Traktionsväxelriktare i elbilar
Traktionsväxelriktaren är den elektriska ventilen och realtidsstyrningen mellan högspänningsbatteriet och motorn. Den omvandlar likström till exakt tidsstyrd motorström, vänder energiflödet vid regenerering och upprätthåller drivenhetens elektriska och termiska gränser.
Från batteriets likström till styrd motorström
De flesta personbilsmotorer har tre statorfaser. En vanlig tvånivåväxelriktare har tre halvbryggor med övre och nedre halvledarbrytare. Genom exakt switchning av de sex enheterna läggs positiv, negativ eller noll effektiv spänning på varje fas.
Vågformen är pulserad, inte en perfekt sinus. Motorinduktansen jämnar ut mycket av strömmen och pulsbreddsmodulering styr grundspänning och ström. En DC-länkkondensator nära modulen levererar snabba pulser och begränsar spänningsrippel vid batterikablarna.
Växelriktaren innehåller även grinddrivare, sensorer, processor, strömskenor, kondensatorer, EMC-filter, kylgränssnitt och skydd. Låg elektrisk induktans i paketet är viktig, annars kan snabb switchning skapa skadlig överspänning.
Moment styrs genom ström
Fordonsstyrningen begär positivt eller negativt moment. Motorstyrningen översätter detta till fasströmsmål och respekterar batterikraft, grepp, rotorhastighet, spänning, ström, temperatur och komponentgränser.
Fältorienterad styrning visar uppmätta strömmar på axlar som roterar med magnetfältet. En komponent styr främst moment och den andra flöde. Fördelningen beror på motorn: induktion behöver magnetiseringsström, en invändig PMSM utnyttjar reluktansmoment och elektrisk excitation tillför rotorström.
Beräkningen upprepas tusentals gånger per sekund. Rotorläget kommer från resolver, kodare eller modellestimator. Små fel i läge, mätning, tid eller parametrar ökar rippel och förlust eller minskar stabilitet.
Bashastighet, fältförsvagning och regenerering
Vid låg och medelhög hastighet begränsar ström och värme vanligen momentet. När hastigheten stiger närmar sig mot-EMK tillgänglig spänning. Styrningen försvagar fältet och byter en del strömkapacitet och effektivitet mot större område.
Vid regenerativ bromsning styr växelriktaren negativt moment och omvandlar motorns flerfasutgång till DC för batteriet. Hårdvaran är dubbelriktad, men grepp, motor- och växelriktartemperatur, laddnivå, batteritemperatur och batteristyrning kan begränsa effekten.
Kisel-IGBT och kiselkarbid-MOSFET
Högspänningsväxelriktare har länge använt kisel-IGBT. Många nya högprestandaenheter använder kiselkarbid-MOSFET. SiC kan switcha snabbare och minska switch- och ledningsförlust i lämpliga områden, vilket ger bättre effektivitet, högre frekvens eller mindre kylning och passivdelar.
De är inte förlustfria. Yta, på-resistans, grindstyrning, hastighet, diod, temperatur, spänningsklass, ström, EMC, isolationsstress, kostnad och produktionsutbyte påverkar resultatet. Snabb switchning krymper vissa delar men kan öka gemensammodsspänning och lagerström.
Porsche Taycan Turbo GT är ett serieexempel: Porsche specificerar kiselkarbid i pulsväxelriktarna och tillskriver ändringen bättre effektivitet.
Spänning, ström och switchfrekvens
Vid given effekt kan högre spänning minska ström, resistiv förlust och ledarstorlek, men ”800 volt” bevisar inte ensamt bättre effektivitet. Halvledare, modulering, lindning, busspänning över laddnivå, kylning och driftspunkt räknas.
Frekvens ger en annan avvägning. Högre frekvens minskar strömrippel och hörbara delar och kan ge mindre passivdelar. Varje övergång förbrukar energi, så för tät switchning ökar förlusten. Optimum varierar med hastighet, moment, temperatur och ljudkrav.
Var växelriktarförluster uppstår
Huvudförlusterna är ledningsförlust när en halvledare för ström och switchförlust i övergångar. Drivare, kondensatorer, skenor, filter, elektronik och pumpar tillför mindre förluster. Harmonisk ström kan också öka motorns koppar-, järn- och magnetförlust.
Angiven toppeffektivitet, ibland nära 98%, beskriver ett område under givna villkor. Användbart är kartan för motor och växelriktare över verklig hastighet och moment. En procentenhets förlust vid 200 kW är 2 kW värme, så små skillnader blir stor kylbelastning.
Kylning, tillförlitlighet och skydd
Effektmoduler vätskekyls vanligen genom bottenplatta eller direktkylt substrat. Övergångstemperaturen ändras mycket snabbare än kylvätskan, så programvaran kombinerar sensorer och värmemodeller.
Växelriktaren måste upptäcka överström, kortslutning, över- och underspänning, förlorat läge, kyl- och isolationsfel och orimliga signaler. Vid allvarligt fel kan den stänga av på mikrosekunder. DC-kondensatorn måste laddas ur säkert när högspänningssystemet öppnas.
Integration på eller i drivenheten förkortar faskablar och kylvägar och minskar massa och störningar, men utsätter elektroniken för värme och vibration och kan försvåra service.
Att läsa växelriktarspecifikationer
Nyttiga data är DC-spänningsområde, topp- och kontinuerlig fasström, halvledarteknik, switchstrategi, kylvillkor, toppvaraktighet, gräns för effekttäthet och effektivitetskarta. ”Max ampere” anger inte effekt eftersom motorspänning, strömvinkel, hastighet och värmegränser varierar.
Lucid Motors-videon förklarar komponentdesignen:
Gå tillbaka till Electric Motors and Drive Units.