Тяговый инвертор

Определение

Тяговый инвертор — статический преобразователь, превращающий постоянное напряжение высоковольтной шины в управляемый многофазный переменный ток для тягового электродвигателя и пропускающий ток в обратном направлении при рекуперации.

Число фаз — свойство конструкции. В большинстве приводов оно равно трём, но точное число фаз, как и число силовых каскадов, здесь не утверждается: это определяется документацией на конкретный автомобиль.

Назначение

Задавать момент и частоту вращения тягового двигателя. Сам двигатель момента не выбирает: он получает ту фазную картину, которую создаёт инвертор.

Второе назначение важнее для понимания всей высоковольтной части: инвертор — двусторонний узел. Тот же силовой каскад, который отдаёт энергию в двигатель при разгоне, принимает её из двигателя при рекуперативном торможении. Именно поэтому у энергии торможения вообще есть путь обратно в пакет — см. как устроен гибридный привод, где этот путь разобран как путь, а не как узел.

Расположение

В высоковольтной части автомобиля, между тяговой батареей и обмотками двигателя. Нередко в общем корпусе с бортовым зарядным устройством и DC/DC преобразователем; у объединённых блоков накопленного заряда больше, и выдержка перед доступом у них своя — работа с высоковольтной системой.

Как правило с жидкостным охлаждением: рассеиваемая мощность в тяговом режиме значительна.

Устройство

  ЗВЕНО ПОСТОЯННОГО   фильтр и буфер энергии на входе;
  ТОКА                удерживает заряд после размыкания контура

  СИЛОВЫЕ КЛЮЧИ       коммутируют шину на фазы двигателя;
                      тип ключей — свойство конструкции

  ДРАЙВЕРЫ КЛЮЧЕЙ     превращают сигнал управления
                      в управление ключом; отделяют
                      управляющую часть от силовой

  ДАТЧИКИ ТОКА ФАЗ    обратная связь, без которой
                      управление разомкнуто

  ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ      положение ротора: без него
  ПО ПОЛОЖЕНИЮ        неизвестно, когда коммутировать

  УПРАВЛЕНИЕ          исполнение ограничений, тепловая
  И ЗАЩИТА            защита, связь с автомобилем

Строка о звене постоянного тока — не деталь конструкции, а причина одного правила безопасности: звено остаётся заряженным после размыкания силового контура, и внешних признаков этого состояния нет. Отсюда выдержка времени в процедуре обесточивания и запрет проверять состояние наблюдением.

Тип силовых ключей, частота коммутации и ёмкость звена не утверждаются: это параметры конструкции, а не общие свойства узла.

Входы

Высоковольтная шина постоянного тока от тягового пакета. Задание момента и допустимых пределов — от автомобиля по шине, в рамках чисел, которые выдаёт BMS. Обратная связь по положению ротора и по фазным токам. Питание управляющей части от бортовой сети 12 В. Теплоноситель.

Выходы

Управляемый многофазный ток в обмотки двигателя. При рекуперации — ток обратно в высоковольтную шину. Сообщения о состоянии, ограничениях и коды неисправностей.

Принцип работы

Преобразование ключевое: шина поочерёдно подключается к фазам, и средний фазный ток задаётся длительностью подключений, а не уровнем напряжения. Это тот же принцип, что у ШИМ и у DC/DC преобразователя: величина дозируется временем.

Отличие от DC/DC в том, что моменты коммутации привязаны к внешней величине — положению ротора. Преобразователь стабилизирует выход и ни с чем его не синхронизирует; инвертор обязан коммутировать в такт вращению, и поэтому обратная связь по положению входит в его работоспособность, а не в его удобства.

Практически важное следствие, и оно определяет всю диагностику этого узла. У DC/DC преобразователя выход — обычная бортовая сеть, измеряемая обычным мультиметром, и его проверка начинается в безопасной зоне. У инвертора выхода в доступной зоне нет вовсе: его выход существует только внутри высоковольтного контура и заканчивается в обмотках двигателя. Два соседних узла одного класса имеют противоположную доступность, и переносить приёмы с одного на другой нельзя.

Типичные неисправности

Источник	Механизм	Признак
Тепловой уход в защиту	Отказ охлаждения, загрязнение контура	Ограничение мощности под нагрузкой, восстановление на холодную
Отказ драйвера ключа	Дефект цепи управления ключом	Ошибка привода, автомобиль не переходит в готовность
Дефект датчика тока фазы	Обрыв цепи, уход нуля	Неровная тяга, ошибка привода, ограничение
Деградация звена постоянного тока	Старение конденсаторов звена	Рост пульсаций на шине, помехи, ошибка привода
Потеря обратной связи по положению	Дефект датчика положения или его цепи	Привод не запускается либо работает рывками
Отказ изоляции силового каскада	Внутренний пробой, загрязнение, влага	Ошибка изоляции, отказ от заряда и от готовности

Перечень не заявляется исчерпывающим. Часть отказов приходит не из узла, а из его окружения: питание управления, шина, разъёмы, контур охлаждения.

