装在内燃机上，通过连接的传动轴在内燃机上实现发电，并将其机械分配到前后轮。如图2所示。因此，在传递动力时可能存在机械延迟，并对动力分配的分辨率存在机械限制。与电动机不同，内燃机很难以高响应度控制其输出。因此，很难实现0.1 s量级的总驱动力控制。

“e-4ORCE”的基本配置是电动AWD。由于电动AWD在前后分别安装了独立的电动机。如图1所示。因此能够以高响应性和准确性将驱动力分配到前后轮胎。“e-4ORCE”的技术目标是实现电力的全部潜力确保驾驶员在任何环境下操作车辆时都感到安全，并且可以控制车辆姿势，使所有乘客都感到舒适。

当车身由四个车轮支撑时，每个车轮所承受的载荷会随着路面和车辆状况的变化而不断变化。此外，每个轮胎的摩擦力极限根据车轮上的负载而变化。如图3所示。这里的关键准则是实现控制，使负载分布到所有轮胎，具有良好的平衡，包括一些余量，并且在轮胎的极限内。

图3 轮胎摩擦圆三向力

在前轮驱动车辆中，转向和加速/减速功能集成在前轮轮胎上;因此，没有多少回旋余地。在四轮驱动车辆中，转向和加速/减速功能在前轮和后轮之间最佳的共享。如图4所示。以通过防止每个轮胎超过其极限来实现稳定。在最终极限行为中，载荷的分布使每个轮胎的最大值(摩擦圈的边缘)得到最佳利用。

在极限行为之下，荷载分布被松散地控制在每个轮胎的极限范围内。因此，可以实现在机械式AWD中不可能实现的流畅且易于操纵的车辆运动。此外，左/右刹车根据情况进行控制，在减速以外的情况下利用制动力来提高转向性能。

这些技术是通过杂交、组合和进一步推进，日产多年来开发的技术和经验基因而创新而发展的。这些技术包括AWD技术，如先进的全电子扭矩分流四轮驱动系统，智能4×4系统，以及通过LEAF和E-POWER获得的电力驱动控制系统。如图5所示。

“e-4ORCE”提供的客户体验

令人振奋和自信的驾驶体验得益于电动AWD的配置，“e-4ORCE”的目标是充分释放车辆电机的高潜力，达到传统内燃发动机车辆或其他公司制造的电动AWD从未达到的水平。这包括卓越的操作机动性;无论哪种路面，都要有安全感;为所有乘客提供舒适的驾乘体验。

一般来说，沿曲线加速车辆会导致车辆相对于正常行驶线向外偏离。因此，驾驶员必须进一步操作方向盘或降低速度(转向不足)。出现这种现象的原因是车轮上的载荷决定的摩擦圈极限值的一部分用于加速，从而削弱了转向力。根据路面和驾驶条件，“e-4ORCE”技术将驱动力分配到前后轮，从而根据车轮上的波动载荷实现最佳的轮胎夹持。在正常驾驶模式下，前/后扭矩分布接近50:50。此外，根据路面和驾驶条件，在不需要驾驶员努力的情况下，该分布将自动改变为0:100至100:0范围内的最佳比例。此外，通过前后电机的再生制动和四轮液压制动的联合控制，弯道转弯性能在减速过程中得到了改善。如图6所示。

图6 e-4ORCE车型与转向不足车型的比较

这种复杂的控制方式发挥了它的作用，特别是在转弯时。由于车辆运动是由驾驶员的转向操作来引导的，因此可以期望将转向修正最小化。我们希望驾驶者可以享受“e-4ORCE”技术带来的平稳和高度稳定的驾驶体验。

尼桑多年研发的前后电机独立控制技术和刹车控制技术，即使在积雪、压实雪、结冰、车辙或潮湿的不断变化的湿滑路面上也能保持出色的驾驶性能。

图7显示了转弯加速度稳定性数据，作为实现安全感的一个案例。该数据图形化地比较了在25公里/小时的车速下，将转弯条件稳定在恒定半径40m后，按下油门4秒至全速时转向特性的波动。转向特性是当车辆偏离目标线时，使车辆与标记线对齐所需的进一步转向程度的指标。如果路面被雪覆盖，摩擦力就会小，路面就会不平整。因此，摩擦圈的大小不断波动，标记线可能同时向外和向内偏离;因此，稳定转向条件并不容易。即使在如此多雪的路面上，ARIYA的“e-4ORCE”在转向特性上的波动也很小，从而实现了稳定的驾驶。与配备大功率电机的竞争对手的AWD suv相比。如图7所示。ARIYA的转向特性波动约为1/9。此外，与安装传统内燃机的顶级基准AWD SUV相比，波动很小，约为1/3(橙色线)。

