逆變器

電動(dòng)車?yán)锏摹鸽娔芊g官」

當(dāng)我們談?wù)撾妱?dòng)車的加速、制動(dòng)和能量回收時(shí)，常常會(huì)把注意力放在動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)上。但在它們之間，還有一個(gè)幾乎“全程在場”的關(guān)鍵零部件——逆變器。

它不直接驅(qū)動(dòng)車輪，也不儲(chǔ)存能量，卻對(duì)電能能否被高效、穩(wěn)定地使用與回收起著關(guān)鍵作用。

從本期開始，我們將圍繞電動(dòng)車運(yùn)行過程中兩類最核心的電路變換場景——驅(qū)動(dòng)時(shí)的放電變換，以及減速時(shí)的能量回收變換，分上下兩篇，對(duì)車載逆變器進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

電動(dòng)車為什么離不開逆變器？

要理解逆變器，先從電機(jī)說起。電機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能雙向轉(zhuǎn)換的裝置：

在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動(dòng)車輛前進(jìn)；

在減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)又可以被反向驅(qū)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

無論處于哪種狀態(tài)，電機(jī)內(nèi)部所使用的，都是交流電（AC）。而車輛中的儲(chǔ)能部件——?jiǎng)恿﹄姵?，所?chǔ)存的卻是直流電（DC）。

也就是說，在電動(dòng)車上，電池與電機(jī)“各用各的電”。如果沒有中間的電能變換，二者無法直接協(xié)同工作。這正是逆變器存在的意義。

什么是“逆變”？逆變器負(fù)責(zé)什么？

在電力工程中：

將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，稱為整流；

將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，稱為逆變。

在車輛使用場景中，由于動(dòng)力電池輸出的是直流電，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要交流電，直流轉(zhuǎn)交流的工況更為常見，因此，這一車載電力電子裝置被稱為——逆變器。

在行駛過程中，逆變器主要承擔(dān)兩項(xiàng)工作：

驅(qū)動(dòng)時(shí)，將動(dòng)力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的交流電；

減速或制動(dòng)時(shí)，將電機(jī)回收產(chǎn)生的交流電重新轉(zhuǎn)換為直流電，存回動(dòng)力電池。

上述電能轉(zhuǎn)換過程，均由車輛的 EV 控制電腦進(jìn)行統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)。

【拓展理解】

整流器與逆變器的關(guān)系

從功能上看：

整流器：交流電 ? 直流電

逆變器：直流電 ? 交流電

在車載電力系統(tǒng)中，這兩類電能變換功能，往往由同一套功率電路在不同工況下實(shí)現(xiàn)。

功率流向本質(zhì)上反映的是電能在電源與負(fù)載之間、或不同節(jié)點(diǎn)之間的傳輸方向，其判定與電壓相位差及幅值差密切相關(guān)。

為保證電能輸出的穩(wěn)定性，逆變器及相關(guān)電路中通常還會(huì)配置濾波電路，以降低電壓波動(dòng)，有助于提升系統(tǒng)的整體電源質(zhì)量和穩(wěn)定性。

逆變器在不同電動(dòng)車上“住”在哪里？

不同類型的電動(dòng)車，其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不相同，逆變器的集成方式和搭載位置，也因此有所區(qū)別。下面以 HEV（混合動(dòng)力汽車） 和 BEV（純電動(dòng)車） 為例進(jìn)行說明。

HEV

逆變器集成在 PCU 中

在 HEV 車型中，逆變器通常作為 PCU（動(dòng)力控制單元） 的組成部分，整體搭載于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。

PCU 是混合動(dòng)力系統(tǒng)中的核心控制單元，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出、能量回收以及電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行綜合管理。

【拓展理解】

PCU 的主要功能

PCU（Power Control Unit）主要承擔(dān)以下任務(wù)：

在動(dòng)力控制方面，調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩輸出，實(shí)現(xiàn)平順加速與制動(dòng)；

在能量管理方面，將減速過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并加以儲(chǔ)存；

在電流轉(zhuǎn)換方面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池直流電與驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相交流電之間的雙向變換。

隨著電動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，PCU 正不斷向高集成化與小型化演進(jìn)。

BEV

逆變器集成于 eAxle 系統(tǒng)

在 BEV 車型中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度進(jìn)一步提升，逆變器通常被直接集成進(jìn) eAxle（電驅(qū)動(dòng)橋） 中。

這一系統(tǒng)常以 ESU（電力供應(yīng)單元） 的形式存在，將逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變速驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

【拓展理解】

ESU 的角色

ESU 主要負(fù)責(zé)：

將動(dòng)力電池的電能輸送至驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

在減速時(shí)，將 eAxle 產(chǎn)生的再生電能回收至動(dòng)力電池；

在外接慢充或快充電源時(shí)，完成電能的中轉(zhuǎn)與管理。

在充電過程中：

慢充：外部交流電經(jīng)升壓與整流后，為動(dòng)力電池充電；

快充：通過專用直流充電設(shè)備，在短時(shí)間內(nèi)為動(dòng)力電池補(bǔ)能。

寫在最后

通過上篇內(nèi)容，我們已經(jīng)明確了：

逆變器在電動(dòng)車中的基本作用；

其在不同類型電動(dòng)車中的搭載方式；

以及它在驅(qū)動(dòng)與能量回收過程中的關(guān)鍵位置。

那么，逆變器是通過怎樣的電路結(jié)構(gòu)和功率半導(dǎo)體器件，將直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的三相交流電？

在驅(qū)動(dòng)與能量回收過程中，這些器件又是如何通過開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換？

下篇，我們將從電路構(gòu)成與運(yùn)行原理入手，進(jìn)一步拆解車載逆變器的工作機(jī)制。