【i专栏】逆变器是什么？在混合动力和纯电动中都有哪些应用？

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逆变器在电动汽车中起着至关重要的作用，它能 实现能量转换和扭矩控制，最终有助于提高效率和性能。

你将了解到：

逆变器在混合动力和纯电动汽车中的应用方式。

逆变器在实现各种牵引和作业功能中所扮演的角色。

为什么逆变器对于提高效率和性能至关重要。

随着行业对提高能源效率和性能的需求不断增长，电动汽车的研发也随之兴起，逆变器在公路和非公路车辆中的应用正变得越来越普遍。在纯电动和混合动力动力总成中，逆变器至关重要，因为它们 能将电池组的直流电（DC）转换为交流电（AC），以驱动电动机。

在商用车中，当利用 电力输出（ePTOs）对液压系统进行电气化改造时，逆变器通过 按需控制液压流量，成为提高效率的关键推动因素。按需流量意味着 电机的速度会根据液压系统或用户的实际需求进行调整，有效减少了能源浪费，以及由内燃机（ICE）驱动的定量泵持续运行所产生的热量。

根据不同的应用，电气化系统的节能效果 已被证实达到 20%-30%，甚至更高。其他优势还包括 减少机械磨损、运行更安静以及缩小散热系统的尺寸。

由于电气化系统具有诸多潜在优势，混合动力和纯电动汽车的普及率正在不断提高。因此，设计团队了解这些车辆中使用的逆变器和其他重要组件的工作原理以及它们在车辆整体性能中所起的作用，是非常重要的。

逆变器的工作原理

从根本上来说，逆变器能实现 能量从一种形式到另一种形式的转换。在混合动力和纯电动汽车中， 逆变器将直流电转换为交流电，进而转化为扭矩。电池中储存的能量提供直流电，逆变器将直流电转换为交流电供电动机使用，电动机再将交流电转化为扭矩。 逆变器也可以进行反向转换。

逆变器的 核心是被称为 MOSFETs（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）或晶体管的小型电子器件，它们起到 开关的作用。通常情况下，开关速度越快越好。在将能量从直流电逆变为交流电时，更快的开关速度意味着更少的能量以热量形式损失，更多的能量被用于产生扭矩。

减少热量产生可以最大限度地减少维持工作温度所需的冷却量。当逆变器温度过高时，它会降低性能，以减少系统中限制寿命的应力。

逆变器的一个主要作用是控制扭矩，正是扭矩使电机转动，进而带动车辆车轮移动。精确的电流控制有助于实现扭矩控制，这对于确保车辆安全的纵向控制尤为重要，可防止车辆在起步或减速时出现意外或不受欢迎的移动，如突然向前冲。

吸收扭矩的能力对于限制速度也很重要。此外，它还有助于保护传动系统免受过大扭矩的影响，并防止逆变器产生过多电流。通过实时调整电机速度和扭矩，逆变器改善了整体驾驶体验。

逆变器还能调节电压，这在向车辆配电系统反馈电力时非常重要。具体来说，它们使用脉冲宽度调制（PWM）来控制交流输出的频率和电压。PWM 的工作原理是快速地将直流电压接通和断开，形成脉冲电压波形。通过调整这些脉冲的宽度来控制平均输出电压和频率。然后对产生的脉冲进行滤波，以产生更平滑、接近正弦波的交流输出。

逆变器通常集成了反馈控制系统，用于监测输出电压和电流。这些系统将实际输出与期望输出进行比较，并对 PWM 控制进行调整，以保持稳定的电压和频率，即使在输入电压或负载发生变化时也是如此。

在电动汽车（EV）的电动机上，实现这一点的挑战更大，因为与内燃机（ICE）相比，电动汽车电动机的 速度范围更广、更灵活，可达四倍之多，扭矩范围也更广。

如前所述， 逆变器调整交流电流的频率和振幅，这直接控制着电机的速度和扭矩。与内燃机只能在较窄的转速（RPM）范围内保持效率不同，电动机从静止状态（0 RPM）就能提供瞬时扭矩，并在高转速下仍能保持效率。

逆变器在调节电动机的速度和扭矩方面发挥着重要作用，从而提高车辆性能和效率。

这种宽广的速度范围使加速和减速过程平稳且连续。然而，电机的效率并非在其整个速度范围内都保持恒定，它通常在特定的转速范围内运行效率最高。

最终， 逆变器在动力传动系统优化中起着重要作用。通过调节电机的速度和扭矩，逆变器能使电机在其最佳转速范围内运行。如果选择得当，电机 / 逆变器的尺寸和参数可以针对常见或典型的运行点（如巡航速度或泵的峰值效率）进行调整，以达到最高效率。这有助于优化能源消耗，延长车辆的续航里程或减少充电时间（停机时间）。

