本文由派克漢尼汾電氣化產(chǎn)品經(jīng)理 Jonah Leason 和產(chǎn)品銷售經(jīng)理 Tim Dobbin 撰寫并貢獻(xiàn)。

逆變器在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和扭矩控制，最終有助于提高效率和性能。你將了解到：

（1）逆變器在混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車中的應(yīng)用方式。

（2）逆變器在實(shí)現(xiàn)各種牽引和工作功能方面發(fā)揮著作用。

（3）為什么逆變器對(duì)于實(shí)現(xiàn)效率和性能改進(jìn)至關(guān)重要？

隨著汽車行業(yè)對(duì)提升能源效率和性能的需求不斷增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車的發(fā)展也日益興起，逆變器在公路和越野車輛中也變得越來越普遍。在純電動(dòng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)中，逆變器至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛梢詫?a title="電池" target="_blank">電池組的直流電 (DC) 轉(zhuǎn)換為交流電 (AC) 來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

在商用車輛電動(dòng)取力器 (ePTO)應(yīng)用中，當(dāng)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣化時(shí)，逆變器是按需控制液壓流量，從而提高效率的關(guān)鍵因素。按需流量是指電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)液壓系統(tǒng)或用戶的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，從而有效減少能源浪費(fèi)以及內(nèi)燃機(jī)定量泵持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。

根據(jù)具體應(yīng)用，電氣化系統(tǒng)節(jié)能效果已記錄在20-30%甚至更高。其他優(yōu)勢(shì)包括減少機(jī)械磨損、降低運(yùn)行噪音以及縮小熱系統(tǒng)尺寸。

由于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車具有諸多優(yōu)勢(shì)，其普及率正在不斷提升。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須了解這些車輛中使用的逆變器和其他重要部件的工作原理，以及它們?cè)谲囕v整體性能中發(fā)揮的作用。

逆變器的工作原理

逆變器從根本上實(shí)現(xiàn)了能量從一種形式到另一種形式的轉(zhuǎn)換。在混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車中，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再轉(zhuǎn)換為扭矩。電池中儲(chǔ)存的能量提供直流電。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供電動(dòng)機(jī)使用，電動(dòng)機(jī)再將交流電轉(zhuǎn)換為扭矩。逆變器也可以進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換。

逆變器在混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車中的使用方式說明：電池提供直流電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電壓/頻率可調(diào)的交流電，電機(jī)將交流電轉(zhuǎn)換為機(jī)械扭矩，逆變器在需要時(shí)反轉(zhuǎn)電流。

逆變器的核心是被稱為MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或晶體管的小型電子器件，它們充當(dāng)開關(guān)。通常，開關(guān)速度越快越好。在將直流電轉(zhuǎn)換為交流電時(shí)，開關(guān)速度越快，意味著更少的能量以熱量的形式損失，更多的能量用于產(chǎn)生扭矩。

降低熱量可以最大限度地減少維持工作溫度所需的冷卻。當(dāng)逆變器過熱時(shí)，它會(huì)降低性能，以減少系統(tǒng)中限制壽命的壓力。

逆變器的主要作用是控制扭矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車輪移動(dòng)。精確的電流控制能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩控制，這對(duì)于確保車輛的安全縱向控制尤為重要，可以防止車輛在起步或減速時(shí)發(fā)生意外或不良的移動(dòng)，例如向前傾斜。

扭矩吸收能力對(duì)于限制速度也至關(guān)重要。此外，它有助于保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)免受過大扭矩的影響，并防止逆變器產(chǎn)生過大電流。通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，逆變器可以提升整體駕駛體驗(yàn)。

派克漢尼汾第二代全球車輛逆變器系列旨在為牽引和輔助功能提供增強(qiáng)的電機(jī)控制，以及改進(jìn)的安全功能和更大的設(shè)計(jì)靈活性。

