(VIDEO) Inginerii Hyundai au creat un nou tip de invertoare pentru modelele lor electrice, cu 12 unităţi de control

Acum vreo 3-4 ani inginerii sud-coreeni au demonstrat că au o abordare profund inginerească în proiectarea maşinilor lor electrice. Noi spuneam adeseori că Hyundai şi Kia sunt printre cele mai avansate electrice din lume, cam de la lansarea lui Hyundai Ioniq 5 şi a arhitecturii lor de 800V, or, inginerii sud-coreeni cu gândit toate componentele minuţios, punând la îndoială totul şi gândindu-se cum pot îmbunătăţi lucrurile încă atunci când multe mărci germane premium nu făceau decât să preia componente de la furnizori şi să le calibreze niţel. Mercedes EQS, spre exemplu, a fost lansat cu parametri tehnici cam la jumătate din nivelul celor de la Hyundai şi Kia. Şi paradoxul e că până în prezent sud-coreeni au cam rămas în eşalonul de sus al ingineriei de maşini electrice, chiar dacă între timp n-au făcut decât să extindă modelele lor spre noi nişe, ba chiar şi lansând maşini electrice create pentru plăcerea pură a condusului şi drift-ului, precum Ioniq 5 N. Până şi cei de la Porsche au ajuns să recunoască faptul că e inspiră de la Hyundai Ioniq 5 N, şi anume acel model e unul de referinţă pentru ei în dezvoltarea noilor modele sport electrice. Ei bine, de curând inginerii Hyundai au mai făcut un pas major în inovaţia şi ingineria maşinilor electrice. Şi au făcut-o acolo unde mulţi alţi producători nici nu atrag atenţia — la invertoare.

Unitatea de propulsie a unei maşini electrice are trei componente de bază — electromotorul de tracţiune, reductorul şi invertorul. Cel mai apropiat de roţi e reductorul şi e compus în esenţă din două roţi dinţate de proporţia corectă între ele, pentru a reduce turaţiile mai mari ale electromotorului la turaţiile potrivite roţii. De obicei, în acelaşi bloc al reductorului e încadrat şi un diferenţial pentru a distribuie cuplul între roţile aceleiaşi axe.

Electromotorul e cel care transformă curentul electric în flux magnetic şi forţă motrice punând în mişcare rotorul din centrul său cu axul acestuia, care să transmită mai departe forţa către reductor. Electromotoare pot fi de mai multe tipuri în funcţie dacă au sau un magnet permanent în rotorul lor sau folosesc inducţia, dacă operează pe principiu sincron sau asincron, după tipul şi direcţia câmpului magnetic generat — cu flux radial sau axial. Producătorii de obicei îşi aleg 1-2 tipuri de electromotoare pe care le consideră potrivite lor.

Ultimele modele Hyundai şi Kia, cele mai moderne şi mai apreciate, folosesc motoare sincrone cu magneţi permanenţi, integraţi în interiorul rotorului, cu control foarte avansat al lor prin curenţi statorici pe axă d, pentru a contracara şi minimiza efectul fizic al forţei contra-electromotoare, despre care vorbeam în articolul de ieri cu invenţia celor de la BYD. Inginerii Hyundai au minimizat acest efect nedorit prin poziţionarea mai departe în interiorul rotorului a magneţilor permanenţi şi prin controlul electronic de înaltă precizie a curenţilor statorici pe axă d.

Ei bine, electromotorul în sine e un executant al transformării curenţilor primiţi în mişcare, însă dirijarea acestor curenţi şi implicit dirijarea propulsiei electrice într-un mod cât mai eficient şi rafinat se realizează în invertor, acolo de unde provin aceşti curenţi, în intensitatea şi parametrii corecţi, pentru a obţine efectul final dorit. Aşadar, un invertor e o piesă poate chiar mai crucială în ecuaţia finală a eficienţei şi rafinamentului e condus decât electromotorul, spun mulţi ingineri.

Foto: Invertor actual de pe Hyunai Ioniq 6

Ca funcţie de bază, un invertor într-o maşină electrică are rolul de a converti curentul continuu venit de la baterie în curent alternativ trifazic pentru electromotorul pe care-l dirijează. Doar că un invertor nu transmite pur şi simplu curentul ca un transformator cu un anumit coeficient static. Invertorul în maşinile moderne e cel care „creează” efectiv curentul alternativ cu ajutorul semiconductoarelor.

Acum mai bine de o lună, explicam într-un articol detaliat cum funcţionează semiconductorii şi cipurile ce le conţin, atunci când analizam o nouă invenţie chinezească, sub forma unui cip analog. Dar în esenţă materialele semiconductoare au calităţi aflate undeva la mijlocul dintre un izolator şi un conductor, ceea ce le permite să-şi modifice conductivitatea sub acţiunea unui impus electric. Rolul de bază al semiconductoarelor e să poată controla electronic fluxul de curent, nu mecanic, ca un întrerupător. În procesul de funcţionare a semiconductoarelor, prin aplicarea de curent electric şi variaţie de voltaj în terminalele dorite, se obţine modificarea conductivităţii. Printr-un curent aplicat la terminalul cu rol de „poartă”, circuitul pe bază de semiconductori determină dacă lasă semnalele electrice să treacă prin el sau nu. Aşa se obţin efecte din cele mai diverse, care stau la baza electronicii — cum ar fi o conectare electronică a unui circuit, spre exemplu farurile unei maşini, fără un element mecanic de conectare, până la formarea fluxului de informaţii digitale, prin renumitele 1 şi 0, care stau la baza lumii digitale.

