Ibilgailu elektrikoaren inbertsore trifasikoa: betiereko ezezaguna

Ibilgailu elektriko baten propultsio-sistemak, nagusiki, hiru osagai ditu: bateria, potentzia-inbertsorea eta motor elektrikoa. Ibilgailu batzuek hidrogeno-pilak erabil ditzakete baterien ordez, edo, entxufagarriak ez diren ibilgailu hibridoetan, kargagailu elektrikoa alde batera gera daiteke. Hala ere, funtsezkoa da nabarmentzea trakzio elektrikoa duten ibilgailu guztiek eragingailu bat dutela (drive ingelesez), motor elektrikoak eta potentzia-inbertsoreak osatua.

Bateriak biltegiratzen du ibilgailuak funtzionatzeko behar duen energia; egun litio-ioizko (Li-Ion) eta litio-ferrofosfatozko (LFP) bateriak dira nagusi. Bestalde, motor elektrikoak trakzio-elementu gisa funtzionatzen du, energia elektrikoa energia mekaniko bihurtzeko. Motor-teknologia nagusiak iman iraunkorren makina sinkronoak (PMSM) eta indukzio-makinak (IM) dira [1, 2].

Inbertsoreari dagokionez, funtsezko eginkizun bat betetzen du bateriatik datorren korronte zuzena (DC) korronte alterno (AC) bihurtzean, hori baita motor elektrikoak erabiltzen duen energia-forma. Propultsio-sistemaren osagai bakoitzak ezinbesteko funtzio bat betetzen badu ere, inbertsorearen garrantzia gutxiesteko joera dago, baina haren ekarpena ere erabakigarria da. Hura gabe ezinezkoa litzateke baterietan biltegiratutako energia motor elektrikoak erabil dezakeen forma batera eraldatzea.

Infineon fabrikatzailearen potentzia-inbertsorearen prototipo komertziala.

Potentzia-inbertsorea

Inbertsorea propultsio-sistemaren elementu zentraltzat har daiteke; izan ere, bateriaren eta motor elektrikoaren arteko bi norabideko energia-fluxua kontrolatzeaz arduratzen da, eta bitarteko gisa jarduten du. Inbertsoreak zenbait zati ditu:

1. Potentzia-modulua. Ibilgailuaren "bihotz elektrikoa" esaten zaio. Modulu honen barruan, potentzia-erdieroaleak daude, hala nola MOSFETak eta IGBTak. Horiek korronte elektrikoaren fluxua kontrolatzen duten etengailu elektronikoen rola betetzen dute. Kommutazio azkarrak (10-20 kHz IEetan) sistemaren errendimendua optimizatzea ahalbidetzen du. Robles et al. 2022 lanean [3] potentzia-moduluen eta gailu erdieroaleen hautabideen eta teknologien azterketa sakona egin genuen.

2. DC busaren kondentsadorea. Potentzia-inbertsoreak tentsio zuzeneko konexioa du; "DC bus " izenez ezagutzen da, eta kondentsadore bat edo gehiago izan ditzake. Nolabait esateko, kondentsadoreek inbertsorea bateriatik desakoplatzea lortzen dute, eta, hala, potentzia-erdieroaleen kommutazioak eragindako uhin-formak (korrontea eta tentsioa) leuntzen dituzte. Teknologien artean, polipropilenozko film metalizatuko kondentsadoreak hobesten dira ibilgailu elektrikoetan, segurtasuna eta sendotasuna direla eta. Elementu erreaktibo horien teknologia xehetasunez aztertu genuen Matallana et al. 2019 lanean [4].

3. Hozte-sistema. Kudeaketa termikoa funtsezkoa da ibilgailu elektrikoetako potentzia-erdieroaleen errendimendua eta bizi-iraupena bermatzeko. Inbertsoreen kasuan, denbora-une berean korronteak eta tentsioak egoteak beroa sortzen du, potentzia-galerak gertatzen baitira, eta horrek eragina du erdieroaleen balio-bizitzan. Aire bidezko hozte-sistemak erraz inplementa daitezke, , baina batzuetan ez dituzte asetzen automobilgintza-sektorearen eskaerak. Fabrikatzaile gehienek nahiago dituzte hozte likidoko soluzioak, bero-disipazio handiagoa eskaintzen baitute. Beroa ateratzeko metodo horien berrikuspen zehatza egin genuen Robles et al. 2022 lanean [3].