通过这种高度的稳定性，可以体验到高度的安全感，无论情况、路面和司机。此外，这种可靠性可能会给熟练的司机带来快乐，当驾驶在雪地和结冰的路面在冬季。

电机对盘式刹车的控制也有助于提供舒适的乘坐体验。即使车辆是电动汽车，在前轮驱动车辆上应用再生制动系统也会给乘客带来明显的倾斜感，因为制动时只使用前电机;因此，车辆的后部在减速时被抬起(称为俯仰行为)。如图8所示。

图8车辆减速车身倾斜抑制

在“e-4ORCE”技术中，除使用前电机外，还使用后电机的再生制动。因此，即使在道路拥挤的情况下，振动也会较小，从而带来舒适的骑行体验。当加速和减速时，通过电机的最优控制抑制了车辆姿态的波动。如图8所示。由于车身的振动被最小化，驾驶员和其他座位上的乘客都可以获得平稳舒适的乘坐体验。

动力电池开发

另一方面，从提高便利性的角度出发，对快速充电性能有很高的要求，以确保在短时间内存储更大的能量。为了满足这些需求，适当控制电池温度的温度控制系统是必不可少的。但是，电池温度控制系统显著降低了电池组的体积效率，控制系统影响较大，特别是在厚度(高度)方向。

新开发的电池组提高了每电池组厚度的能量密度(尽管配备了温度控制系统，但它是LEAF E+的2.3倍。因此，在提高内部舒适性的同时，实现了顶级的体积能量密度和快速充电性能(适用于电动汽车)。本文介绍了安装在ARIYA的大容量锂离子电池的发展情况。如图9所示。

图9 Ariya车型搭载电池版本外观图

如上所述，ARIYA采用了新开发的电动汽车专用平台，实现了平坦大的室内空间。这就要求设计一个薄而扁平的电池结构。本文介绍了针对这一要求新开发的主要技术。

通常，电池电动汽车(bev)采用使用LLC(长寿命冷却剂)的温度控制系统。在这个系统中，一块极板被放置在电池组的底部。LLC使用冷却水进行冷却，同时采用加热器进行加热，并供应到极板以控制电池温度。如图10所示。

图10 电池温度控制系统示意图

为了均匀地冷却/加热排列在电池内的电池模块，LLC必须在整个下极板上均匀地供应。然而，电池内部的空间必须是水密的，并与LLC流动通道分开。如图11所示。在ARIYA车型中，这些结构被集成以实现薄电池组。如图12所示。

采用铝挤压法制造电池外壳，将电池下板、LLC流道机构和保护罩融为一体。建立了一个截面结构，使LLC在挤压下板内部流动。这样，下板与冷却板集成，实现了厚度减小的冷却机构。如图13所示。

所述LLC流动的横截面的结构使流道与所述电池模块安装在其上的上板接触。流道与下板之间形成中空侧面提高了隔热性能和冷却效率。如图14所示。

图14 LLC水道横截面图

为了实现电池薄而平的布局设计，电池模块以薄而宽的布局布置。如图15所示。因此，电池组外围框架与电池模块之间的空间狭窄，导致碰撞时的压碎余量非常小。为了解决这一问题，电池组内放置了多个交叉构件，以实现高抗冲击。

权衡性能的平衡演变

虽然我们之前的电池开发活动是基于平衡高水平的性能，但我们在ARIYA中进一步提升了平衡。比较了ARIYA、LEAF和其他现有技术的主要电池性能，为客户提供了价值;对比结果汇总，见表1。ARIYA实现了电池性能的平衡进化，这是一种权衡关系。这里描述了具有代表性的项目。

表1 与现有技术比较列表

5.1 便利性提升

前一节中描述的冷却系统有助于实现电动汽车专用平台特有的平坦而宽敞的内部空间。实现了各种环境下的快速充电性能。图16为环境温度为40℃和-5℃时快速充电30 min的储能量。在ARIYA中，通过适当控制电池温度(冬季加热，夏季冷却)，可以在各种类型的环境下实现优异快速的电池充电性能。