逆變器還能調(diào)節(jié)電壓，這對(duì)于將電能回饋給車輛配電系統(tǒng)至關(guān)重要。具體來說，它們使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)來控制交流輸出的頻率和電壓。PWM 的工作原理是快速打開和關(guān)閉直流電壓，從而產(chǎn)生脈沖電壓波形。通過調(diào)整這些脈沖的寬度來控制平均輸出電壓和頻率。然后對(duì)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生更平滑、接近正弦波的交流輸出。

逆變器通常集成反饋控制系統(tǒng)來監(jiān)控輸出電壓和電流。這些系統(tǒng)會(huì)將實(shí)際輸出與期望輸出進(jìn)行比較，并調(diào)整PWM控制，以確保即使輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化，也能保持穩(wěn)定的電壓和頻率。

由于電動(dòng)汽車 (EV) 中的電動(dòng)機(jī)具有比內(nèi)燃機(jī) (ICE) 更寬、更靈活的速度范圍（高達(dá)四倍）以及更寬的扭矩范圍，因此實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的挑戰(zhàn)更大。

如前所述，逆變器調(diào)節(jié)交流電的頻率和幅度，從而直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。電動(dòng)機(jī)可以從靜止?fàn)顟B(tài)（0 RPM）提供瞬時(shí)扭矩，并在高轉(zhuǎn)速下保持效率，這與內(nèi)燃機(jī)能夠維持的每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM）范圍較窄不同。

逆變器在調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度和扭矩方面發(fā)揮著重要作用，從而提高車輛的性能和效率。

這種較寬的轉(zhuǎn)速范圍可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的加速和減速。然而，電機(jī)的效率并非在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒定不變。通常在特定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機(jī)的效率最高。

最終，逆變器在傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用。通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，逆變器可以使電機(jī)在其最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。正確指定電機(jī)/逆變器的尺寸和參數(shù)后，可以調(diào)整電機(jī)/逆變器的尺寸，使其在常見或典型的工作點(diǎn)（例如巡航速度或峰值泵效率）下達(dá)到峰值效率。這可以優(yōu)化能耗，延長(zhǎng)車輛續(xù)航里程或減少充電停機(jī)時(shí)間。

逆變器能夠確保在不同速度下提供適當(dāng)水平的扭矩和功率，從而優(yōu)化性能，最大限度地提高車輛的加速度和響應(yīng)能力。

然而，暗示逆變器是扭矩管理的唯一關(guān)鍵部件可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。除了車輛控制之外，永磁 (PM) 電機(jī)的尺寸對(duì)于電動(dòng)汽車扭矩的有效管理也至關(guān)重要。永磁電機(jī)效率高（這意味著它們能夠?qū)⒋罅侩娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能），并且扭矩控制精準(zhǔn)，這有助于提升電動(dòng)汽車的整體性能和續(xù)航里程。轉(zhuǎn)子中永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組中的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)車輛的扭矩。

逆變器在再生制動(dòng)中的作用

很少有人考慮過典型的制動(dòng)過程中會(huì)損失多少能量。機(jī)械制動(dòng)極其浪費(fèi)能量，大部分慣性能量都轉(zhuǎn)化為熱能。相比之下，再生制動(dòng)（又稱再生制動(dòng)）的效率高達(dá) 98%。

再生制動(dòng)是電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的一種功能，它可以捕獲車輛減速時(shí)的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)換為直流電，用于給電池充電。傳統(tǒng)制動(dòng)方式會(huì)將能量以熱量、噪音和剎車粉塵（顆粒物）的形式損失，而再生制動(dòng)可以回收大部分能量，從而提高整體效率、延長(zhǎng)續(xù)航里程并減少制動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)。

然而，如果沒有逆變器，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車就無法實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。逆變器充當(dāng)雙向功率轉(zhuǎn)換器，將產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換回電能并儲(chǔ)存在電池中。如果沒有逆變器，就無法捕獲和再利用再生制動(dòng)期間產(chǎn)生的能量。正是由于逆變器的存在，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車才能夠像今天這樣節(jié)能。