4. Driver txartela. Elementu hau zirkuitu digitalez osatuta dago gehienbat, eta sistemaren "garuna" balitz bezala jokatzen du, potentzia-erdieroaleen kommutazioak kontrolatuz. Erdieroaleen piztea eta itzaltzea sinkronizatzen du, eta horregatik da garrantzitsua. Gainera, potentzia-moduluen tenperatura eta korrontea etengabe gainbegiratzen du, eta, hala, sistemaren segurtasuna bermatzen du.

Potentzia-inbertsorearen funtzionamendua

Inbertsorearen funtzionamendua ulertzeko, lagungarri da itzultzaile gisa deskribatzea. Imajinatu bateria eta motorra hizkuntza desberdinak hitz egiten dituzten bi pertsona direla. Inbertsoreak bien arteko itzultzaile gisa jokatzen du, bateriak eta motorrak hizkuntza berean ari balira bezala elkar uler dezaten. Baina, teknikoki, nola funtzionatzen du inbertsore batek?

Inbertsore baten funtzionamendua PWM modulazio-teknika erabiliz.

Motor elektriko baten abiadura kontrolatzeko, teknika hau erabiltzen da inbertsoreetan: pultsu-zabaleraren modulazioa (PWM) [5]. Teknika horrek motorrera bidaltzen diren tentsio-pultsuen iraupena aldatuz funtzionatzen duena. Kommutazio-abiadura handiak motorrari aukera ematen dio seinale hori iragazteko; hala, korronte sinusoidalak lortzen dira, eta motorra birarazten da "zarata elektrikorik" sortu gabe. Abiadura txikiagoa nahi denean, tentsio-pultsuak laburragoak dira, eta abiadura altuagoa izateko, aldiz, luzeagoak dira. Horrek anplitude txikiagoko korronte sinusoidalak sortzen ditu.

Ingeniaritza-erronkak eta aurrerapenak

Denboran zehar, inbertsoreen ingeniaritzak aurrerapen esanguratsuak bultzatu ditu azaldu izan diren erronkei aurre egiteko. Hasiera batean, juntura-transistore bipolarrek (BJT) korrontearen kommutazioa ahalbidetu zuten, baina abiadura eta efizientzia aldetik prestazioak ez ziren hoberenak. Aurrerago, MOSFET (1959an) eta IGBT (1979) transistoreen sorrerak erronka horiek gainditu zituen, eta eraginkortasun, abiadura eta energia eraldatzeko ahalmen handiagoa lortu zen. Pultsu-zabaleraren modulazioaren (PWM) inplementazioak inbertsorearen irteeraren kontrola hobetu zuen, eta energia-galerak murriztea lortu zuen. Bestalde, kontrol digitalak, 70eko hamarkadan asmatutako lehen prozesadoreak hobetzea lortuta, erantzun dinamikoa hobetu zuen, azken belaunaldiko DPS eta FPGA txipetara pasatzean. Aurrerapen horiek energia elektrikoaren kudeaketa eraldatu dute, eta era guztietako aplikazioek (eolikoa, makina-erreminta, trenen trakzioa) inbertsorearen erabilera masiboa ahalbidetu dute aplikazio modernoetan, baita ibilgailu elektrikoetan ere.

Potentzia-inbertsoreen etorkizuneko joerak eta berrikuntzak

Ibilgailu elektrikoen joera nagusietako bat potentzia-dentsitatea optimizatzea da. Ingeniariak gogor ari dira lanean inbertsoreak sendoagoak eta pisuz arinagoak izan daitezen, horri esker ibilgailu elektriko eraginkorrago eta dinamikoagoak lortzeko. Horrek zuzenean eragiten du autonomian; hala, autonomia-maila handiagoa lortzen da, erabiltzaileei gidatzeko askatasun handiagoa eskaintzez zaie eta bateria birkargatzearekin lotutako kezkak murrizten dira.

Prestazio horiek lortzeari begira, funtsezkoa da silizio karburoan (SiC) oinarritutako erdieroale berriak inbertsoreetan sartzea, siliziozkoak (Si) baino eraginkorragoak baitira. SiC erdieroaleak sartzeak inbertsoreen iraunkortasunari eta fidagarritasunari laguntzen die, sendoagoak baitira.

Gainera, karga-sistema azkarragoak eta eraginkorragoak lortzeko bilakaerak ibilgailu elektrikoen birkargaren pertzepzioa eraldatzen du. Azkar kargatzeko gaitasunari esker, eta inbertsoreen aurrerapen berriei esker, gidariek azkarrago kargatu ahal izango dituzte beren ibilgailuak; hala, kargatzeko denborarekin lotutako oztopoak desagertuko dira, eta ibilgailu elektrikoen eguneroko praktikotasuna hobetuko da.

