Lepsza elektronika mocy dla pojazdów elektrycznych przyszłości
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SCAPE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykorzystuje jednolite, modułowe i skalowalne rozwiązanie w zakresie przetwornic mocy na potrzeby pojazdów elektrycznych. Nowe rozwiązanie umożliwi obniżenie kosztów, poprawę osiągów i zapewni dostęp do zaawansowanych funkcji, przyczyniając się do realizacji unijnego celu, jakim jest stopniowe wycofywanie ze sprzedaży pojazdów z silnikami spalinowymi w ciągu najbliższej dekady. Zespół SCAPE stawia sobie za cel osiągnięcie sprawności na poziomie 97,5 %. Dodatkowym celem jest podwojenie gęstości mocy i zmniejszenie kosztów w przeliczeniu na kilowat o połowę względem obecnych standardów. Osiągnięcie tych przełomów przełoży się na wydłużenie zasięgu pojazdów elektrycznych, spadek cen i wzmocnienie europejskiego przemysłu motoryzacyjnego.
Modułowe i skalowalne rozwiązanie
Nowatorskie podejście wykorzystane przez zespół projektu SCAPE opiera się na modułowym i skalowalnym rozwiązaniu. Jak wyjaśnia w swoim artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym przez portal Innovation News Network Alber Filba-Martinez, starszy badacz Katalońskiego Instytutu Badań Energetycznych w Hiszpanii, instytucji koordynującej projekt, podstawą tego podejścia jest urządzenie nazywane ogniwem przełączającym. Mowa o znormalizowanym i kompaktowym elemencie konstrukcyjnym opartym na zaawansowanej technologii półprzewodników mocy i obejmującym obwody pomocnicze. „Wiele ogniw przełączających łączy się ze sobą, tworząc »odnogi przetwornicy«, które następnie łączymy w kompletne przetwornice”, wyjaśnia Filba-Martinez. Zastosowanie tego rodzaju modułowego rozwiązania pozwala na elastyczne skalowanie, umożliwiając stosowanie tej samej technologii w różnych wariantach pojazdów elektrycznych, od małych samochodów miejskich po pojazdy ciężarowe. Dzięki wykorzystaniu efektu skali i znacznemu uproszczeniu konstrukcji zastosowanie tego podejścia może istotnie obniżyć koszty produkcji. Projekt zakłada również połączenie falownika trakcyjnego i ładowarki w jedno urządzenie. Powinno to uprościć proces projektowania i produkcji pojazdów, zwiększyć sprawność układu napędowego, obniżyć koszty i poprawić niezawodność dzięki odporności na usterki. Innowacyjny charakter rozwiązań opracowanych w ramach projektu SCAPE opiera się również na technologii osadzania układów scalonych, w której układy scalone półprzewodników mocy nie są montowane na powierzchni płytki drukowanej, jak to się zwykle robi, lecz osadzane pomiędzy jej warstwami. Takie podejście „istotnie ogranicza indukcyjność rozproszoną i poprawia odprowadzanie ciepła, zwiększając sprawność i gęstość mocy”, wyjaśnia badacz. Zespół SCAPE opracował już pierwszą partię ogniw przełączających z wbudowanymi układami scalonymi. Przeprowadzone w warunkach doświadczalnych testy urządzeń potwierdzają, że technologia ta sprawdza się pomyślnie w trudnych warunkach. Rezultaty wskazują na 45-procentową redukcję oporu cieplnego pomiędzy warstwą barierową a wymiennikiem ciepła oraz 85-procentową redukcję indukcyjności pasożytniczej w obwodzie mocy w porównaniu z konwencjonalnym rozwiązaniem. „Osadzenie układu scalonego nie tylko zmniejsza rozmiar przetwornicy, ale także poprawia jej osiągi elektryczne, odprowadzanie ciepła oraz niezawodność”, stwierdza Filba-Martinez. Aby monitorować ogólny stan układu, zespół projektu SCAPE opracował cyfrowego bliźniaka układu napędowego – dokładną wirtualną replikę fizycznego systemu, która działa równolegle z nim. System monitorujący przekazuje ostrzeżenia dotyczące konieczności przeprowadzenia prac konserwacyjnych i dba o rozkład obciążeń pomiędzy ogniwa przełączające, ciągami przetwornic i modułami akumulatorów, aby zapewnić działanie urządzenia do czasu przeprowadzenia konserwacji. Rozwiązanie wykonuje również pomiary oporności wewnętrznej modułu akumulatora - parametru wskazującego bezpośrednio jego stan. Dzięki możliwości szybkiego przystosowania technologii do różnych klas pojazdów, opracowane przez zespół projektu rozwiązanie może przyczynić się do stworzenia efektu skali na rynku europejskim i minimalizacji zależności UE od importowanych podzespołów i wiedzy specjalistycznej. Prace w ramach projektu SCAPE (Switching-Cell-Array-based Power Electronics conversion for future electric vehicles) dobiegną końca w 2026 roku. Więcej informacji: strona projektu SCAPE(odnośnik otworzy się w nowym oknie)