Falowniki trakcyjne w pojazdach elektrycznych
Falownik trakcyjny jest elektrycznym zaworem i sterownikiem czasu rzeczywistego między akumulatorem wysokiego napięcia a silnikiem. Przekształca DC w precyzyjnie taktowany prąd silnika, odwraca przepływ przy rekuperacji i pilnuje granic elektrycznych oraz cieplnych.
Od prądu stałego akumulatora do sterowanego prądu silnika
Większość silników aut ma trzy fazy stojana. Typowy falownik dwupoziomowy ma trzy półmostki z górnym i dolnym łącznikiem. Precyzyjne przełączanie sześciu urządzeń daje każdej fazie dodatnie, ujemne lub zerowe napięcie skuteczne.
Przebieg jest impulsowy, nie idealnie sinusoidalny. Indukcyjność wygładza prąd, a modulacja szerokości impulsu steruje składową podstawową. Kondensator obwodu DC przy module dostarcza szybkie impulsy i ogranicza tętnienia przy kablach.
Całość obejmuje sterowniki bramek, czujniki, procesor, szyny, kondensatory, filtry EMC, chłodzenie i zabezpieczenia. Niska indukcyjność jest kluczowa, bo szybkie przełączanie może tworzyć szkodliwe przepięcia.
Moment jest sterowany prądem
Sterownik pojazdu żąda dodatniego lub ujemnego momentu. Sterownik silnika przekłada to na cele prądu faz, uwzględniając moc akumulatora, przyczepność, prędkość, napięcie, prąd, temperaturę i limity.
Sterowanie wektorowe przedstawia prądy na osiach wirujących z polem. Jedna składowa steruje głównie momentem, druga strumieniem. Podział zależy od silnika: indukcja wymaga prądu magnesującego, wewnętrzny PMSM wykorzystuje reluktancję, a wzbudzenie elektryczne dodaje prąd wirnika.
Obliczenie powtarza się tysiące razy na sekundę. Położenie pochodzi z resolvera, enkodera lub estymatora. Małe błędy położenia, pomiaru, czasu lub parametrów zwiększają pulsacje i straty albo obniżają stabilność.
Prędkość bazowa, osłabianie pola i rekuperacja
Przy niskiej i średniej prędkości prąd i ciepło zwykle ograniczają moment. Gdy prędkość rośnie, siła przeciwelektromotoryczna zbliża się do dostępnego napięcia. Sterowanie osłabia pole, wymieniając część zdolności prądowej i sprawności na szerszy zakres.
Podczas rekuperacji falownik steruje ujemnym momentem i przekształca wielofazową moc w DC dla akumulatora. Sprzęt jest dwukierunkowy, ale przyczepność, temperatury, stan naładowania i zarządzanie baterią mogą ograniczać moc.
Krzemowy IGBT i MOSFET z węglika krzemu
Falowniki wysokiego napięcia szeroko używały krzemowych IGBT. Wiele nowych jednostek stosuje MOSFET z węglika krzemu. SiC przełącza szybciej i może zmniejszać straty przełączania i przewodzenia, dając lepszą sprawność lub częstotliwość i mniejsze elementy.
Nie są bezstratne. Powierzchnia, rezystancja, bramka, szybkość, dioda, temperatura, klasa napięcia, prąd, EMC, izolacja, koszt i uzysk mają znaczenie. Szybsze przełączanie zmniejsza części, ale może zwiększać napięcie wspólne i prądy łożysk.
Porsche Taycan Turbo GT jest przykładem seryjnym: Porsche określa węglik krzemu jako materiał falowników impulsowych i przypisuje mu lepszą sprawność.
Napięcie, prąd i częstotliwość przełączania
Przy tej samej mocy wyższe napięcie może zmniejszać prąd, straty oporowe i przewodniki, lecz „800 volt” samo nie dowodzi sprawności. Półprzewodnik, modulacja, uzwojenie, napięcie obwodu w funkcji naładowania, chłodzenie i punkt pracy pozostają ważne.
Częstotliwość daje kolejny kompromis. Wyższa zmniejsza tętnienia i słyszalne składowe i może pozwalać na mniejsze pasywy. Każde przejście traci energię; zbyt częste przełączanie zwiększa straty. Optimum zmienia się z prędkością, momentem, temperaturą i hałasem.
Skąd biorą się straty
Główne to przewodzenie podczas przepływu prądu i przełączanie w przejściach. Sterowniki, kondensatory, szyny, filtry, elektronika i pompy dodają mniejsze straty. Harmoniczne zwiększają też straty miedzi, żelaza i magnesów silnika.
Podawana sprawność szczytowa, czasem bliska 98%, opisuje jeden obszar w określonych warunkach. Użyteczna jest wspólna mapa dla rzeczywistej prędkości i momentu. Jeden punkt przy 200 kW to 2 kW ciepła; małe różnice wymagają dużo chłodzenia.
Chłodzenie, niezawodność i ochrona
Moduły zwykle chłodzi ciecz przez płytę lub bezpośredni substrat. Temperatura złącza zmienia się szybciej niż cieczy, więc oprogramowanie łączy czujniki i modele cieplne.
Falownik wykrywa nadprąd, zwarcie, nad- i podnapięcie, utratę położenia, błędy chłodzenia lub izolacji i niewiarygodne sygnały. Przy poważnej awarii może wyłączyć się w mikrosekundach. Kondensator DC musi być bezpiecznie rozładowany po otwarciu systemu.
Integracja w jednostce skraca kable i chłodzenie, zmniejsza masę i zakłócenia, lecz wystawia elektronikę na ciepło i drgania i może utrudniać serwis.
Odczytywanie specyfikacji
Użyteczne są zakres napięcia DC, szczytowy i ciągły prąd faz, technologia, strategia, warunki chłodzenia, czas szczytu, granica gęstości i mapa sprawności. „Maksymalne ampery” nie określają mocy, bo zmieniają się napięcie silnika, kąt prądu, prędkość i granice cieplne.
Film techniczny Lucid Motors wyjaśnia projekt komponentów:
Wróć do Electric Motors and Drive Units.