Inversores de tração em veículos elétricos
O inversor de tração é a válvula elétrica e o controlador em tempo real entre a bateria de alta tensão e o motor. Ele converte corrente contínua em corrente do motor precisamente temporizada, inverte o fluxo na regeneração e impõe os limites elétricos e térmicos da unidade.
Da corrente contínua da bateria à corrente controlada do motor
A maioria dos motores de automóveis usa três fases. Um inversor comum de dois níveis tem três meias pontes, cada uma com interruptor semicondutor superior e inferior. Ao chavear os seis dispositivos com precisão, aplica tensão efetiva positiva, negativa ou nula a cada fase.
A forma de onda é pulsada, não uma senoide perfeita. A indutância suaviza grande parte da corrente e a modulação por largura de pulso controla tensão e corrente fundamentais. Um capacitor do barramento CC junto ao módulo fornece pulsos rápidos e limita a ondulação vista pelos cabos.
O conjunto também inclui drivers de gate, sensores, processador, barramentos, capacitores, filtro CEM, interfaces de arrefecimento e proteção. Uma embalagem de baixa indutância é essencial, pois o chaveamento rápido pode criar sobretensões nocivas.
O torque é controlado pela corrente
O controlador do veículo pede torque positivo ou negativo. O controlador do motor o traduz em alvos de corrente de fase, respeitando potência da bateria, aderência, velocidade, tensão, corrente, temperatura e limites.
O controle orientado a campo representa as correntes em eixos que giram com o campo magnético. Uma componente controla principalmente o torque e outra o fluxo. A divisão depende do motor: indução precisa de corrente magnetizante, um PMSM interior usa relutância e um motor excitado acrescenta corrente de rotor.
O cálculo se repete milhares de vezes por segundo. A posição vem de resolver, codificador ou estimador. Pequenos erros de posição, medição, tempo ou parâmetros aumentam ondulação e perdas ou reduzem estabilidade.
Velocidade base, enfraquecimento de campo e regeneração
Em baixa e média velocidade, corrente e calor costumam limitar o torque. Com o aumento da velocidade, a força contraeletromotriz se aproxima da tensão disponível. O controle enfraquece o campo, trocando alguma capacidade e eficiência por uma faixa maior.
Na frenagem regenerativa, o inversor controla torque negativo e converte a saída multifásica em CC para a bateria. O hardware é bidirecional, mas aderência, temperaturas, estado de carga e gestão da bateria podem limitar a potência recuperada.
IGBT de silício e MOSFET de carbeto de silício
Inversores de alta tensão usaram muito IGBT de silício. Muitas unidades novas usam MOSFET de carbeto de silício. O SiC chaveia mais rápido e pode reduzir perdas de chaveamento e condução, permitindo maior eficiência, frequência ou sistemas de arrefecimento e passivos menores.
Eles não são isentos de perdas. Área, resistência, gate, velocidade, diodo, temperatura, classe de tensão, corrente, CEM, isolamento, custo e rendimento de fabricação contam. Chaveamento rápido reduz peças, mas pode aumentar tensão de modo comum e correntes nos rolamentos.
O Porsche Taycan Turbo GT é um exemplo de série: a Porsche especifica carbeto de silício nos inversores de pulsos e atribui a ele melhor eficiência.
Tensão, corrente e frequência de chaveamento
Na mesma potência, maior tensão pode reduzir corrente, perdas resistivas e condutores, mas “800 volt” não prova sozinha maior eficiência. Semicondutor, modulação, enrolamento, tensão do barramento conforme a carga, arrefecimento e ponto de operação continuam importantes.
A frequência traz outro compromisso. Frequência superior reduz ondulação e componentes audíveis e pode permitir passivos menores. Cada transição dissipa energia; chavear demais aumenta perdas. O ótimo varia com velocidade, torque, temperatura e ruído.
Origem das perdas do inversor
As principais são condução quando o dispositivo leva corrente e chaveamento em cada transição. Drivers, capacitores, barramentos, filtros, eletrônica e bombas acrescentam perdas menores. Correntes harmônicas também aumentam perdas no cobre, ferro e ímãs do motor.
Uma eficiência de pico anunciada, às vezes perto de 98%, descreve uma região em condições definidas. Útil é o mapa combinado para velocidade e torque reais. Um ponto percentual perdido a 200 kW representa 2 kW de calor; pequenas diferenças criam grande carga de arrefecimento.
Arrefecimento, confiabilidade e proteção
Os módulos são normalmente arrefecidos por líquido através de placa ou substrato direto. A temperatura da junção muda muito mais rápido que a do fluido; o software combina sensores e modelos térmicos.
O inversor deve detectar sobrecorrente, curto-circuito, sobretensão, subtensão, perda de posição, falhas de fluido ou isolamento e sinais implausíveis. Pode desligar em microssegundos em um defeito grave. O capacitor CC deve ser descarregado com segurança quando o sistema é aberto.
A integração na unidade encurta cabos e caminhos de arrefecimento, reduz massa e interferência, mas expõe a eletrônica a calor e vibração e pode complicar a manutenção.
Ler as especificações
São úteis faixa de tensão CC, corrente de fase de pico e contínua, tecnologia, estratégia, condições de arrefecimento, duração de pico, fronteira da densidade e mapa de eficiência. “Amperes máximos” não dizem potência, pois tensão do motor, ângulo da corrente, velocidade e limites térmicos variam.
O vídeo técnico da Lucid Motors explica o projeto por componentes:
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