Inversor trifàsic de vehicle elèctric: incògnit etern

2024/03/14 Iker Aretxabaleta Astoreka - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Endika Robles Perez - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Jon Andreu Larrañaga - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Markel Fernandez Zubizarreta - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Asier Matallana Fernandez - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Ingeniaritza
• Garraioak

El sistema de propulsió d'un vehicle elèctric consta principalment de tres components: bateria, inversor de potència i motor elèctric. Alguns vehicles poden substituir les bateries per piles d'hidrogen o, en vehicles híbrids no endollables, el carregador elèctric pot quedar a un costat. No obstant això, és fonamental destacar que tots els vehicles de tracció elèctrica disposen d'un accionament (drive en anglès) compost per un motor elèctric i un inversor de potència.

La bateria emmagatzema l'energia necessària per al funcionament del vehicle, en l'actualitat predominen les bateries d'ió liti (Li-Ion) i ferrofosfato de liti (LFP). D'altra banda, el motor elèctric funciona com a element de tracció per a transformar l'energia elèctrica en energia mecànica. Les principals tecnologies de motor són les màquines síncrones d'imants permanents (PMSM) i les màquines d'inducció (IM) [1, 2].

Quant a l'inversor, exerceix un paper fonamental en transformar el corrent continu procedent de la bateria (DC) en corrent altern (AC), la forma d'energia que utilitza el motor elèctric. Encara que cada component del sistema de propulsió exerceix una funció essencial, existeix una tendència a menysprear la importància de l'inversor, però la seva aportació també és decisiva. Sense ella no seria possible transformar l'energia emmagatzemada en les bateries a una forma que pugui ser utilitzada pel motor elèctric.

Inversor de potència

L'inversor pot considerar-se un element central del sistema de propulsió, ja que s'encarrega del control del flux d'energia bidireccional entre la bateria i el motor elèctric i actua com a mitjà. L'inversor consta de diverses parts:

1. Mòdul de potència. Es denomina "cor elèctric" del vehicle. Dins d'aquest mòdul es troben els semiconductors de potència com MOSFET i IGBTs. Aquests compleixen el rol d'interruptors electrònics que controlen el flux de corrent elèctric. La commutació ràpida (en IE 10-20 kHz) permet optimitzar el rendiment del sistema. Robles et al. En el treball 2022 [3] realitzem una anàlisi exhaustiva de les alternatives i tecnologies de mòduls de potència i dispositius semiconductors.

2. Condensador del bus DC. L'inversor de potència té una connexió en tensió contínua, coneguda com a "DC bus", que pot contenir un o diversos condensadors. D'alguna manera, els condensadors aconsegueixen desacoblar l'inversor de la bateria, suavitzant les formes d'ona (corrent i tensió) degudes a la commutació de semiconductors de potència. Entre les tecnologies, es prefereixen els condensadors de pel·lícula metal·litzada de polipropilè en vehicles elèctrics per seguretat i robustesa. Analitzem detalladament la tecnologia d'aquests elements reactius, Matallana et al. Treballant en 2019 [4].

3. Refrigeració. La gestió tèrmica és fonamental per a garantir el rendiment i la vida dels semiconductors de potència dels vehicles elèctrics. En el cas dels inversors, la presència simultània de corrents i tensions produeix calor en produir-se pèrdues de potència, la qual cosa repercuteix en la vida útil dels semiconductors. Els sistemes de refrigeració per aire són fàcilment implementables, però a vegades no satisfan les demandes del sector d'automoció. La majoria dels fabricants prefereixen solucions de refrigeració líquida, ja que ofereixen major dissipació tèrmica. Vam fer una revisió exhaustiva d'aquests mètodes d'extracció de calor, Robles et al. Treballant en 2022 [3].

4. Targeta Driver. Aquest element està compost majoritàriament per circuits digitals i actua com si fos el "cervell" del sistema, controlant les commutacions de semiconductors de potència. És important perquè sincronitza l'encesa i apagada dels semiconductors. A més, supervisa permanentment la temperatura i el corrent dels mòduls de potència, garantint així la seguretat del sistema.

 

Funcionament de l'inversor de potència

Per a comprendre el funcionament de l'inversor, és útil descriure'l com a traductor. Imagina que la bateria i el motor són dues persones que parlen diferents idiomes. L'inversor actua com a traductor entre tots dos perquè la bateria i els motors s'entenguin com si estiguessin en el mateix idioma. Però tècnicament, com funciona un inversor?

Per a controlar la velocitat d'un motor elèctric s'utilitza la tècnica de modulació de l'ample d'impuls (PWM) [5] en els inversors. Aquesta tècnica funciona canviant la durada dels polsos de tensió que s'envien al motor. L'alta velocitat de commutació permet al motor filtrar aquest senyal, obtenint corrents sinusoidals i fent girar el motor sense produir "soroll elèctric". Quan es desitja una velocitat menor, els polsos de tensió són més curts, mentre que per a una velocitat major són més llargs. Això genera corrents sinusoidals de menor amplitud.

