Volvo a patentat o nouă tehnologie revoluţionară pentru maşinile electrice, care schimbă esenţial modul în care acestea îşi folosesc bateria şi poate exclude invertoarele

Maşinile electrice au evoluat foarte mult în ultimii ani, făcând salturi tehnologice atât în eficienţa electromotoarelor şi în tipurile lor, cât şi în baterii, de la compoziţie şi capacităţi până la modul în care sunt gestionate acestei baterii pentru o durată de viaţă mai lungă. Tot mai mulţi producători fac schimbări majore în ingineria lor, după ce au căpătat experienţă enormă în primele generaţii de modele electrice şi au înţeles că unele lucruri pot fi îmbunătăţite considerabil dacă inginerii încep a gândi neconvenţional şi încetează în a-şi concepe maşinile prin modulele obişnuite ale unui sistem electric, aşa cum e recomandat de electricieni, ci încep să pună la îndoială însăşi esenţa funcţiilor fiecărui modul, întrebându-se dacă nu-l pot gândi diferit şi integra în alt mod. Exact asta au făcut acum inginerii Volvo, iar compania suedeză a patentat o nouă tehnologie revoluţionară pentru maşinile electrice, care schimbă esenţial modul în care acestea îşi folosesc bateria şi care poate exclude invertoare cu totul din ecuaţie.

Toate maşinile electrice moderne au nevoie de invertoare, de obicei pentru fiecare electromotor. Bateria livrează curent continuu, în timp ce electromotoarele moderne folosesc curent alternativ trifazat, iar acest fapt e valabil şi pentru motoarele sincrone cu magnet permanent (PSM), şi pentru motoarele cu inducţie. Despre motoarele PSM de crede adeseori că acestea ar avea curent continuu, datorită rotorului care are magnet permanent în el, fără conexiune electrică, însă de fapt, statorul din jur creează fluxul magnetic tot pe baza curentului alternativ trifazat.

Aşadar, pentru ca electromotoarele să primească acest curent alternativ de care au nevoie, fiecare electromotor are un invertor propriu de obicei. În unele cazuri, când există două electromotoare pe aceeaşi punte, invertoarele acestora pot fi integrate într-un corp comun, dar oricum e vorba efectiv de două invertoare. Iar invertoarele moderne folosesc aşa numitele „semipunţi H”, cât două pe fiecare fază, deci 6 în total.

Fiecare fază are două asemenea punţi, fiecare din ele asigurând transmiterea curentului într-o anumită direcţie spre faza responsabilă. Iar invertorul alternează conectarea unei punţi şi deconectarea alteia, de multe ori pe secundă, creând astfel efectul de curent alternativ. În mod normal aceste pulsuri ar fi prea brute pentru a asigura toate caracteristicile curentului alternativ, dar prin controlul electronic al momentului exact când aceste conectări se întâmplă, se asigură schimbul de faze la 120 grade şi crearea unor unde sinusoidale specifice curentului alternativ, iar astfel se creează efectul final al curentului alternativ livrat spre electromotor. Şi întrucât fiecare invertor are şi o unitate de control avansată, vectorială, prin care se decid mici variaţii în curentul fiecărei faze, aşa se obţine şi controlul rafinat foarte precis al electromotoarelor moderne.

În ultimii ani, aceste invertoare au devenit tot mai capabile de control cu precizie şi tot mai compacte, ele fiind un elemente cheie în eficienţa maşinilor electrice şi controlul rafinat al propulsiei finale. Dar atunci când se doreşte instalarea de 3 sau 4 electromotoare, fiecare din ele are nevoie câte un invertor. Majoritatea maşinilor au amplasate electromotoarele în zona mediană a punţilor, iar de la ele pleacă reductoarele cu diferenţial dacă două roţi sunt dirijate de acelaşi motor sau reductoare cu un singur semiaxă, fără conexiune cu cealaltă roată dacă un electromotor dirijează doar o roată.

