Sähköautojen ajovoiman vaihtosuuntaajat
Ajovoiman vaihtosuuntaaja on sähköinen venttiili ja reaaliaikainen ohjain suurjänniteakun ja moottorin välillä. Se muuntaa tasavirran tarkasti ajoitetuksi moottorivirraksi, kääntää energian regeneroinnissa ja valvoo sähköisiä sekä lämpörajoja.
Akun tasavirrasta ohjatuksi moottorivirraksi
Useimmat automoottorit käyttävät kolmea vaihetta. Tavallisessa kaksitasoisessa vaihtosuuntaajassa on kolme puolisiltaa, joissa on ylä- ja alapuolijohdekytkin. Kuuden laitteen tarkka kytkentä antaa vaiheelle positiivisen, negatiivisen tai nollatehollisen jännitteen.
Aaltomuoto on pulssitettu, ei täydellinen sini. Moottorin induktanssi tasaa virtaa ja pulssinleveysmodulaatio ohjaa perusjännitettä ja -virtaa. Moduulin lähellä oleva DC-välipiirikondensaattori syöttää nopeat pulssit ja rajoittaa akkukaapelien jännitevärettä.
Kokonaisuuteen kuuluvat myös hiladriverit, anturit, prosessori, virtakiskot, kondensaattorit, EMC-suodatus, jäähdytys ja suojaus. Pieni induktanssi on välttämätön, sillä nopea kytkentä voi muuten tehdä vahingollisia ylijännitteitä.
Momenttia ohjataan virralla
Ajoneuvo pyytää positiivista tai negatiivista momenttia. Moottoriohjain muuntaa pyynnön vaihevirtatavoitteiksi ja huomioi akkutehon, pidon, roottorinopeuden, jännitteen, virran, lämpötilan ja osarajat.
Vektorisäätö esittää virrat magneettikentän mukana pyörivillä akseleilla. Yksi komponentti ohjaa pääasiassa momenttia ja toinen vuota. Jako riippuu moottorista: induktio tarvitsee magnetointivirtaa, sisämagneettinen PMSM hyödyntää reluktanssia ja sähköinen heräte lisää roottorivirran.
Laskenta toistuu tuhansia kertoja sekunnissa. Asento saadaan resolverilta, enkooderilta tai estimaattorilta. Pienet asento-, mittaus-, ajoitus- tai parametrivirheet lisäävät värettä ja häviötä tai heikentävät vakautta.
Perusnopeus, kentänheikennys ja regenerointi
Pienellä ja keskinopeudella virta ja lämpö rajoittavat yleensä momenttia. Nopeuden noustessa vastasähkömotorinen voima lähestyy käytettävää jännitettä. Ohjaus heikentää kenttää ja vaihtaa osan virtakyvystä ja hyötysuhteesta laajempaan alueeseen.
Regeneroinnissa vaihtosuuntaaja ohjaa negatiivista momenttia ja muuntaa monivaihetehon DC:ksi akulle. Laitteisto on kaksisuuntainen, mutta pito, lämpötilat, varaustila ja akunhallinta voivat rajoittaa tehoa.
Pii-IGBT ja piikarbidi-MOSFET
Suurjännitevaihtosuuntaajat ovat käyttäneet paljon pii-IGBT:tä. Monet uudet yksiköt käyttävät piikarbidi-MOSFET:iä. SiC kytkee nopeammin ja voi pienentää kytkentä- ja johtohäviötä, mahdollistaen paremman hyötysuhteen tai taajuuden ja pienemmät osat.
Ne eivät ole häviöttömiä. Pinta-ala, päälläolovastus, hila, nopeus, diodi, lämpötila, jänniteluokka, virta, EMC, eristys, hinta ja tuotantosaanto vaikuttavat. Nopeampi kytkentä pienentää osia mutta voi lisätä yhteismuotojännitettä ja laakerivirtaa.
Porsche Taycan Turbo GT on sarjaesimerkki: Porsche määrittää piikarbidin pulssivaihtosuuntaajien materiaaliksi ja liittää siihen paremman hyötysuhteen.
Jännite, virta ja kytkentätaajuus
Samalla teholla suurempi jännite voi pienentää virtaa, resistiivistä häviötä ja johtimia, mutta ”800 volt” ei yksin todista tehokkuutta. Puolijohde, modulointi, käämitys, välipiirijännite varaustilan yli, jäähdytys ja toimintapiste ratkaisevat.
Taajuus tuo toisen kompromissin. Suurempi taajuus vähentää virtavärettä ja kuuluvia osia ja voi sallia pienemmät passiivit. Jokainen siirtymä hukkaa energiaa; liian tiheä kytkentä lisää häviötä. Optimi muuttuu nopeuden, momentin, lämpötilan ja melun mukana.
Häviöiden alkuperä
Päähäviöitä ovat johtohäviö virran kulkiessa ja kytkentähäviö siirtymissä. Driverit, kondensaattorit, kiskot, suodatus, elektroniikka ja pumput lisäävät pienempiä häviöitä. Harmoninen virta kasvattaa myös moottorin kupari-, rauta- ja magneettihäviöitä.
Ilmoitettu huippuhyötysuhde, joskus lähes 98%, kuvaa yhtä aluetta määritetyissä oloissa. Hyödyllinen on yhdistetty kartta todelliselle nopeudelle ja momentille. Yksi prosentti 200 kW:sta on 2 kW lämpöä; pienet erot vaativat paljon jäähdytystä.
Jäähdytys, luotettavuus ja suojaus
Tehomoduulit nestejäähdytetään yleensä pohjalevyn tai suorajäähdytetyn substraatin kautta. Liitoslämpötila muuttuu paljon jäähdytysnestettä nopeammin, joten ohjelmisto yhdistää anturit ja lämpömallit.
Vaihtosuuntaajan on havaittava ylivirta, oikosulku, yli- ja alijännite, asentotiedon menetys, jäähdytys- ja eristysviat sekä epäuskottavat signaalit. Vakavassa viassa se voi pysähtyä mikrosekunnissa. DC-kondensaattori on purettava turvallisesti järjestelmän avautuessa.
Integrointi yksikköön lyhentää vaihejohtoja ja jäähdytysreittejä sekä pienentää massaa ja häiriöitä, mutta altistaa elektroniikan lämmölle ja tärinälle ja voi vaikeuttaa huoltoa.
Teknisten tietojen lukeminen
Hyödyllisiä ovat DC-jännitealue, huippu- ja jatkuva vaihevirta, teknologia, kytkentästrategia, jäähdytysolot, huippukesto, tehotiheyden raja ja hyötysuhdekartta. ”Maksimiampeerit” eivät kerro tehoa, koska moottorijännite, virtakulma, nopeus ja lämpörajat muuttuvat.
Lucid Motorsin video selittää komponenttisuunnittelun:
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units.