Samochody elektryczne magazynują w akumulatorach prąd stały (DC), natomiast silnik elektryczny wymaga do pracy prądu zmiennego (AC). Dlatego pojazdy EV, a także auta hybrydowe, wymagają inwerterów elektrycznych. Inwerter, zwany też falownikiem, przekształca prąd stały w prąd zmienny, dzięki czemu elektryk jedzie. Inwerter jest jednak podzespołem, który przyczynia się do strat energii. W konsekwencji auto ma po prostu mniejszy zasięg. Jak można ograniczyć utratę energii na falowniku?

Jak opracowywać inwertery aby ograniczyć utratę energii?

Cała energia zużywana w pojeździe elektrycznym jest dostarczana przez akumulator, co może budzić obawy co do zasięgu pojazdu – będzie on wymagał podłączenia do stacji ładującej, zanim wyczerpie się moc baterii. Ponieważ naładowanie prawie wyczerpanego akumulatora nawet przy użyciu szybkiej ładowarki zajmuje co najmniej 30 minut, może to frustrować osoby przyzwyczajone do obsługi pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi. Dlatego też zmniejszanie strat elektrycznych zwiększa atrakcyjność pojazdów elektrycznych.

Wspomniane straty to ilość energii, która nie jest wykorzystywana na przykład do napędzania pojazdu czy układu klimatyzacji i ostatecznie jest marnowana. Falownik przyczynia się do znacznej części tych strat, dlatego należało opracować inwerter w taki sposób, by je zmniejszyć. Aby zmienić prąd stały na prąd przemienny, falowniki wykorzystują element zwany modułem zasilania z półprzewodnikowym urządzeniem przełączającym, które włącza się i wyłącza w celu zmiany kierunku przepływu prądu.

W pojeździe hybrydowym głównym źródłem energii jest silnik spalinowy wspomagany przez silnik elektryczny, a w pojeździe elektrycznym wyłącznie silnik elektryczny. Siła sprawiająca, że koła się obracają, nazywana jest momentem obrotowym. Im silniejszy jest magnes silnika, tym większy moment obrotowy może on wygenerować. Co więcej, im większy jest prąd w silniku, tym większy moment obrotowy jest generowany. Oznacza to, że do wprawienia pojazdu elektrycznego w ruch potrzebna jest duża ilość prądu – w tym celu wykorzystywane są niskostratne i wysokoprądowe falowniki.

Zmniejszenie strat modułu zasilania

Moduły zasilania są najważniejszymi komponentami niskostratnych falowników. Największym wyzwaniem jest ograniczenie strat właśnie w modułach zasilania, które stanowią około 90% strat falownika. Wielu producentów inwerterów kupuje powszechnie dostępne moduły zasilania i integruje je ze swoimi falownikami. DENSO opracowuje i produkuje własne falowniki, które ze względu na swój kształt nazywane są „kartami zasilającymi”.

W coraz większej liczbie pojazdów elektrycznych stosuje się obecnie elementy półprzewodnikowe z węglika krzemu (SiC), ponieważ pomagają one znacznie zmniejszyć straty w modułach zasilania w porównaniu ze standardowymi półprzewodnikami krzemowymi (Si). DENSO również wykorzystuje półprzewodniki SiC, ponieważ pomagają one zmniejszyć straty energii elektrycznej nawet o 7%.

Głównym problemem modułów zasilania pracujących z dużym prądem jest to, że im większy prąd przez nie przepływa, tym większe są straty energetyczne, a wytwarzany nadmiar ciepła w niektórych przypadkach prowadzi do ich awarii. Aby temu zaradzić DENSO zastosowało autorską technologię chłodzenia w swojej „karcie zasilającej”, która jest ciasno umieszczona pomiędzy dwoma urządzeniami chłodzącymi. Ich zadaniem jest odprowadzanie ciepła z obu stron modułu zasilania. Technologia chłodzenia DENSO zapewnia 1,5 razy wyższą wydajność niż technologie opracowane przez inne firmy.

Innym ważnym elementem jest elektroniczna jednostka sterująca (ECU). DENSO opracowało jednostki ECU z układem scalonym, służącym do włączania i wyłączania półprzewodnikowych urządzeń mocy oraz ich ochrony w przypadku awarii. Opracowane układy scalone i technologie sterowania silnikami zapewniają prawidłowe działanie falowników i silników w zależności od warunków, w jakich użytkowany jest pojazd.

UWAGA: DENSO Aftermarket dzieli się wiedzą techniczną i doświadczeniem, ale należy pamiętać, że opisywana w artykule technologia jest technologią OE i nie jest jeszcze dostępna na rynku wtórnym.