什么是逆變器，逆變器在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中的重要性

1.什么是逆變器，它的作用是什么？

逆變器是把直流電（如由電池、蓄電瓶產(chǎn)生）轉(zhuǎn)變成交流電（如220V,50Hz正弦波），且頻率可調(diào)的一種器件。生活中使用的電源插座有220 V /110V兩種，我們雖然沒(méi)有辦法儲(chǔ)存交流電，但可以把直流電儲(chǔ)存在電池里，再利用逆變器進(jìn)行交直流的轉(zhuǎn)換[1]。

圖1 直流電和交流電常見(jiàn)波形

為了實(shí)現(xiàn)直流和交流轉(zhuǎn)換，需要重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)特性，一個(gè)是電流的方向，另外一個(gè)是電流的大小。 我們將直流電源用電池代替，將實(shí)際電路中的電機(jī)等負(fù)載用簡(jiǎn)單負(fù)載模型代替，逆變器的簡(jiǎn)單等效原理圖如下：

圖2 逆變器的簡(jiǎn)單等效原理圖

如圖3所示，在逆變器的實(shí)際工作中，通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合、打開(kāi)組合可以實(shí)現(xiàn)電流方向的變化，從而實(shí)現(xiàn)了交流電方向可變的目的。

圖3 逆變器直流轉(zhuǎn)交流原理圖

通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的頻率，我們就能得到不同頻率的交流方波，其波形如下圖4所示：

圖4 交流方波的典型波形

理想情況下，如果能達(dá)到足夠高的開(kāi)關(guān)頻率，我們就可以得到趨近理想的正弦波。例如，我國(guó)家用電的頻率是50Hz，則需要逆變器在1s內(nèi)至少開(kāi)關(guān)100次，這對(duì)開(kāi)關(guān)的速度有很大的要求，因此在實(shí)際應(yīng)用中我們會(huì)將開(kāi)關(guān)替換成開(kāi)關(guān)速度更快的MOSFET或IGBT器件。

圖5 逆變器直交轉(zhuǎn)換結(jié)果

2.逆變器在光伏發(fā)電中的重要作用

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求進(jìn)一步提高，太陽(yáng)能等清潔能源得到快速發(fā)展。在太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的也是直流電，因此無(wú)法直接用于家用電器。通過(guò)太陽(yáng)能電池板，將光能轉(zhuǎn)換成蓄電池組中的電能，充滿電的電池組發(fā)出交流電，再經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)中可用的50Hz交流電，這樣用于我們的日常生活中。

圖6 家用太陽(yáng)能系統(tǒng)

圖7 太陽(yáng)能電網(wǎng)系統(tǒng)

除了前面所述的直交流變換功能，逆變器還具有自動(dòng)運(yùn)行/停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能、自動(dòng)電壓調(diào)整功能、直流檢測(cè)功能、直流接地檢測(cè)功能。這里簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)運(yùn)行/停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。

自動(dòng)運(yùn)行/停機(jī)功能

早晨日出后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽(yáng)電池獲得的太陽(yáng)能增加，其輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行（此即為自動(dòng)運(yùn)行功能）。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的輸出，只要太陽(yáng)電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行，直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽(yáng)電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)（此即為自動(dòng)停機(jī)功能）。

最大功率跟蹤控制功能

太陽(yáng)電池組件的輸出是隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。此外，由于太陽(yáng)電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是變化著的，所以最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對(duì)于這些變化，始終讓太陽(yáng)電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)始終從太陽(yáng)電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤控制這一功能。

3.逆變器在新能源汽車(chē)上的重要作用

混合動(dòng)力車(chē)型、純電動(dòng)車(chē)型上都有逆變器，比如特斯拉、豐田卡羅拉雙擎、北汽EV160等。電動(dòng)汽車(chē)使用的電動(dòng)機(jī)是使用交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)改變交流電的頻率和幅值，可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和動(dòng)力。

圖8 電動(dòng)汽車(chē)中的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[3]

驅(qū)動(dòng)電壓的頻率越高，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快，驅(qū)動(dòng)電壓的幅值越大，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力就越強(qiáng)。然而，交流電是沒(méi)有辦法存儲(chǔ)的，新能源汽車(chē)的電池中存儲(chǔ)的是直流電，沒(méi)有辦法直接用于交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，因此需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器，將汽車(chē)電池組中的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)可以利用的交流電。

圖9 電動(dòng)汽車(chē)中的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[3]

逆變器充當(dāng)了這個(gè)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和幅值，電動(dòng)汽車(chē)的速度和動(dòng)力得到有效控制，車(chē)輛得以平穩(wěn)運(yùn)行。逆變器輸出交流電的品質(zhì)決定了電動(dòng)汽車(chē)行駛的舒適度，并且逆變器的效率很大程度上決定了電動(dòng)汽車(chē)整體的效率，因此，逆變器是電動(dòng)汽車(chē)的核心[2]。

圖10 逆變器：電動(dòng)汽車(chē)的核心[3]

圖11 不同汽車(chē)驅(qū)動(dòng)模式的原理圖[4]

上圖為不同汽車(chē)驅(qū)動(dòng)模式的原理圖，對(duì)于燃油車(chē)，汽車(chē)的能量直接由內(nèi)燃機(jī)提供，經(jīng)過(guò)變速器后到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；對(duì)于純電動(dòng)車(chē)，電池儲(chǔ)存的直流電經(jīng)過(guò)逆變器變成交流電后到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，有并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)以及串聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式，并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)是指內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)能以及電池供電并行輸入驅(qū)動(dòng)輪；而串聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)是先通過(guò)內(nèi)燃機(jī)將燃料的內(nèi)能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成交流電，再通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電，和電池產(chǎn)生的直流電一起，經(jīng)過(guò)逆變器輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)。

審核編輯：陳陳