Inversores de tração em veículos elétricos
O inversor de tração é a válvula elétrica e o controlador em tempo real entre a bateria de alta tensão e o motor. Converte corrente contínua em corrente do motor precisamente temporizada, inverte o fluxo na regeneração e impõe os limites elétricos e térmicos da unidade.
Da corrente contínua da bateria à corrente controlada do motor
A maioria dos motores de automóveis usa três fases. Um inversor comum de dois níveis tem três meias pontes, cada uma com interruptor semicondutor superior e inferior. Ao comutar os seis dispositivos com precisão, aplica tensão efetiva positiva, negativa ou nula a cada fase.
A forma de onda é pulsada, não uma senoide perfeita. A indutância suaviza grande parte da corrente e a modulação por largura de impulso controla tensão e corrente fundamentais. Um condensador do barramento CC junto ao módulo fornece impulsos rápidos e limita a ondulação vista pelos cabos.
O conjunto inclui ainda drivers de gate, sensores, processador, barramentos, condensadores, filtro CEM, interfaces de arrefecimento e proteção. Uma embalagem de baixa indutância é essencial, pois a comutação rápida pode criar sobretensões nocivas.
O binário é controlado pela corrente
O controlador do veículo pede binário positivo ou negativo. O controlador do motor traduz-o em alvos de corrente de fase, respeitando potência da bateria, aderência, velocidade, tensão, corrente, temperatura e limites.
O controlo orientado pelo campo representa as correntes em eixos que rodam com o campo magnético. Uma componente controla principalmente o binário e outra o fluxo. A divisão depende do motor: indução precisa de corrente magnetizante, um PMSM interior usa relutância e um motor excitado acrescenta corrente de rotor.
O cálculo repete-se milhares de vezes por segundo. A posição vem de resolver, codificador ou estimador. Pequenos erros de posição, medição, tempo ou parâmetros aumentam ondulação e perdas ou reduzem estabilidade.
Velocidade base, enfraquecimento do campo e regeneração
A baixa e média velocidade, corrente e calor costumam limitar o binário. Com o aumento da velocidade, a força contraeletromotriz aproxima-se da tensão disponível. O controlo enfraquece o campo, trocando alguma capacidade e eficiência por uma gama maior.
Na travagem regenerativa, o inversor controla binário negativo e converte a saída multifásica em CC para a bateria. O hardware é bidirecional, mas aderência, temperaturas, estado de carga e gestão da bateria podem limitar a potência recuperada.
IGBT de silício e MOSFET de carboneto de silício
Inversores de alta tensão usaram muito IGBT de silício. Muitas unidades novas usam MOSFET de carboneto de silício. O SiC comuta mais depressa e pode reduzir perdas de comutação e condução, permitindo maior eficiência, frequência ou sistemas de arrefecimento e passivos menores.
Não são isentos de perdas. Área, resistência, gate, velocidade, díodo, temperatura, classe de tensão, corrente, CEM, isolamento, custo e rendimento de fabrico contam. Comutação rápida reduz peças, mas pode aumentar tensão de modo comum e correntes nos rolamentos.
O Porsche Taycan Turbo GT é um exemplo de série: a Porsche especifica carboneto de silício nos inversores de impulsos e atribui-lhe melhor eficiência.
Tensão, corrente e frequência de comutação
À mesma potência, maior tensão pode reduzir corrente, perdas resistivas e condutores, mas «800 volt» não prova sozinho maior eficiência. Semicondutor, modulação, enrolamento, tensão do barramento conforme a carga, arrefecimento e ponto de funcionamento continuam importantes.
A frequência traz outro compromisso. Frequência superior reduz ondulação e componentes audíveis e pode permitir passivos menores. Cada transição dissipa energia; comutar demasiado aumenta perdas. O ótimo varia com velocidade, binário, temperatura e ruído.
Origem das perdas do inversor
As principais são condução quando o dispositivo leva corrente e comutação em cada transição. Drivers, condensadores, barramentos, filtros, eletrónica e bombas acrescentam perdas menores. Correntes harmónicas também aumentam perdas no cobre, ferro e ímanes do motor.
Uma eficiência de pico anunciada, por vezes perto de 98%, descreve uma região em condições definidas. Útil é o mapa combinado para velocidade e binário reais. Um ponto percentual perdido a 200 kW representa 2 kW de calor; pequenas diferenças criam grande carga de arrefecimento.
Arrefecimento, fiabilidade e proteção
Os módulos são normalmente arrefecidos por líquido através de placa ou substrato direto. A temperatura da junção muda muito mais depressa que a do fluido; o software combina sensores e modelos térmicos.
O inversor deve detetar sobrecorrente, curto-circuito, sobretensão, subtensão, perda de posição, falhas de fluido ou isolamento e sinais implausíveis. Pode desligar em microssegundos num defeito grave. O condensador CC deve ser descarregado em segurança quando o sistema é aberto.
A integração na unidade encurta cabos e caminhos de arrefecimento, reduz massa e interferência, mas expõe a eletrónica a calor e vibração e pode complicar a manutenção.
Ler as especificações
São úteis gama de tensão CC, corrente de fase de pico e contínua, tecnologia, estratégia, condições de arrefecimento, duração de pico, fronteira da densidade e mapa de eficiência. «Amperes máximos» não dizem potência, pois tensão do motor, ângulo da corrente, velocidade e limites térmicos variam.
O vídeo técnico da Lucid Motors explica o projeto por componentes:
Regresse a Electric Motors and Drive Units.