Reptes d'enginyeria i avanços

Al llarg del temps, l'enginyeria d'inversors ha impulsat avanços significatius per a fer front als reptes plantejats. Al principi, els transistors bipolars d'unió (BJT) van permetre la commutació del corrent, però les prestacions no eren les millors en velocitat i eficiència. Més endavant, la creació dels transistors MOSFET (1959) i IGBT (1979) va superar aquests reptes, aconseguint una major eficàcia, velocitat i capacitat de transformació de l'energia. La implementació de la modulació de l'ample d'impuls (PWM) va millorar el control de sortida de l'inversor i va aconseguir reduir les pèrdues energètiques. D'altra banda, el control digital, aconseguint millorar els primers processadors inventats en els anys 70, va millorar la resposta dinàmica en passar als xips DPS i FPGA d'última generació. Aquests avanços han transformat la gestió de l'energia elèctrica i tot tipus d'aplicacions (eòlica, màquina-eina, tracció ferroviària) han permès l'ús massiu de l'inversor en aplicacions modernes, fins i tot en vehicles elèctrics.

Tendències de futur i innovacions en inversors de potència

Una de les principals tendències dels vehicles elèctrics és l'optimització de la densitat de potència. Els enginyers treballen intensament perquè els inversors siguin més robustos i més lleugers de pes per a aconseguir vehicles elèctrics més eficients i dinàmics. Això incideix directament en l'autonomia, aconseguint un major nivell d'autonomia, oferint major llibertat de conducció als usuaris i reduint les preocupacions relacionades amb la recàrrega de la bateria.

Per a aconseguir aquestes prestacions és fonamental la incorporació de nous semiconductors basats en carbur de silici (Sic) en els inversors, més eficients que els de silici (Si). La introducció de semiconductors Sic afavoreix la durabilitat i fiabilitat dels inversors per ser més forts.

A més, l'evolució cap a sistemes de càrrega més ràpids i eficients altera la percepció de recàrrega dels vehicles elèctrics. La capacitat de càrrega ràpida i els nous avanços dels inversors permetran als conductors carregar els seus vehicles de forma més ràpida, eliminant els obstacles associats al temps de càrrega i millorant la pràctica diària dels vehicles elèctrics.

En aquest sentit, l'arribada de bateries de 800 V està revolucionant la càrrega ràpida i millorant l'eficiència dels inversors. Aquests nivells de tensió permeten una càrrega més ràpida i permeten l'obtenció de motors més eficients i robustos, dotant als conductors de major autonomia i experiència de conducció.

A més, la tecnologia Vehicle-to-Everything (V2X), que permet la transmissió d'energia emmagatzemada en la bateria de vehicles elèctrics a tots els dispositius, destaca com una innovació transformadora en els inversors. Aquesta tecnologia permet als conductors utilitzar l'energia dels seus vehicles de manera flexible, ja que podran carregar o alimentar dispositius electrònics fora de casa.

Com a conclusió, es pot afirmar que les tendències futures dels vehicles elèctrics i dels inversors de potència estan interrelacionades i que en el futur la mobilitat elèctrica, a més de ser sostenible, serà més accessible per a tots. Des d'una major autonomia fins a temps de càrrega més ràpids, la integració de tecnologies innovadores està configurant una situació prometedora que transformarà la mobilitat elèctrica.

Contribució del sector industrial basc

La indústria basca s'ha convertit en un referent en innovació i tecnologia, especialment en el desenvolupament de sistemes de propulsió per a vehicles elèctrics. Els clústers de les empreses CIE automotivi, JEMA Energy, Irizar/Creatio, GKN Driveline, CAF i ACICAE, entre altres, han estat de vital importància per la seva estreta col·laboració amb fabricants (OEM) i proveïdors globals per a impulsar avanços en sistemes de propulsió elèctrica.

L'especialització d'Ingeteam o JEMA en tecnologies de semiconductors avançats i estratègies de control intel·ligent ha consolidat a la indústria basca com a líder en aquest sector. Així mateix, els centres tecnològics Tecnalia, Tekniker i Ikerlan han contribuït de manera important a l'avanç mitjançant la realització de recerques innovadores en sistemes de gestió de bateries. Aquests són imprescindibles per a optimitzar el rendiment i la durabilitat dels sistemes de propulsió.

Per part nostra, els membres del grup de recerca APERT de la UPV/EHU seguim compromesos amb l'excel·lència, treballant activament en convertidors d'energia i circuits de control. Al costat de les empreses líders en la indústria basca, treballem millores en elements tan importants com l'inversor de potència del vehicle elèctric i aportem a la sostenibilitat futura a nivell global.

Bibliografia

[1] LÓPEZ, I. ET AL (2019). Next generation electric drives for HEV/EV propulsion systems: Technology, trends and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 114, pàg. 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 pàg. 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, ez. 15, pàg. 22222–22265.

[4] MATALLANA, A., ET AL (2019). Power moduli electronics in HEV/EV applications: Tecnologies i design aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113, pàg. 1-33.

[5] FERNÁNDEZ, M., ET AL (2023). Proposal of discontinuous technique for five-phase inverters under open-phase fault operation, Machines, vol. 11, ez. 3, pàg. 1-13.

[6] ROBLES, E. (2022). Other potential, electric vehicles device tracking the other operation remains. Tesi doctoral UPV/EHU.