Fremdriftsomformere i elbiler
Fremdriftsomformeren er den elektriske ventilen og sanntidsstyringen mellom høyspenningsbatteriet og motoren. Den omformer likestrøm til presist tidsstyrt motorstrøm, snur energien ved regenerering og håndhever drivenhetens elektriske og termiske grenser.
Fra batteriets likestrøm til styrt motorstrøm
De fleste personbilmotorer har tre statorfaser. En vanlig tonivåomformer har tre halvbroer med øvre og nedre halvlederbryter. Ved å svitsje de seks enhetene presist påføres positiv, negativ eller null effektiv spenning til hver fase.
Bølgeformen er pulset, ikke en perfekt sinus. Motorens induktans glatter mye av strømmen, mens pulsbreddemodulering styrer grunntonen. En DC-mellomkretskondensator nær modulen leverer raske pulser og begrenser spenningsrippel ved batterikablene.
Omformeren har også portdrivere, strøm- og spenningssensorer, prosessor, samleskinner, kondensatorer, EMC-filter, kjøleflater og vern. Lav elektrisk induktans i pakkingen er viktig, ellers kan rask svitsjing skape skadelig overspenning.
Moment styres gjennom strøm
Kjøretøystyringen ber om positivt eller negativt moment. Motorstyringen oversetter dette til fasestrømmål og respekterer batterikraft, grep, rotorfart, spenning, strøm, temperatur og komponentgrenser.
Feltorientert styring viser målte strømmer på akser som roterer med magnetfeltet. Én komponent styrer hovedsakelig moment, den andre fluks. Fordelingen avhenger av motoren: induksjon trenger magnetiseringsstrøm, en innvendig PMSM bruker reluktansmoment, og elektrisk eksitasjon legger til rotorstrøm.
Beregningen gjentas tusenvis av ganger per sekund. Rotorposisjon kommer fra resolver, enkoder eller modellestimator. Små feil i posisjon, måling, timing eller parametere øker rippel og tap eller reduserer stabilitet.
Grunnhastighet, feltsvekking og regenerering
Ved lav og middels fart begrenser strøm og varme vanligvis momentet. Når farten stiger, nærmer mot-EMF seg tilgjengelig spenning. Styringen svekker feltet og bytter noe strømkapasitet og effektivitet mot større arbeidsområde.
Ved regenerativ bremsing styrer omformeren negativt moment og omformer motorens flerfaseutgang til DC for batteriet. Maskinvaren er toveis, men grep, motor- og omformertemperatur, ladetilstand, batteritemperatur og batteristyring kan begrense effekten.
Silisium-IGBT og silisiumkarbid-MOSFET
Høyspenningsomformere har brukt silisium-IGBT mye. Mange nye høyytelsesenheter bruker silisiumkarbid-MOSFET. SiC kan svitsje raskere og redusere svitsje- og ledetap i egnede områder, som gir bedre effektivitet, høyere frekvens eller mindre kjøling og passivdeler.
De er ikke tapsfrie. Areal, på-motstand, portstyring, hastighet, diode, temperatur, spenningsklasse, strøm, EMC, isolasjonsstress, kostnad og produksjonsutbytte påvirker resultatet. Rask svitsjing krymper noen deler, men kan øke fellesmodusspenning og lagerstrøm.
Porsche Taycan Turbo GT er et serieeksempel: Porsche spesifiserer silisiumkarbid i pulsomformerne og tilskriver endringen bedre effektivitet.
Spenning, strøm og svitsjefrekvens
Ved gitt effekt kan høyere spenning redusere strøm, resistive tap og lederstørrelse, men «800 volt» beviser ikke alene bedre effektivitet. Halvleder, modulering, vikling, busspenning gjennom ladetilstanden, kjøling og driftspunkt teller.
Frekvens gir et annet kompromiss. Høyere frekvens reduserer strømrippel og hørbare komponenter og kan gi mindre passivdeler. Hver overgang bruker energi, så for hyppig svitsjing øker tapet. Optimum varierer med fart, moment, temperatur og støykrav.
Hvor omformertapene oppstår
Hovedtapene er ledetap når en halvleder fører strøm og svitsjetap i overgangene. Drivere, kondensatorer, skinner, filtre, elektronikk og pumper tilfører mindre tap. Harmonisk strøm kan også øke kobber-, jern- og magnettap i motoren.
Annonsert toppeffektivitet, noen ganger nær 98%, beskriver ett område under gitte vilkår. Nyttig mål er kartet for motor og omformer over reell fart og moment. Ett prosentpoeng tap ved 200 kW er 2 kW varme, så små forskjeller blir stor kjølelast.
Kjøling, pålitelighet og vern
Effektmoduler væskekjøles vanligvis gjennom bunnplate eller direktekjølt substrat. Overgangstemperaturen endres mye raskere enn kjølevæsken, så programvaren kombinerer sensorer og varmemodeller.
Omformeren må oppdage overstrøm, kortslutning, over- og underspenning, tap av posisjon, kjøle- og isolasjonsfeil og urimelige signaler. Ved alvorlig feil kan den stanse på mikrosekunder. DC-kondensatoren må utlades sikkert når høyspentsystemet åpnes.
Integrasjon på eller i drivenheten forkorter fasekabler og kjøleveier og reduserer masse og forstyrrelser, men utsetter elektronikken for varme og vibrasjon og kan vanskeliggjøre service.
Slik leses omformerspesifikasjoner
Nyttige data er DC-spenningsområde, topp- og kontinuerlig fasestrøm, halvlederteknologi, svitsjestrategi, kjølebetingelser, toppvarighet, grense for effekttetthet og effektivitetskart. «Maks ampere» alene sier ikke effekt fordi motorspenning, strømvinkel, fart og varmegrenser varierer.
Lucid Motors-videoen forklarer komponentdesignet:
Gå tilbake til Electric Motors and Drive Units.