逆变器能够通过 确保在不同速度下都有适当水平的扭矩和功率，来优化性能，最大限度地提高车辆的加速能力和响应速度。

然而，如果说逆变器是管理扭矩的唯一关键组件，那就是误导了。除了车辆控制外， 永磁（PM）电机的选型对于电动汽车中扭矩的高效管理也至关重要。它们具有高效率（这意味着它们能将很大比例的电能转化为机械能）和精确的扭矩控制能力，这有助于提升电动汽车的整体性能和续航里程。转子中永磁体产生的磁场与定子绕组中的磁场相互作用，产生推动车辆前进的扭矩。

逆变器在再生制动中的作用

很少有人会思考在典型的制动过程中会损失多少能量。机械制动的浪费极大，大部分惯性能量都转化为了热量。相比之下， 再生制动（又称回馈制动）的效率高达 98%。

再生制动是电动汽车和混合动力汽车中使用的一种功能，它能在车辆减速时捕获其动能，并将其转化为直流电，为电池充电。与传统制动方式中能量通过热量、噪音和制动粉尘（颗粒物）损失不同，再 生制动能回收大部分能量，提高整体效率，延长行驶里程，并减少制动系统的维护。

然而，在电动汽车和混合动力汽车中，如果没有逆变器，再生制动是无法实现的。 逆变器作为双向功率转换器，能将产生的机械能重新转化为电能，存储在电池中。如果没有逆变器，就无法捕获和再利用制动过程中产生的能量。正是得益于逆变器，混合动力和纯电动汽车才能达到如今的能源效率水平。

在机械制动过程中，大部分动能以热量的形式损失。再生制动系统使用逆变器进行双向动力流，捕获并存储这种能量，有助于延长车辆续航里程并减少制动器磨损。

逆变器对混合动力和纯电动汽车的功能性意义重大

由于混合动力和电动技术的采用率不断提高， 逆变器因其在提高性能和能源效率方面的核心作用，已成为多个行业各种技术文章和演讲的焦点。

不妨思考一下逆变器所负责的所有工作：

为主要牵引电机提供动力，以便根据需求实现精确的速度和扭矩控制。

在电动汽车和混合动力汽车应用中，管理制动过程中的能量产生和能量回收（再生）。

为电动液压泵提供动力，与传统液压系统相比，能提供精确控制并提高效率。

增强公路车辆的转向控制和 ePTO 功能。

控制非公路应用中的物料搬运和其他辅助作业功能。

实现液压流量的电子控制（以前由模拟系统处理），提供更平稳、更优质的驾驶体验。

实现发动机关闭时的液压操作。

增强电液调节（包括效率、尺寸和回路调节）。

减少能量损失。

所有这些功能带来的好处包括 减少排放和噪音，以及提高能源效率，以满足当今更严格的环境标准。

逆变器在实现公路和越野应用的混合动力和全电动汽车的各种牵引和工作功能方面发挥着关键作用。

分布式作业功能和逆变器是未来电动汽车设计中提高效率的关键

传统的内燃机是大型 中央动力源，有多个泵与之相连。在这种 集中式架构中，需要大型电动机、逆变器和泵来满足需求。

随着电气化技术的不断发展，它对车辆设计产生了巨大影响，带来了几乎无穷无尽的选择。例如，电机、齿轮系和泵可以组合成一个单一的动力单元。未来，风扇、压缩机和绞车等其他组件也可能实现电气化。

将作业分配到更小的电气化系统，将能更严格地控制特定回路的性能，因为动力变得更加本地化，从而提高移动设备的整体效率。

随着越来越多的原始设备制造商（OEMs）和运营商认识到 通过动力总成电气化可以获得巨大的能源效率提升潜力，车辆电气化正变得越来越受欢迎。在最基本的层面上，逆变器在电气化过程中的作用是产生电磁力以生成扭矩。

逆变器是公路和非公路车辆电气化以及实现 显著提高能源效率的关键组件。此外，它们还使再生制动成为可能，有助于回收目前在机械制动中浪费的大部分能量。

液压电气化增加了泵的放置灵活性，因为设备不再需要从动力传动系统（内燃机、变速箱和传动系）产生液压流量，这为 更分散的架构打开了大门，使动力分配更加分散，并能对特定组件进行更精确的控制，从而获得更好的性能和效率。

归根结底，效率才是最重要的，而 逆变器是任何效率提升成功案例中的关键组件。

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From：Parker Hannifin.

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