Как работают инверторы и преобразователи в гибридах и электромобилях

Кристина и Скотт Гейбл — эксперты по гибридным автомобилям и альтернативному топливу, которые сварили собственное биодизельное топливо и проехали 125 000 миль на отработанном растительном масле.

В гибридных и других электромобилях (EV) два ключевых элемента работают вместе, чтобы управлять мощностью и подзаряжать цепи. Вот как эти важные компоненты — инвертор и преобразователь — работают в тандеме.

В широком смысле, инвертор — это электрическое устройство, которое преобразует электричество, полученное от источника постоянного тока (постоянного тока), в переменный ток (переменный ток), который можно использовать для привода устройства или прибора. Например, в солнечной энергосистеме энергия, накопленная батареями, заряжаемыми солнечными панелями, преобразуется в стандартную мощность переменного тока с помощью инвертора, который обеспечивает питание розеток и других стандартных 120-вольтовых устройств.

Инвертор выполняет ту же функцию в гибридном или электромобиле, и теория его работы относительно проста. Питание постоянного тока, например, от гибридной батареи, подается на первичную обмотку трансформатора внутри корпуса инвертора. . С помощью электронного переключателя (обычно набора полупроводниковых транзисторов) направление тока постоянно и регулярно меняется (электрический заряд попадает в первичную обмотку, затем резко меняет направление и вытекает обратно). Приток/отток электроэнергии создает переменный ток во вторичной обмотке трансформатора. В конечном счете, это индуцированное электричество переменного тока обеспечивает питание нагрузки переменного тока, например, тягового электродвигателя электромобиля (EV).

Выпрямитель — это устройство, аналогичное инвертору, за исключением того, что он действует наоборот, преобразуя мощность переменного тока в мощность постоянного тока.

Правильнее называть преобразователь напряжения, это электрическое устройство фактически изменяет напряжение (переменное или постоянное) источника электрической энергии. Существует два типа преобразователей напряжения: повышающие преобразователи (которые повышают напряжение) и понижающие преобразователи (которые снижает напряжение). Наиболее распространенное использование преобразователя — это взять источник относительно низкого напряжения и повысить его до высокого напряжения для тяжелых работ с нагрузкой с высоким энергопотреблением, но их также можно использовать в обратном порядке, чтобы снизить напряжение для легкого источника питания. источник нагрузки.

Инвертор/конвертер, как следует из названия, представляет собой одно устройство, в котором размещены как инвертор, так и преобразователь. Это устройства, которые используются как в электромобилях, так и в гибридах для управления системами электропривода. Наряду со встроенным контроллером заряда инвертор/преобразователь подает ток в аккумуляторную батарею для подзарядки во время рекуперативного торможения, а также подает электроэнергию на двигатель/генератор для приведения автомобиля в движение. И гибриды, и электромобили используют относительно низковольтные батареи постоянного тока (около 210 В) для уменьшения физических размеров, но они также обычно используют высокоэффективные высоковольтные (около 650 В) двигатели/генераторы переменного тока. Инверторно-преобразовательный блок управляет взаимодействием этих расходящихся напряжений и типов тока.

Из-за использования трансформаторов и полупроводников (и сопутствующего сопротивления) эти устройства выделяют огромное количество тепла. Адекватное охлаждение и вентиляция имеют первостепенное значение для поддержания работоспособности компонентов. По этой причине инверторно-преобразовательные установки в гибридных автомобилях имеют собственные специальные системы охлаждения с насосами и радиаторами, которые полностью независимы от системы охлаждения двигателя.

«Интеграция солнечной энергии: инверторы и основы сетевых услуг». Министерство энергетики США.

«Преобразователи, инверторы и элементы управления». Центр передовых автомобильных технологий.

Чен, Хуа и др. «Архитектура электрифицированной автомобильной трансмиссии с использованием композитных преобразователей постоянного тока». IEEE Trans Power Electron, том. 32, 2017, стр. 98-116., doi:10.1109/TPEL.2016.2533347