Şi tot aşa se poate „crea” şi curentul alternativ, având şase cipuri cu semiconductoare, câte două pentru fiecare fază, dacă e nevoie de trei faze. Unul din semiconductoarele de pe o fază va conecta un circuit cu curent continuu pe o direcţie, în timp ce celălalt va conecta curentul în direcţie inversă. Teoretic, într-o formulă simplă cu o fază ar fi nevoie de 50 de conectări şi deconectări pe secundă pentru a obţine efectul de curent alternativ de 50 Hz. Însă într-o formulă trifazică aceste frecvenţe se cumulează prin formule mai complexe. Şi mai important e că maşinile electrice folosesc frecvenţe variabile ale curentului alternativ, frecvenţa variind în funcţie de turaţie şi construcţie şi variind de obicei de la câţiva zeci de Hz până la 2.000 Hz şi mai mult. Însă asta e frecvenţa la electromotor, în timp ce cea de la invertor poate ajunge la 5.000-25.000 Hz şi mai mult. Aceste frecvenţe mai înalte dau şansa densităţii mai mari de putere şi a unui control mult mai rafinat. Iar ideea de bază cu semiconductoarele şi cipurile rămâne aceeaşi — maşinile electrice au invertoare cu 6 cipuri de obicei, care, prin întreruperi şi deconectări ale circuitelor în ambele sensuri la o frecvenţă atât de mare, creează curentul alternativ trifazic necesar pentru motor.

Tocmai de asta ziceam mai sus că invertorul e o parte mult mai complexă şi mai inteligentă în funcţii decât electromotorul, pentru că el calculează şi generează de mii de ori pe secundă parametrii exacţi necesari propulsiei, în timp ce motorul doar execută fizic rezultatul parametrilor obţinuţi. Şi pentru că invertorul e format din semiconductoare controlate electronic, de asta şi toate maşinile electrice moderne sunt mult mai mult dirijate de soft — pentru că semiconductoarele pot fi dirijate prin soft, pentru a obţine rafinamente şi mai mari în ceea ce livrează.

Când vrei să creşti puterea livrată unui electromotor, poţi creşte tensiunea bateriei în volţi sau intensitatea în amperi. Creşterea voltajului e o cale mai sigură, dar e mai greu de realizat des, însă tocmai de asta multe maşini performante au trecut la 800V. Creşterea intensităţii în amperi e calea mai frecventă, însă odată cu ea apare necesitatea creşterii dimensiunii motorului, pentru a se putea realiza managementul termic. Pentru a se putea creşte voltajul spre motor, în ultimul timp se aplică mai des semiconductoare SiC, pe bază de carbură de siliciu, care pot transfera tensiune mai mare spre motor. Însă cei de la Hyundai s-au gândit la un truc încă nefolosit până acum şi, pe lângă 6 cipuri cu semiconductoare SiC, au mai adăugat încă 6 cipuri mai simple Si-IGBT. Au obţinut în rezultat un invertor cu 12 cipuri, câte 4 pe fiecare fază.

Foto: Schemă de funcţionare cu 12 cipuri per invertor

Asta permite ca două cipuri să conecteze simultan aceeaşi fază, sumându-şi tensiunea. Desigur, trebuie controlaţi şi alţi parametri, inclusiv sincronizarea cu precizie, dar inginerii Hyundai spun că în rezultat au putut creşte tensiunea aplicată pe o fază cu 70%.

Cele două seturi de chipuri nu vor funcţiona întotdeauna împreună, însă. În condus normal, doar setul cu semiconductoare SiC va fi activ, pentru a păstra eficienţa. Atunci când se doreşte putere maximă sau viteză foarte mari, ambele seturi se vor conecta. Şi a fost nevoie de încă trei cipuri cu semiconductoare pentru a dirija trecerea de la regimul de 6 cipuri la cel de 12.

Foto: Schema completă cu 12 cipuri principale şi încă 3 (roşii) care să controleze care din circuite e conectat, cu 6 sau cu 12 cipuri

Inginerii Hyundai spun că noul invertor a devenit mult mai complex, or, într-o combinaţie de 2 cipuri pe fază, la 3 faze, sunt posibile 8 combinaţii de conectare, în timp ce cu noua formulă de 4 cipuri la 4 fază combinaţiile posibile au crescut la 64.

Ingineri Hyundai au reuşit să integreze acest număr mai mare de cipuri în câteva module unitare şi le-au integrat într-in invertor final care nu e mai mare decât unul anterior, dar are un grad imens de control. Au obţinut la final un control şi mai rafinat al propulsiei, dar mai ales au obţinut faze de condus foarte intens şi foarte rapid care rămâne eficiente în consum de energie, cu pierderi minimizate. Deci, sud-coreenii şi-au asigurat un nou avans tehnologic în maşinile electrice pentru următorii ani.

Vezi mai jos şi un video explicativ al inginerilor de la Hyundai despre construcţia noilor invertoare.