派克漢尼汾

機(jī)械制動(dòng)過程中，大部分動(dòng)能以熱量的形式損失。再生制動(dòng)系統(tǒng)利用逆變器實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)，捕獲并儲(chǔ)存這些能量，有助于提升車輛續(xù)航里程并減少剎車磨損。

逆變器對(duì)于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的功能至關(guān)重要

隨著混合動(dòng)力和電動(dòng)技術(shù)的采用率不斷提高，逆變器因其在提高性能和能源效率方面發(fā)揮的重要作用，已成為多個(gè)行業(yè)各種技術(shù)文章和演示的焦點(diǎn)。

派克漢尼汾

逆變器在混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車（用于公路和越野應(yīng)用）的各種牽引和工作功能中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。圖中是本文作者之一喬納·利森（Jonah Leason），他正在派克漢尼汾的電子運(yùn)動(dòng)和控制制造工廠，與公司第二代全球車輛逆變器 (GVI) 一起展示。該逆變器采用緊湊的液冷封裝，性能更佳，靈活性更高。

考慮逆變器負(fù)責(zé)的所有事情：

為主牽引電機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求精確的速度和扭矩控制。

管理電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力應(yīng)用中制動(dòng)過程中的能量產(chǎn)生和能量回收（再生）。

與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，為電動(dòng)液壓泵提供動(dòng)力，提供精確的控制和更高的效率。

增強(qiáng)對(duì)道路車輛的轉(zhuǎn)向和 ePTO 的控制。

控制非公路應(yīng)用中的物料處理和其他輔助工作功能。

實(shí)現(xiàn)液壓流量的電子控制（以前由模擬系統(tǒng)處理），以提供更平穩(wěn)、更增強(qiáng)的駕駛體驗(yàn)。

啟用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉液壓操作。

增強(qiáng)電液調(diào)節(jié)（包括效率、尺寸和電路調(diào)節(jié)）。

減少能量損失。

所有這些功能的好處包括減少排放和噪音，以及提高能源效率，以滿足當(dāng)今更為嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

分布式功函數(shù)和逆變器是未來電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)效率提升的關(guān)鍵

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車是大型中央電源，連接多個(gè)水泵。在這種集中式架構(gòu)下，需要大型電動(dòng)機(jī)、逆變器和水泵來滿足需求。

隨著電氣化技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛設(shè)計(jì)發(fā)生了翻天覆地的變化，幾乎有無限可能。例如，電機(jī)、齒輪系和泵可以組合成一個(gè)動(dòng)力裝置。未來，風(fēng)扇、壓縮機(jī)、絞盤等部件也有望實(shí)現(xiàn)電氣化。

隨著電力變得更加本地化，將工作分配到更小的電氣化系統(tǒng)將能夠?qū)μ囟娐返男阅苓M(jìn)行更嚴(yán)格的控制，從而提高移動(dòng)設(shè)備的整體效率。

隨著越來越多的原始設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)商認(rèn)識(shí)到動(dòng)力系統(tǒng)電氣化在提高能源效率方面的巨大潛力，汽車電氣化正變得越來越流行。從最基本的層面上講，逆變器在電氣化過程中的作用是使電磁力產(chǎn)生扭矩。

逆變器是非公路車輛和公路車輛電氣化以及顯著提高能源效率的關(guān)鍵部件。此外，逆變器還能實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，從而幫助回收目前在機(jī)械制動(dòng)中浪費(fèi)的大部分能量。

電動(dòng)液壓系統(tǒng)提高了泵的放置靈活性，因?yàn)椴辉傩枰獜脑O(shè)備上的傳動(dòng)系統(tǒng)（內(nèi)燃機(jī)、變速器和傳動(dòng)系統(tǒng)）產(chǎn)生液壓流，這為更加分散的架構(gòu)打開了大門，從而實(shí)現(xiàn)了分布式電源和對(duì)特定組件的更精確的控制，以獲得更高的性能和效率。

歸根結(jié)底，效率才是最重要的，而逆變器是任何效率成功案例中的重要組成部分。

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