Типичные симптомы

Ошибка высоковольтной системы; автомобиль не переходит в готовность к движению; ограничение мощности; потеря тяги при сохранном заряде пакета; симптом, появляющийся после прогрева.

Первые три совпадают с симптомами, которые уже принадлежат BMS и изоляции высоковольтного контура. Совпадение не случайно: эти узлы стоят в одном контуре, и симптом называет контур, а не узел. Поэтому ни один из перечисленных признаков сам по себе на инвертор не указывает.

Диагностика

Прежде всего. Любой физический доступ выполняется по процедуре обесточивания, с верификацией нулевого состояния и с выдержкой, указанной изготовителем — работа с высоковольтной системой. Звено постоянного тока удерживает заряд, а у объединённых блоков его больше.

Что доступно без высоковольтного доступа — чтение того, что сообщает автомобиль. Стандартный набор OBD-II состояния привода не содержит: нужен сканер с марочным программным обеспечением, и это ограничение отмечено даже в разборе по марке — коды Toyota.

Силовые каскады инвертора входят в высоковольтный контур как адрес измерения изоляции. Одна особенность здесь важнее прочих: помехоподавляющие конденсаторы инвертора без отключения читаются как утечка, поэтому сверка с документацией предшествует подаче испытательного напряжения — измерение сопротивления изоляции.

  НАПРЯЖЕНИЕ ЗВЕНА      равно напряжению тягового пакета;
                        величина принадлежит термину
                        «тяговая батарея»

  ТОК ФАЗЫ              НЕ УТВЕРЖДАЕТСЯ: свойство конструкции

  ЧАСТОТА КОММУТАЦИИ    НЕ УТВЕРЖДАЕТСЯ

  ТИП СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ    НЕ УТВЕРЖДАЕТСЯ

  ЁМКОСТЬ ЗВЕНА         НЕ УТВЕРЖДАЕТСЯ

  ВЫДЕРЖКА РАЗРЯДА      только по документации изготовителя

Почему здесь нет типичных величин, а у DC/DC преобразователя они есть. У преобразователя выход — бортовая сеть 12 В, и её норма одна и та же почти для всех автомобилей, потому что она унаследована от генератора. У инвертора такой общей нормы нет ни по одному параметру: и напряжение звена, и фазный ток, и частота коммутации различаются по конструкции. Привести «типичный диапазон» означало бы выдать свойство одной архитектуры за свойство узла.

Заблуждения

«Инвертор проверяется мультиметром, как DC/DC преобразователь». Не проверяется. У преобразователя выход — доступная бортовая сеть, и почти вся полезная проверка делается там. Выход инвертора существует только внутри высоковольтного контура. Соседство двух узлов одного класса вводит в заблуждение чаще, чем помогает.

«Ошибка привода означает неисправный инвертор». Те же три симптома принадлежат BMS и изоляции контура. Симптом указывает на контур; какой узел в нём отказал, симптомом не определяется.

«Потеря тяги при полном заряде — значит, дело в батарее». Не значит. Путь от пакета к колёсам проходит через инвертор, и ограничение может исходить от него, от его охлаждения или от обратной связи.

«Конденсаторы разрядятся сами за минуту». Выдержка задаётся изготовителем, у объединённых блоков она своя, а внешних признаков заряда нет. Это ровно тот случай, где наблюдение не заменяет процедуру.

«Инвертор электромобиля — то же, что инвертор 12→220 В». Разные объекты, и слово одно. Бытовой преобразователь для питания сетевых приборов в корпусе упомянут как источник помех в составе нештатного оборудования — см. помехи и экранирование. Тяговый инвертор к этому классу устройств не относится.

Связанные понятия

• Тяговая батарея — источник звена постоянного тока; напряжение звена и пороги пакета принадлежат ей
• BMS — выдаёт числа ограничения, которые инвертор исполняет; отказ в готовности чаще приходит оттуда
• Изоляция высоковольтного контура — свойство, в состав которого входят силовые каскады инвертора
• DC/DC преобразователь электромобиля — соседний узел того же класса с противоположной доступностью для диагностики
• ШИМ — принцип дозирования воздействия временем, общий для обоих преобразователей