Wie Wechselrichter und Konverter in Hybrid- und Elektrofahrzeugen funktionieren

Christine und Scott Gable sind Experten für Hybridautos und alternative Kraftstoffe, die ihren eigenen Biodiesel gebraut und 125.000 Meilen mit Altpflanzenöl zurückgelegt haben.

In Hybrid- und anderen Elektrofahrzeugen (EVs) arbeiten zwei Schlüsselelemente zusammen, um die Energie zu verwalten und die Schaltkreise aufzuladen. So arbeiten diese kritischen Komponenten – Wechselrichter und Konverter – zusammen.

Im Allgemeinen ist ein Wechselrichter ein elektrisches Gerät, das Strom aus einer Gleichstromquelle (Gleichstrom) in Wechselstrom (Wechselstrom) umwandelt, der zum Antrieb eines Geräts oder einer Vorrichtung verwendet werden kann. In einer Solarstromanlage beispielsweise wird der Strom, der in von Solarmodulen geladenen Batterien gespeichert wird, vom Wechselrichter in Standard-Wechselstrom umgewandelt, der Steckdosen und andere Standard-120-Volt-Geräte mit Strom versorgt.

Ein Wechselrichter erfüllt die gleiche Funktion in einem Hybrid- oder Elektroauto, und die Funktionstheorie ist relativ einfach. Gleichstrom, beispielsweise von einer Hybridbatterie, wird der Primärwicklung eines Transformators im Wechselrichtergehäuse zugeführt . Durch einen elektronischen Schalter (im Allgemeinen eine Reihe von Halbleitertransistoren) wird die Richtung des Stromflusses kontinuierlich und regelmäßig umgedreht (die elektrische Ladung wandert in die Primärwicklung, kehrt sich dann abrupt um und fließt wieder heraus). Der Zu-/Abfluss von Elektrizität erzeugt Wechselstrom im Sekundärwicklungskreis des Transformators. Letztendlich liefert dieser induzierte Wechselstrom Strom für eine Wechselstromlast – beispielsweise den elektrischen Traktionsmotor eines Elektrofahrzeugs (EV).

Ein Gleichrichter ist ein ähnliches Gerät wie ein Wechselrichter, außer dass er das Gegenteil bewirkt und Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.

Genauer gesagt Spannungswandler, ändert dieses elektrische Gerät tatsächlich die Spannung (entweder Wechsel- oder Gleichstrom) einer elektrischen Stromquelle. Es gibt zwei Arten von Spannungswandlern: Aufwärtswandler (die die Spannung erhöhen) und Abwärtswandler (die verringert die Spannung). Die häufigste Verwendung eines Konverters besteht darin, eine relativ niedrige Spannungsquelle zu nutzen und sie für schwere Arbeiten in einer Last mit hohem Stromverbrauch auf Hochspannung zu erhöhen. Sie können jedoch auch umgekehrt verwendet werden, um die Spannung für eine Lampe zu reduzieren Ladequelle.

Ein Wechselrichter/Konverter ist, wie der Name schon sagt, eine einzelne Einheit, die sowohl einen Wechselrichter als auch einen Konverter beherbergt. Dies sind die Geräte, die sowohl von Elektrofahrzeugen als auch von Hybridfahrzeugen zur Steuerung ihrer elektrischen Antriebssysteme verwendet werden. Zusammen mit einem eingebauten Laderegler versorgt der Wechselrichter/Konverter das Batteriepaket mit Strom zum Aufladen während des regenerativen Bremsens und versorgt außerdem den Motor/Generator mit Strom für den Fahrzeugantrieb. Sowohl Hybrid- als auch Elektrofahrzeuge verwenden Gleichstrombatterien mit relativ niedriger Spannung (ca. 210 Volt), um die Baugröße gering zu halten, nutzen aber im Allgemeinen auch hocheffiziente Hochspannungs-Wechselstrommotoren/Generatoren (ca. 650 Volt). Die Wechselrichter-/Wandlereinheit choreografiert, wie diese unterschiedlichen Spannungen und Stromarten zusammenarbeiten.

Aufgrund der Verwendung von Transformatoren und Halbleitern (und der damit verbundenen Widerstände) geben diese Geräte enorme Wärmemengen ab. Eine ausreichende Kühlung und Belüftung sind von größter Bedeutung, um die Funktionsfähigkeit der Komponenten aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund verfügen Wechselrichter-/Wandlerinstallationen in Hybridfahrzeugen über eigene Kühlsysteme mit Pumpen und Kühlern, die völlig unabhängig vom Kühlsystem des Motors sind.

„Solarintegration: Grundlagen zu Wechselrichtern und Netzdiensten.“ US-Energieministerium.

„Konverter, Wechselrichter und Steuerungen.“ Zentrum für fortschrittliche Automobiltechnologie.

Chen, Hua et al. „Elektrifizierte Automobil-Antriebsstrangarchitektur mit zusammengesetzten DC-DC-Wandlern.“ IEEE Trans Power Electron, Bd. 32, 2017, S. 98–116., doi:10.1109/TPEL.2016.2533347