Figura 1: Prototipul invertorului de tracțiune (sursa: Vishay)
Invertoarele de tracțiune sunt esențiale pentru performanța și eficiența transmisiilor electrice și hibride moderne. În special pentru piața din ce în ce mai populară a micromobilității, acestea trebuie să îndeplinească cerințe speciale în ceea ce privește dimensiunea, greutatea, eficiența și costurile.
Micromobilitatea se referă la mijloace de transport ușoare, adesea acționate electric, menite să fie utilizate pe distanțe scurte în mediul urban. Exemplele principale includ trotinetele electrice (e-scooters), bicicletele electrice (e-bikes) și skateboardurile electrice (e-skateboards). Datorită eficienței, confortului și caracterului ecologic, aceste soluții de mobilitate au devenit foarte populare – în special pentru distanțele care sunt prea mari pentru a merge confortabil pe jos, dar prea scurte pentru vehiculele convenționale.
Invertorul de tracțiune este o componentă cheie a sistemului de propulsie al vehiculelor electrice. Acesta convertește curentul continuu (DC) provenit de la bateria vehiculului în curent alternativ (AC), care alimentează motorul electric pentru a acționa roțile. Invertorul de tracțiune gestionează, de asemenea, fluxul de curent de la baterie către motor, controlând viteza, cuplul și frânarea regenerativă. Acesta joacă un rol esențial în determinarea performanței generale, a eficienței și a capacității de reacție a vehiculului.
Ușoare, compacte și eficiente din punct de vedere al costurilor
Micromobilitatea impune cerințe speciale invertoarelor de tracțiune – acestea trebuie să fie compacte, ușoare și capabile să gestioneze eficient cerințele de putere ale motoarelor electrice de dimensiuni reduse. Progresele tehnologice au stimulat dezvoltarea invertoarelor de tracțiune, ducând la modele mai mici, mai ușoare și mai eficiente.
În mod tradițional, pentru conversia de putere erau utilizate invertoare de tracțiune cu tranzistoare bipolare cu poartă de control izolată (IGBT), bazate pe tehnologia cu siliciu (Si). Utilizarea semiconductorilor cu bandă interzisă largă (wide-bandgap) aduce îmbunătățiri semnificative în ceea ce privește eficiența și comportamentul termic: materiale moderne precum carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN) permit frecvențe de comutare mai mari, pierderi de putere mai reduse și o densitate de putere mai mare.
În plus, sunt necesare metode eficiente de răcire pentru a menține performanțele optime și fiabilitatea în condiții de funcționare solicitante. Provocările legate de disiparea căldurii generate în timpul funcționării au fost abordate prin progrese în domeniul gestionării termice.
Proiectare colaborativă
Figura 2: Placa PCB a invertorului de tracțiune. Partea superioară include condensatoarele DC-link MAL218397998E3 (stânga). MOSFET-urile cu răcire pe suprafață sunt montate pe partea inferioară a PCB-ului. Rezistențele Power Metal Strip WSLP5931 (dreapta) sunt amplasate central. (sursa: Vishay)
Împreună cu partenerul său Vishay, divizia Automotive de la Rutronik a dezvoltat un invertor de tracțiune care răspunde cerințelor sistemelor de micromobilitate de 48V (Figura 1). Un pas decisiv l-a reprezentat selecția componentelor adecvate. Pe lângă cerințele actuale ale pieței, termenul “micro” implică și constrângeri legate de dimensiuni. Astfel, la alegerea componentelor au fost luați în considerare factori precum compatibilitatea, disiparea căldurii, solicitarea mecanică și ciclul de viață al componentelor.
Rezultatul este un model de implementare a unui invertor de tracțiune universal, proiectat pentru sisteme electrice de 48V, destinat transmisiilor vehiculelor electrice ușoare din clasa L7e (vehicule cu patru roți, cu o putere maximă de 15 kW și o viteză maximă de peste 45 km/h) și vehiculelor mai mici.