Zentzu horretan, 800 V-eko baterien etorrera karga azkarra iraultzen eta inbertsoreen eraginkortasuna hobetzen ari da. Tentsio-maila horiek karga azkarragoa ahalbidetzen dute, eta, horrez gain, motor eraginkorragoak eta sendoagoak lortzea ahalbidetzen dute, eta gidariei autonomia handiagoa eta gidatze-esperientzia hobea ematen diete.

Inbertsoreen merkatuaren aurreikuspena teknologiaren arabera, automobilgintza sektoreko datuetan oinarrituta [6].

Gainera, Vehicle-to-Everything (V2X) teknologia, ibilgailu elektrikoen baterian gordetako energia gailu guztietara transmititzea ahalbidetzen duena, berrikuntza eraldatzaile gisa nabarmentzen da inbertsoreei dagokienez. Teknologia horrek gidariei aukera ematen die beren ibilgailuen energia modu malguan erabiltzeko, gailu elektronikoak kargatu edo elikatu ahal izango baitituzte etxetik kanpo.

Ondorio gisa, esan daiteke ibilgailu elektrikoen eta potentzia-inbertsoreen etorkizuneko joerak elkarri lotuta daudela, eta etorkizunean mugikortasun elektrikoa, jasangarria izateaz gain, guztiontzat irisgarriagoa ere izango dela. Autonomia handiagotik hasi eta kargatzeko denbora azkarragoetaraino, teknologia berritzaileen integrazioa etorkizun handiko egoera ari da eratzen, eta horrek mugikortasun elektrikoa eraldatuko du.

EAEko industria-sektorearen ekarpena

EAEko industria erreferente bihurtu da berrikuntzan eta teknologian; bereziki, ibilgailu elektrikoetarako propultsio-sistemen garapenean. CIE Automotive, JEMA Energy, Irizar/Creatioa, GKN Driveline, CAF eta ACICAE enpresen klusterrak, besteak beste, berebiziko garrantzia izan dute, fabrikatzaileekin (OEM) eta hornitzaile globalekin lankidetza estuan jardun dutelako propultsio elektrikoko sistemetan aurrerapenak bultzatzeko.

Ingeteam edo JEMA enpresak erdieroale aurreratuen teknologietan eta kontrol adimenduneko estrategietan espezializatzeak sendotu egin du euskal industria sektore horretako lider gisa. Halaber, Tecnalia, Tekniker eta Ikerlan zentro teknologikoek nabarmen lagundu dute aurrera egiten, bateriak kudeatzeko sistemetan ikerketa berritzaileak eginez. Horiek ezinbestekoak dira propultsio-sistemen errendimendua eta iraunkortasuna optimizatzeko.

Gure aldetik, EHUko APERT ikerketa-taldeko kideok bikaintasunarekin konprometituta jarraitzen dugu, energia-bihurgailuetarako eta kontroleko zirkuituetan aktiboki lan eginez. Euskal industriako enpresa liderrekin batera, hobekuntzak lantzen ditugu zenbait elementu garrantzitsutan, hala nola ibilgailu elektrikoaren potentzia-inbertsorean, eta ekarpenak egiten dizkiogu etorkizuneko jasangarritasunari, maila globalean.

Bibliografia

[1] LOPEZ, I., ET AL (2019). Next generation electric drives for HEV/EV propulsion systems: Technology, trends and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 114, pp. 1-23.

[2] ARETXABALETA. I., ET AL (2021). High-voltage stations for electric vehicle fast-charging: trends, standards, charging modes and comparison of unity power-factor rectifiers. IEEE Access, vol. 9, pp. 102177-102194.

[3] ROBLES, E., ET AL (2022). The role of power device technology in the electric vehicle powertrain. International Journal of Energy Research, vol. 46, no. 15, pp. 22222–22265.

[4] MATALLANA, A., ET AL (2019). Power module electronics in HEV/EV applications: New trends in wide-bandgap semiconductor technologies and design aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113, pp. 1-33.

[5] FERNANDEZ, M., ET AL (2023). Proposal of discontinuous PWM technique for five-phase inverters under open-phase fault operation, Machines, vol. 11, no. 3, pp. 1-13.

[6] ROBLES, E. (2022). Nuevo convertidor de potencia para la reducción de los problemas derivados de la tensión de modo común en el tren de tracción de los vehículos eléctricos. Tesis Doctoral UPV/EHU.