Unii producători au jonglat ceva vreme cu ideea de a îngloba electromotoarele în interiorul roţilor, pentru a economisi spaţiu în zona punţilor şi a spor şi mai mult senzaţia de control absolut al fiecărei roţi. Dar acest amplasament al motoarelor are câteva dezavantaje enorme, primul fiind masele inerte mai mari, date de greutatea electromotoarelor în roţi. Mai există şi problema expunerii la condiţii neprielnice, cum ar fi apa şi temperaturile date de frâne. De asemenea, dacă s-ar merge pe plasarea invertorului alături de electromotor, în interiorul roţii, asta ar spori şi mai mult greutatea, iar invertorul e unul din generatorii de căldură într-o maşină electrică şi în interiorul roţii n-ar putea fi răcit la fel de bine. Nu sunt prea mult maşini în lume şi echipe de ingineri care să fi experimentat cu o asemenea amplasare a electromotoarelor, ultimul exemplu sonor fiind Nevs Emily GT, acea maşină creată de foştii ingineri Saab ca un posibil prototip care să-i salveze, acum câţiva ani. Alte exemple dintre puţinele existente sunt Lightyear 0, acea maşină cu panouri solare pe ea, care a fost produsă mai puţin de o lună în Finlanda, fiind concepută de o echipă genială de tineri din Olanda, şi Aptera, o altă maşină cu acelaşi vis de a prelua energie de la soare, care e acum aproape de producţia de serie. Dar niciuna din ele n-a integrat invertoarele în interiorul roţilor, ci doar electromotoarele.

Foto: Integrarea electromotorului în interiorul roţii la modelul Lightyear 0

Noua tehnologie patentată de Volvo a pornit de la ideea că şi inginerii suedezi îşi doresc să aibă electromotoare integrate în roţi, dar vor să schimbe toată arhitectura maşinii electrice odată cu asta. Cei de la Volvo au luat în considerare şi maşini cu tracţiune pe o singură punte, care ar avea electromotoare integrate în acele două roţi, dar şi cele cu tracţiune integrală şi cu 4 electromotoare. În lume au apărut deja electromotoare foarte compacte cu o greutate admirabil de mică şi cu o putere foarte mare, care ar putea rezolva o mare parte din fenomenul maselor inerte adiţionale. Cei de la Volvo au experimentat cu integrarea invertoarelor în fiecare roată, pentru fiecare electromotor, dar au ajuns la concluzia că disiparea căldurii e imposibil de garantat în toate situaţiile fără a duce lucrurile la o complexitate care anulează avantajele. Iar fără răcire asigurată şi protecţie, acele invertoare nu rezistă mult în timp. Şi pe lângă asta plasarea invertoarelor în interiorul roţilor ar adăuga din nou greutate nedorită acolo.

Foto: Imagine din patenta Volvo

Aşa că noua tehnologie a inginerilor Volvo a eliminat cu totul invertoarele din ecuaţie. Ar fi aparent imposibil, pentru că e nevoie de convertirea curentului din continuu în alternativ şi controlul superb al electromotoarelor. Dar cei de la Volvo au gândit într-un mod inedit şi au conectat toate celulele de baterii într-un mod separat la sistemul de control al bateriei, iar acest sistem le tratează pe aceste celule separat şi pe poate combina şi diviza în algoritmii lui cum îşi doreşte, separând virtual bateria în secţiuni, de dimensiune variabilă, şi trimiţând energia lor separat spre fiecare electromotor.

Acum, bateria îşi cumulează energia din fiecare spre un circuit final principal, iar acel circuit de mare voltaj de curent continuu, de aproape 400V sau de 800V, e dirijat spre invertoarele motoarelor, care fac conversia în curent alternativ trifazat şi dirijează electromotoarele de care sunt responsabilă. Conform noii tehnologii Volvo, acel modul al bateriei va face acolo, local, conversia în curent alternativ şi va avea de la el circuite cu curent alternativ spre fiecare electromotor direct, fără un invertor în ecuaţie. Aparent sună ca şi cum invertorul ar fi pur şi simplu integrat alături de baterie, dar nu e aşa.

Noul sistem „vede” bateria ca o matrice de celule, fiecare cu voltajul său, spre exemplu 3,7V. Câte celule există în baterie, atât de multe conexiuni de intrare există.

Într-o baterie obişnuită, conexiunile în serie şi în paralel sunt combinate pe module şi la nivelul întregii baterii — conectarea celulelor în interiorul modulelor are loc de obicei în paralel, păstrându-se voltajul neschimbat şi crescând capacitatea de stocare în Ah, apoi modulele sunt conectate în serie pentru a creşte tensiunea, adică voltajul. Spre exemplu, la Tesla celulele de 3,7V sunt conectate câte 46 în paralel şi se obţine 3,7V şi 230 Ah per modul. Apoi, sunt 96 de asemenea module conectate în serie şi se atinge 3,7V x 96 = 355V şi 230 Ah, parametrii finali ai bateriei, care echivalează cu 82 kWh de stocare. La tehnologia de 800V are loc pur şi simplu o regrupare în modul în care sunt conectate în paralel şi în serie modulele, în timp ce fiecare celulă poate avea aceeaşi tensiune de 3,7V.