Proiectul de referință utilizează componente de ultimă generație și performanță ridicată, precum: tranzistoare MOSFET de putere, diode TVS, diode de comutație și redresoare, condensatoare, rezistențe, termistori NTC și PTC, precum și filtre de intrare (inductoare și filtre EMI). Invertorul de tracțiune de 48V oferă o putere de ieșire continuă de 10 kW și o putere de vârf de 15 kW. Proiectarea pe o singură placă de circuit imprimat contribuie la reducerea complexității sistemului.
Acest proiect de referință ilustrează arhitectura circuitului (Figura 2) și relevă adecvarea componentelor selectate pentru aplicație (Tabelul 1). Astfel, el servește drept ghid pentru clienți în procesul de selecție a componentelor, atunci când dezvoltă un încărcător similar.
| Tip / Serie | Descriere | Caracteristici | Avantaje |
SQJQ184ER |
MOSFET canal N TrenchFET pentru industria auto | 80V, RDson redusă, RthJC redusă, răcire pe partea superioară, conform AEC-Q101 | Standard auto, consum redus de energie, disipare directă a căldurii prin partea superioară, fără necesitatea disipării prin PCB, material simplificat pentru placa de circuit imprimat, mai puține vias-uri |
WSLP5931, Power Metal Strip |
Rezistență de șunt | Conform AEC-Q200, TCR (coeficient de temperatură) redus, tensiune termoelectrică redusă | Standard auto, măsurare directă cu funcție de transfer liniară, insensibilitate la câmpuri magnetice parazite, fără efecte de saturație în caz de supracurent |
SiPQ32433B |
Circuit integrat eFuse cu limitare reglabilă și precisă a supracurentului | Conform AEC-Q100, timp de răspuns rapid, margine de pornire reglabilă (switch-on edge) | Siguranță resetabilă pentru aplicații auto, declanșare rapidă, protecție pentru sursa de tensiune și sarcinile electronice |
183CPHT |
Condensator hibrid cu polimer din aluminiu | Conform AEC-Q, temperatură de operare de până la 125°C, rezistență la vibrații până la 30G, ESR scăzut | Standard auto, adecvat pentru medii solicitante, autoîncălzire redusă, compatibil cu tehnologia SMT |
VOMA617A |
Optocuplor cu ieșire fototranzistor | Conform AEC-Q101, curent mare de ieșire, capsulă plată de dimensiuni reduse, tensiune de izolație RMA 3.750V | Nivel auto, control direct posibil din microcontroler, economie de spațiu pe placa de circuit imprimat |
Tabelul 1: Proprietăți și avantaje ale componentelor utilizate în proiectul de referință
Invertorul de tracțiune oferă noi oportunități
Efectele tehnologiei invertoarelor de tracțiune se extind mult dincolo de utilizarea în vehiculele de transport personal, influențând întregul peisaj al mobilității electrice. Pe măsură ce vehiculele electrice devin tot mai răspândite, economiile de scară și progresele tehnologice vor reduce costurile invertoarelor de tracțiune și vor face deplasările electrice mai accesibile pentru consumatori.
Figura 3: Arhitectura invertorului de tracțiune (sursa: Vishay)
În același timp, crește cererea pentru invertoare de tracțiune optimizate pentru cerințele specifice ale vehiculelor de micromobilitate – inclusiv constrângeri legate de dimensiune, greutate, eficiență și costuri – oferind totodată performanța și fiabilitatea necesare pentru traficul urban.
În plus, electrificarea transportului deschide noi oportunități pentru integrarea în rețea și gestionarea cererii de energie. Funcțiile de încărcare bidirecțională activate de invertoarele de tracțiune permit vehiculelor electrice să acționeze ca dispozitive mobile de stocare a energiei, reintroducând energie în rețea în perioadele de vârf de consum sau furnizând energie de rezervă în situații de urgență.
Autor:
Rahul Naik, Field Application Engineer în cadrul diviziei Automotive Business Unit (ABU) de la Rutronik
Rutronik | https://www.rutronik.com
