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一文搞懂逆变器在电动车中的作用

发布时间:2019-10-29 12:10 浏览次数:

新能源汽车有别于传统燃油车最核心的技术就是“三电”——电驱,电池,电控。其中逆变器这个器件在电动汽车领域已经变的举足轻重,没有它电动车根本跑不起来,并且逆变器的性能直接影响着电动车的价格,那么这个小东西到底是干什么用的,下面就了解一下。 先普及一下三电和DC、AC的基础知识: 

 其中,电驱由三部分构成:传动机构、电机、逆变器。 简单介绍一下AC、DC: 交流电AC的特点:大小和方向都发生周期性变化。交流电在生活民用电压220V、通用工业电压380V,都属于危险电压。它的最基本的形式是正弦电流,我国交流电供电的标准频率规定为50Hz。 

 直流电DC的特点:方向不随时间发生改变。直流电一般被广泛使用于手电筒(干电池)、手机(锂电池)等各类生活小电器等。干电池(1.5V)、锂电池、蓄电池等被称之为直流电源,都低于24V。 我们想要真正了解逆变器的作用,就得先知道车载动力电池的原理。 

 新能源汽车能够跑起来是因为电机带动了车轮,而电机的电量来自于电池,但动力电池是以直流电存储,电机使用的是交流电。交流电机必须依靠正弦波交流电才能驱动旋转。但车载动力电池能够输出的是直流电,逆变器的作用就是把直流电转换成正弦波交流电,并且它还控制着交流电机的转速和扭矩。所以,要想把DC转变AC运转,就要靠逆变器。 

 所以,对于配备交流感应电机的电动车,必须通过逆变器,把电池包输出的高压直流电转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电,才能驱动车辆行驶。 

 正弦波的获得是通过方波演变而来的。首先了解一下方波的形成。请看电路图,这个神奇的电路叫做Full Bridge Inverter,全桥逆变电路。它的结构很简单,由四个开关(S1-S4)组成。A和B为电路输出端的正负极。 

 通过开关控制,电流的流向发生了逆转,通过不断闭合开关,方型交流电就产生了。我们日常的家用220V电源频率为50Hz这就意味着每分钟需要开关100次。如此高的频率没有人能控制得了,所以需要接入场效应管,例如IGBT或MOSFET,这个电子元件可以实现每分钟上千次的开关。 

 通过场效应管的开关控制,可以获得我们所需要的方波,但我们要的是正弦波。这里就涉及到了一个技术名词——脉宽调制。 当前,我们已经按照固定的频率开闭开关形成了方波,如果将开关的频率在需要更大的地方产生更大的脉冲…如下图。 

 试想一下,如果我们对单位时间的脉冲求得平均值,它就会变成? 

 这是一条很接近与正弦曲线的图形,脉冲越精确,切换的频率越高,所得的曲线就越光滑。我们可以通过比较器进行对脉冲串的调制就能获得平滑的正弦波曲线。 

 还有一种方法叫做重电压逆变技术——在电路当中增加电容和电感的方式用于平滑曲线。电容用于平滑电压曲线,电感用于平滑电流曲线。就好比在电路上增加了一个小容量的水库(二级缓存),电容就相当于一个可以瞬间充放电的电池,它能吸收电压脉冲,让输出曲线变得平滑。以上所说的只有一组电压就能实现正弦波的输出,如果用多组电压进行调制,就能获得精度更高的正弦波曲线,并且控制精度也更加精准。这种方法多用于风力发电机或电动汽车。 

 下面来看一段视频,你就会能更清楚的理解方波——正弦波的演变过程:


 简单来说,逆变器(Power Inverter)是一种能够将 DC12V直流电转换为和市电相同的 AC220V交流电,供一般电器使用,是一种方便的车用电源转换器。若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压,则相应的电压充电流较大,功率较大,这意味着同样电流进行充电,充电功率可以等比例放大,即充电时间会缩短。 若提高逆变器的支持电压,则相应的充电时逆变器产生的热量会变多,那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题,这是提高充电效率的关键问题,目前日本丰田对此研究较深入,例如其加硅碳技术的应用。 

 此外,逆变器性能的好坏直接决定电机的性能表现,也是各大新能源汽车企业的核心技术。所以逆变器技术的掌握和突破就如同燃油车时代的变速箱技术一样,将会成为新能源汽车产品的核心技术。随着新一代半导体功率器件的发展,可以看出,IGBT和SiC是未来电机控制系统和充电桩的主力干将。 IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模块,将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。它约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40%,其性能直接决定了整车的能源利用率。 SiC功率器件的损耗是Si器件的50%左右,主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。 一提到纯电动汽车,大多数人第一反应都是特斯拉,尤其是最近特斯拉的频繁动作,让其知名度变得更高,那么特斯拉到底好在哪,为什么就是比国产纯电动汽车受欢迎?下面的视频介绍了特斯拉的充电原理,一起学习一下。


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