图16 车辆快速充电性能对比

图17为尼桑电动汽车长时间行驶，以高速公路为主，重复高速行驶，快速充电情况下的充电性能。在LEAF E+中，随着快充次数的增加，电池温度逐渐升高，从第二次快充开始，充电速度逐渐下降。但是，ARIYA的电池温度控制得当;因此，即使在多次高速行驶和快速充电的情况下，充电速度也不会下降，从而实现舒适的长途驾驶。

图17 车辆多次快速充电性能对比

5.2 高扩展性的电池结构

铝挤压制造的电池底板结构使电池更薄，并实现了对各种类型车辆规格的高扩展性。由于电池外壳是按车体前后方向挤压而成的，因此只需改变挤压长度，就可以在不同轴距的车辆上应用电池外壳。因此，规范的数量减少了。即使在两层结构的B9级(91千瓦时的电池规格，与一层结构的B6级(66千瓦时)相比)，其中电池模块被安排在后座下方的空间以获得高能量容量，第一层部分的基本结构可以标准化。如图18所示。如前面所述，集成电池外壳的下部极板和LLC极板可以减少大约60%的组件数量。这些技术可以提高产品的竞争力。

新电机类型概述

ARIYA采用了EESM（Electrically excited synchronous motor）电机类型，而不是LEAF、NOTE和SERENA E-POWER中采用的IPM (Interior permanent magnet synchronous motor)电机类型。虽然EESM与IPM相似，都是通过PWM控制向定子提供三相交流，但EESM在转子中不使用永磁体，而是使用直流电控制电机转子。因此，可以根据驱动负载为转子和定子选择适当的电流，从而提高效率，降低振动和噪声。然而，由于电流供应转子产生的热量增加，确保扭矩响应是一个技术问题。

在ARIYA中使用地EESM的扩展视图。如图19所示。为了便于比较和参考，下面展示了LEAF的IPM的类似视图。如图20所示。ARIYA的EESM采用了八极转子结构。逆变器中产生的直流电流通过电刷系统提供给转子。在、逆变器中，根据扭矩指令值，根据驱动力要求，计算转子直流和定子三相交流的量。电流值得到控制，以达到最佳组合。采用直接油冷冷却电机。

ARIYA电机性能

7.1 优秀NVH

图21 乘客舱噪声对比

7.2 提升电耗损失率

ARIYA电机特性

8.1 绕线转子结构

图23转子结构横截面

8.2 通过油冷机制提高冷却性能

油只在电机内部循环，产生的热量通过附在电机一侧的热交换器排放到车辆侧的水冷回路。油泵的排出量可根据定子和转子的温度而变化。这样，泵消耗的电能就被抑制了。

图24 油冷润滑系统示意

总结

9.1 开发“e-4ORCE”的原则是让系统自然地实现控制，这样司机就不会注意到系统的操作。预计任何首次乘坐配备“e-4ORCE”技术的车辆的人都会感到车辆可以自然地操纵而且不需要太大的努力。对于我们长期以来一直选择日产汽车的客户，我们希望在驾驶车辆时，偶尔也能感受到“日产之道”；

9.2 电力驱动技术随着电气化趋势的加速而迅速发展。除了之前被广泛使用的IPM电机类型外，还为ARIYA开发了一种性能良好且具有量产质量的EESM。因此，我们现在能够提供最适合满足客户对车辆性能的要求的技术。此外，我们能够降低稀土材料的成本和供应风险。在未来，我们打算进一步利用EESM电机的特性。例如，在前后两端都有驱动电机的车辆中，在低负载时(例如巡航时)，可以关闭其中一个电机的定子/转子的电流供应，以有效提高电能消耗；

9.3 安装在ARIYA的电池具有新开发的薄结构，并配备了温度控制系统。因此，实现了电动汽车专用平台特有的平坦而宽敞的内部空间。此外，在各种环境下，该电池均能提高单位体积能量密度，并具有较高的快速充电性能。为促进电动汽车普及，我们将在保持锂离子电池高性能、可靠性的同时，不断改进锂离子电池的化学性质，提高能量密度，开发更具竞争力的电池。