Inversores de tracción en vehículos eléctricos
El inversor de tracción es la válvula eléctrica y el controlador en tiempo real entre la batería de alta tensión y el motor. Convierte la corriente continua en corriente de motor sincronizada, invierte el flujo durante la regeneración y aplica los límites eléctricos y térmicos del accionamiento.
De la corriente continua a corriente de motor controlada
La mayoría de los motores de turismos usan tres fases. Un inversor de dos niveles tiene tres semipuentes, cada uno con interruptores superior e inferior. Al conmutar esos seis dispositivos con precisión, aplica tensión efectiva positiva, negativa o nula a cada fase.
La onda es pulsada, no un seno perfecto. La inductancia suaviza gran parte de la corriente y la modulación por ancho de pulso controla tensión y corriente fundamentales. Un condensador de enlace CC junto al módulo suministra impulsos rápidos y limita la ondulación vista por los cables.
El conjunto incluye controladores de puerta, sensores, procesador, barras, condensadores, filtros CEM, interfaces de refrigeración y protección. Integrarlos con baja inductancia es esencial, pues la conmutación rápida puede generar sobretensiones dañinas.
El par se controla mediante corriente
El controlador del vehículo solicita par positivo o negativo. El del motor lo traduce en objetivos de corriente respetando potencia de batería, tracción, velocidad, tensión, corriente, temperatura y límites.
El control orientado al campo representa las corrientes en ejes que giran con el campo magnético. Una componente controla principalmente par y otra flujo. La división depende del motor: la inducción necesita corriente magnetizante, un PMSM interior aprovecha reluctancia y uno excitado añade corriente de campo del rotor.
El cálculo se repite miles de veces por segundo. La posición procede de resolver, codificador o estimador. Pequeños errores de posición, medida, tiempo o parámetros aumentan ondulación y pérdidas o reducen estabilidad.
Velocidad base, debilitamiento de campo y regeneración
A velocidad baja y media, corriente y temperatura suelen limitar el par. Al subir la velocidad, la fuerza contraelectromotriz se acerca a la tensión disponible. El controlador debilita el campo y sacrifica parte de capacidad y eficiencia por un rango más amplio.
En frenada regenerativa, el inversor controla par negativo y convierte la salida multifásica en CC para la batería. El equipo es bidireccional, pero agarre, temperaturas, estado de carga y gestión de batería limitan la potencia recuperada.
IGBT de silicio y MOSFET de carburo de silicio
Los inversores de alta tensión han usado ampliamente IGBT de silicio. Muchos accionamientos nuevos emplean MOSFET de carburo de silicio. El SiC conmuta más rápido y puede reducir pérdidas de conmutación y conducción, mejorando eficiencia, frecuencia o tamaño de refrigeración y pasivos.
No carece de pérdidas. Área, resistencia, control de puerta, velocidad, diodo, temperatura, clase de tensión, corriente, CEM, aislamiento, coste y rendimiento de fabricación influyen. Conmutar más rápido reduce piezas, pero puede aumentar tensión de modo común y corrientes de rodamientos.
El Porsche Taycan Turbo GT es un ejemplo de serie: Porsche especifica carburo de silicio en sus inversores de impulsos y le atribuye mayor eficiencia.
Tensión, corriente y frecuencia de conmutación
A igual potencia, mayor tensión puede reducir corriente, pérdidas resistivas y sección. Pero «800 volt» no demuestra por sí solo más eficiencia. Semiconductores, modulación, bobinado, tensión del bus según la carga, refrigeración y punto de trabajo siguen importando.
La frecuencia plantea otro compromiso. Una frecuencia alta reduce ondulación y componentes audibles y permite pasivos menores, pero cada transición disipa energía; conmutar demasiado aumenta pérdidas. El óptimo cambia con velocidad, par, temperatura y ruido.
De dónde proceden las pérdidas
Las principales son conducción mientras el dispositivo lleva corriente y conmutación en cada transición. Controladores, condensadores, barras, filtros, electrónica y bombas añaden otras menores. Los armónicos también aumentan pérdidas de cobre, hierro e imanes del motor.
Una eficiencia pico anunciada, a veces cerca de 98%, describe una zona en condiciones definidas. Lo útil es el mapa combinado para demandas reales de velocidad y par. Un punto porcentual de pérdida a 200 kW son 2 kW de calor; pequeñas diferencias imponen gran refrigeración.
Refrigeración, fiabilidad y protección
Los módulos suelen refrigerarse por líquido mediante placa o sustrato directo. La temperatura de unión cambia más rápido que la del fluido; el software combina sensores y modelos térmicos para estimar esfuerzo.
El inversor detecta sobrecorriente, cortocircuito, sobretensión, subtensión, pérdida de posición, fallos de fluido o aislamiento y señales imposibles. Puede apagarse en microsegundos ante un fallo grave. El condensador CC debe descargarse de forma segura al abrir el sistema.
Integrarlo sobre o dentro de la unidad acorta cables y refrigeración, reduce masa e interferencias, pero expone la electrónica al calor y vibración y puede complicar el servicio.
Interpretar las especificaciones
Son útiles rango de tensión CC, corriente pico y continua, tecnología, estrategia, refrigeración, duración de pico, frontera de densidad y mapa de eficiencia. «Amperios máximos» no expresa potencia, pues cambian tensión del motor, ángulo de corriente, velocidad y límites térmicos.
El vídeo técnico de Lucid Motors explica el diseño por componentes:
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