Foto: Celule de baterii Tesla

Acum revenim la tehnologia Volvo, iar inginerii suedezi nu vor uni bateriile nici în serie, nici în paralel, ci direct cu controlerul inteligent. Acesta va vedea toate celulele şi va decide care celule şi cum să le combine în conexiunile de serie şi paralel, lăsând chiar unele celule inactive dacă nu are nevoie de ele. Sistemul poate avea 700 celule, 1.500, sau 3-4 mii de celule şi le vede pe toate ca resurse echivalente, decizând cum să le combine, astfel încât să asigure curentul cu parametrii necesari către fiecare circuit ce pleacă spre fiecare electromotor. Dacă e nevoie de 300V şi 200A spre un electromotor, şi 245V şi 206A spre altul, sistemul va combina câte celule de baterii va considera că are nevoie pentru un electromotor şi alte celule pentru alt electromotor. Astfel un număr de celule vor fi alocate pentru fiecare electromotor separat, iar dacă nu e nevoie de prea multă putere vor rămâne periodic şi celule latente.

Acum toată magia e că asta se întâmplă de foarte multe ori pe secundă, or, electromotorul are nevoie de curent alternativ, iar asta înseamnă că la ieşire spre fiecare electromotor acest sistem trebuie să trimită curentul într-o polaritate, apoi în alta, simulând exact ca un invertor curentul alternativ, şi creând aceleaşi unde sinusoidale. Mai mult ca atât, el poate folosi un grup de celule pentru o direcţie a curentului şi peste o fracţiune de secundă alt grup de celule pentru direcţia inversă. Şi dacă va lăsa celule inerte, le va lăsa pentru o perioadă scurtă, pentru a asigura descărcarea uniformă a tuturor celulelor.

Sistemul va folosi semipunţi similare H, pentru schimbările de polaritate, dar inginerii Volvo pretind că această posibilitate de a combina celulele bateriilor în zeci de mii de variaţi posibile deschidere calea unei eficienţe enorme în consumul de energie din baterie şi în asigurarea unor parametri excepţionali. Sistemul ar putea varia tensiunea enorm de mult şi ar putea aplica până la tensiuni de 1.000-2.000 V pentru propulsie, iar asta, spun inginerii Volvo în descrierea patentei, dă şansa reducerilor considerabile de pierderi.

Deci, beneficiile finale ar fi în reducerea pierderilor prin căldură şi deci a pierderilor energetice, în creşterea imensă a diapazonului de parametri de intensitate şi tensiune a curentului electric furnizat spre electromotoare şi în excluderea cu totul a invertoarelor din ecuaţie, ceea ce ar permite şi integrarea mai simplă a electromotoarelor în interiorul roţilor — deşi, la drept vorbind localizarea electromotoarelor nu schimbă nimic din avantajele de mai sus, doar că patenta Volvo e creată de dragul controlului electromotoarelor în interiorul roţilor.

Dar există şi posibile dezavantaje şi îngrijorări faţă de noua tehnologie. Conectarea fiecărei celule direct cu acel modul poate spori sau reduce gradul de reparabilitate al bateriei, în funcţie de cum vor fi făcute aceste conexiuni. Cea mai mare îngrijorare e în softul care trebuie să controleze aceste matrice de sute sau mii de module de baterii, care trebuie să calculeze lucrurile de exact atâtea ori pe secundă, cât constituie frecvenţa în Hz a curentului alternativ pentru fiecare electromotor. Iar frecvenţa pe care o asigură de obicei invertoarele în maşinile electrice nu cea de 50 Hz, pe care o ştim din reţeaua casnică, ci poate varia de la 10 Hz la 600 Hz sau chiar 1.000 Hz, în funcţie de turaţiile pe care le atinge electromotorul. Deci, vor fi sute de calcule complexe pe secundă adeseori, iar aceste calcule de soft trebuie urmate de execuţia lor prin manevrarea acelor semipunţi H pentru fiecare circuit, pentru fiecare electromotor. Şi judecând după marele eşec al Volvo cu softul la EX90, pe care nu-l poate scoate în capăt de aproape 3 ani încoace, noua tehnologie sună ca o aventură intrigantă în potenţialul ei, dar riscantă dacă execuţia va fi imperfectă.