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电动汽车电控技术是什么?逆变器工作原理详解

2022-01-11 14:15:45


这样就可以输出与正弦波特性匹配的方波控制信号并输入到MOSET管,当输出1时控制其“开”,输出0时控制其“关”,从而可以根据信号控制开关输出我们想要的等效的逆变波形,最终控制电机转动,完成了整个逆变过程。


随着新能源汽车的发展,消费者对新能源汽车的认可度也越来越高。与传统燃油车关键部件不同,新能源汽车关键部件为“三电”系统即电池、电控、电机。其中,电控作为连接电池和电机的桥梁,负责将电池的直流电逆变为电机需要用的交流电,电控专业学名为逆变器,在电动汽车行业通俗称为电机控制器。承担着控制电机驱动和电制动的任务。

电动汽车电控技术是什么?逆变器工作原理详解

大家都知道,直流电(DC)是恒定的,而交流电(AC)是交变的,直流和交流之间是如何完成转换的呢?

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直流波形和交流波形

直流和交流的转换需要控制两个特性,一个是电流的方向另外一个是电流的大小。电动汽车逆变电路等效电路见下图,我们把动力电池等效为电池、电机简化为负载LOAD。

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逆变等效电路

由下图可见,通过开关的闭合、打开组合可以实现电流方向的变化。从而实现了交流电方向可变的目的。

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电流方向

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电流方向

交流电变化是有频率的,如果电机要求的交流电频率为50Hz,那么就意味着上述开关需要在1秒内完成50次的周期变化。而实际中不存在这样的开关,实际在运用时我们采用MOSET管来代替开关,MOSET管频率最大能达到1000KHz,能够满足在实际过程中的频率要求。

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moset管

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moset管电路

在解决了电流方向和频率的问题后,又如何将直流电的大小等效于交流电呢?通过MOSET管的“开”和“关”可以实现电流的有和无,从而输出方波。当开关闭合时输出一个常数值(高电平),当开关断开时输出值为0(低电平)。见下图绿色波形即为方波。

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直流方波

上图中红色方框内为方波的一个周期,可以看到周期内高电平(高峰)和低电平(低谷)的比例不同其平均值也不同。青色的波形为周期内方波的平均值,可见周期内常数值时间越长,平均值越高。最后上面方波的平均值波形就变成了下面的波形。

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通过开关组合改变电流方向,那么整个周期内波形如下

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可以看到,通过开关的组合和开合时间变化,通过方波组合出了一条近似正弦波的波形。如果通过减少每个方波的周期时间,那么曲线就会越来越平滑,方波平均值就会无限接近正弦波, 此处方波平均值波形和正弦波的效果是等效的 ,这就完成了直流到交流的逆变。

最后还剩下一个问题,在实际的逆变过程中,我们又如何知道一个方波周期内高电平和低电平各占多少呢?在实际的波形调制过程中还需要用到一个电子元器件叫比较器,比较器输出的信号用于控制MOSET管的通断,等效电路图见下图。图中大三角形为比较器,小三角形为二极管,二极管的作用是防止同一条支路上的开关(如下图的S1和S2)同时导通发生短路。

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调制电路

比较器中输入两个波形对比大小,分别为三角波和正弦波。见下图。

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比较波形

当正弦波小于三角波时比较器输出0,而当正弦波大于三角波时比较器输出1。这样就可以输出与正弦波特性匹配的方波控制信号并输入到MOSET管,当输出1时控制其“开”,输出0时控制其“关”,从而可以根据信号控制开关输出我们想要的等效的逆变波形,最终控制电机转动,完成了整个逆变过程。

结语

逆变器作为电动汽车的重要部件,文章通过等效电路和波形通俗地给大家讲解了逆变的原理和过程,但是在实际的操作过程中还涉及到部件选型、材料及软件编程等各种条件限制,比原理还要复杂得多。