Inverter di trazione nei veicoli elettrici
L'inverter di trazione è la valvola elettrica e il controllore in tempo reale fra batteria ad alta tensione e motore. Converte la corrente continua in corrente motore temporizzata, inverte il flusso in rigenerazione e applica i limiti elettrici e termici dell'unità.
Dalla corrente continua alla corrente motore controllata
La maggior parte dei motori usa tre fasi statoriche. Un inverter a due livelli ha tre semiponti con interruttore superiore e inferiore. Commutando con precisione i sei dispositivi applica tensione effettiva positiva, negativa o nulla a ogni fase.
La forma d'onda è pulsata, non sinusoidale perfetta. L'induttanza uniforma gran parte della corrente e la modulazione PWM controlla tensione e corrente fondamentali. Un condensatore sul bus CC vicino al modulo fornisce impulsi rapidi e limita l'ondulazione sui cavi.
L'insieme include driver di gate, sensori, processore, barre, condensatori, filtri EMC, raffreddamento e protezioni. Un layout a bassa induttanza è essenziale perché la commutazione rapida può creare sovratensioni dannose.
La coppia si controlla con la corrente
Il controllore del veicolo richiede coppia positiva o negativa. Quello del motore la traduce in obiettivi di corrente rispettando potenza batteria, aderenza, velocità, tensione, corrente, temperatura e limiti.
Il controllo vettoriale rappresenta le correnti su assi che ruotano col campo. Una componente controlla soprattutto coppia e l'altra flusso. La divisione dipende dal motore: l'induzione richiede corrente magnetizzante, un PMSM interno sfrutta riluttanza e un motore eccitato aggiunge corrente rotorica.
Il calcolo si ripete migliaia di volte al secondo. La posizione viene da resolver, encoder o stimatore. Piccoli errori di posizione, misura, tempo o parametri aumentano ondulazione e perdite o riducono stabilità.
Velocità base, indebolimento di campo e rigenerazione
A bassa e media velocità, corrente e calore limitano spesso la coppia. Salendo, la forza controelettromotrice si avvicina alla tensione disponibile. Il controllo indebolisce il campo, scambiando parte di capacità ed efficienza per una gamma più ampia.
In frenata rigenerativa l'inverter controlla coppia negativa e converte l'uscita multifase in CC per la batteria. L'hardware è bidirezionale, ma aderenza, temperature, stato di carica e gestione batteria possono limitare la potenza.
IGBT al silicio e MOSFET al carburo di silicio
Gli inverter ad alta tensione hanno usato molto IGBT al silicio. Molte unità nuove impiegano MOSFET al carburo di silicio. Il SiC commuta più rapidamente e può ridurre perdite di commutazione e conduzione, consentendo efficienza o frequenza superiori e componenti più piccoli.
Non è senza perdite. Area, resistenza, gate, velocità, diodo, temperatura, classe di tensione, corrente, EMC, isolamento, costo e resa produttiva contano. Una commutazione più rapida riduce parti ma può aumentare tensione di modo comune e correnti nei cuscinetti.
La Porsche Taycan Turbo GT è un esempio di serie: Porsche specifica carburo di silicio negli inverter a impulsi e gli attribuisce migliore efficienza.
Tensione, corrente e frequenza di commutazione
A potenza data, più tensione può ridurre corrente, perdite resistive e sezione, ma “800 volt” non dimostra da solo più efficienza. Semiconduttore, modulazione, avvolgimento, tensione del bus con la carica, raffreddamento e punto operativo restano importanti.
La frequenza crea un altro compromesso. Frequenza superiore riduce ondulazione e componenti udibili e può consentire passivi minori. Ogni transizione dissipa energia; commutare troppo aumenta le perdite. L'ottimo varia con velocità, coppia, temperatura e rumore.
Origine delle perdite
Le principali sono conduzione durante il passaggio di corrente e commutazione nelle transizioni. Driver, condensatori, barre, filtri, elettronica e pompe aggiungono perdite minori. Le armoniche aumentano anche perdite di rame, ferro e magneti del motore.
Un'efficienza di picco, talvolta vicina a 98%, descrive una zona in condizioni definite. Serve la mappa combinata per velocità e coppia reali. Un punto percentuale a 200 kW equivale a 2 kW di calore; piccole differenze impongono molto raffreddamento.
Raffreddamento, affidabilità e protezione
I moduli sono normalmente raffreddati a liquido tramite piastra o substrato diretto. La temperatura di giunzione cambia più rapidamente del fluido; il software combina sensori e modelli termici.
L'inverter deve rilevare sovracorrente, corto circuito, sovra- e sottotensione, perdita di posizione, difetti di fluido o isolamento e segnali implausibili. Può spegnersi in microsecondi per un guasto grave. Il condensatore CC deve scaricarsi in sicurezza all'apertura del sistema.
L'integrazione nell'unità accorcia cavi e raffreddamento, riduce massa e interferenze, ma espone l'elettronica a calore e vibrazioni e può complicare la manutenzione.
Leggere le specifiche
Sono utili gamma di tensione CC, corrente di fase di picco e continua, tecnologia, strategia, condizioni di raffreddamento, durata del picco, confine della densità e mappa di efficienza. “Ampere massimi” non esprime potenza perché variano tensione motore, angolo di corrente, velocità e limiti termici.
Il video tecnico Lucid Motors spiega il progetto a livello dei componenti:
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