Le statistiche indicano che sul mercato europeo la propulsione elettrica continua a guadagnare quote di mercato rispetto ai motori a combustione interna.
Questo implica una continua evoluzione delle piattaforme ed è dunque fondamentale il parallelo perfezionamento delle tecnologie in vista della prossima generazione di motori elettrici.
In particolare, i componenti principali quali batterie, inverter e motori elettrici devono diventare sempre più compatti ed efficienti, rispettando parametri di sicurezza sempre demanding.
In questo articolo si vuole analizzare l’approccio del colosso BorgWarner nella riprogettazione dell’inverter per adattarlo alle più recenti richieste del mercato.
Le specifiche
Tenendo conto delle caratteristiche più standardizzate delle autovetture e dei veicoli commerciali leggeri, è stato fissato in 800 V CC la tensione di alimentazione e in 650 A di picco (400 A continui) le correnti che consentano di arrivare potenze fino a 400 kVA.
La potenza di uscita dovrebbe poi essere scalata proporzionalmente modificando il numero o le dimensioni di alcuni componenti; ad esempio, riducendo il numero dei circuiti integrati in carburo di silicio (SiC) o l’ingombro dei condensatori.
Altre specifiche sono la stabilità delle prestazioni e dell’efficienza dell’inverter in un ambiente con un range di temperatura da -40 a +85°C e ad altitudini fino a 5.000 metri.
Il tutto deve essere incluso in un contenitore con grado di protezione IP67 in grado di proteggere il sistema dall’ingresso di polvere e acqua.
Sicurezza dell’inverter
La sicurezza elettrica e in dinamica di un inverter rappresenta una delle preoccupazioni principali dei progettisti, in quanto esso opera in presenza di valori elevati di tensione e corrente e altrettanto elevati valori di accelerazione positive e negative del veicolo.
In questo contesto, BorgWarner si è prefissata l’obiettivo di raggiungere il livello di sicurezza ASIL D (Automotive Safety Integrity D), ovvero il massimo definito dalla norma ISO 26262.
Il nuovo circuito integrato denominato INverter System Safety ASIC (INSSA), sviluppato di recente dall’azienda americana, è volto al raggiungimento di questo target.
È stato inoltre ritenuto auspicabile soddisfare o superare l’obiettivo del Vehicle Technologies Office (VTO) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), che per il 2025 prevede una densità di potenza di 100 kW/litro a un costo pari o inferiore a 2,7 USD/kW.
Per raggiungere questo obiettivo, BorgWarner ha limitato le dimensioni del progetto del suo inverter per rientrare in un volume di 4 litri.
Definiti i parametri di base del sistema, BorgWarner ha quindi analizzato gli inverter esistenti e identificato le aree su cui lavorare per migliorarli e allinearli alle nuove esigenze di mercato.
Potenza
La gamma di potenze è stata sviluppata partendo dall’ormai consolidato switch module Viper di BorgWarner.
Partendo da un singolo switch module di ingombro identico per ogni classe di potenza, è possibile variare il tipo e la quantità di matrici SiC e il layout di raffreddamento per ottenere la soluzione ideale per ogni tipo di applicazione.
Il cosiddetto improved power device è un pacchetto di commutazione singolo con raffreddamento su due lati.
Caratteristica unica la capacità di accettare varie tipologie di matrici SiC prodotte da diversi produttori sullo stesso substrato.
I dispositivi SiC ad alta temperatura sono assemblati con un processo di die-attach; le connessioni di potenza sono avvitate o saldate al laser, mentre le connessioni ausiliarie sono semplicemente saldate.
L’oggetto complessivo è poi incapsulato in un nuovo tipo di resina epossidica. Il modulo finito può funzionare con temperature di giunzione pari o superiori ai tipici 175° C, riducendo le perdite del sistema e migliorando la gestione della corrente senza aumentare l’area del materiale attivo SiC.
Raffreddamento
Il raffreddamento del modulo di potenza è progettato per ottenere le massime prestazioni utilizzando processi di produzione semplici.
Questo consente di ottenere un modulo di raffreddamento scalabile per gestire in modo efficiente le alte temperature a costi ragionevoli.
Il materiale standard di costruzione è l’alluminio, sostituito dal rame nei casi in cui sono necessarie prestazioni termiche più elevate, a seconda dei dispositivi di potenza utilizzati nel pacchetto.
Il raffreddamento su due lati è garantito da dissipatori di calore superiori e inferiori che incorporano un design innovativo delle alette.
Queste ottimizzano le prestazioni termiche e riducono la caduta di pressione del sistema all’interno dei canali di raffreddamento, modificando il flusso in prossimità della parete dell’aletta per migliorare il trasferimento di calore dalla parete al refrigerante.
Il raffreddamento su due lati consente inoltre di utilizzare diversi materiali di interfaccia termica (TIM) e vari metodi di giunzione sulla parte superiore e inferiore del modulo di potenza.
Ogni dissipatore di calore viene prodotto stampando e poi saldando insieme il coperchio, la base e le alette di raffreddamento in una lega di rame ad alta conducibilità termica.
Il design del controller include l’INSSA
I nuovi circuiti integrati INverter System Safety ASIC (INSSA) sono ovviamente parte dell’architettura di controllo elettrico dell’inverter.
Questi permettono al circuito di controllo e al gate driver di condividere un’unica scheda principale, contribuendo a ridurre gli ingombri e a fornire un anello di feedback ad alta affidabilità per il rilevamento, il controllo e l’azionamento.
La Figura 1 mostra una singola scheda di controllo/gate driver con l’INSSA contornato in rosso. Le modifiche all’inverter necessarie per ottenere la conformità ASIL D comportano inevitabilmente un aumento delle dimensioni generali, del numero di componenti e dei costi, ma questi sono significativamente compensati dall’aggiunta dell’INSSA al progetto.
Ogni INSSA contribuisce a fornire potenza completamente indipendente alla circuiteria di azionamento del gate su ciascun lato dell’alimentazione ad alta tensione, in modo che se si verifica un guasto elettrico in un singolo punto dell’inverter, il sistema può reagire indipendentemente dall’intervento del microprocessore.
Monitora in continuo l’alimentazione ad alta tensione e la velocità del motore e utilizza queste misure e i segnali di guasto per mantenere uno stato operativo sicuro.
Questo è un vantaggio significativo della più recente tecnologia degli inverter BorgWarner; la capacità dell’INSSA di monitorare le informazioni diagnostiche del sistema e di comandarne l’uso corretto garantisce che il bus ad alta tensione sia sempre mantenuto entro un intervallo di sicurezza.
L’INSSA consente inoltre di risparmiare spazio e costi aggiuntivi eliminando la necessità di grandi resistenze di dissipazione.
La sua funzione di scarica attiva può sostituire le perdite di energia attraverso i moduli di potenza ad alta tensione per rilasciare l’energia dalle linee del bus ad alta tensione.
Integrazione dei componenti dell’inverter
Le caratteristiche del sistema, come la tensione operativa e la corrente di fase di picco della macchina elettrica, influiscono sulla progettazione dei componenti dell’inverter, compresi i moduli di potenza e le barre bus.
Queste caratteristiche, oltre al ripple di tensione accettabile e agli accoppiamenti circuitali controllati indirettamente dalle frequenze di commutazione e dalla velocità di risposta dell’inverter, definiscono anche le dimensioni fisiche del condensatore (bulk capacitor), ovvero il più grande dei componenti dell’inverter.
Per facilitare la scalabilità dell’inverter e aumentare le prestazioni termiche e la densità di potenza, nel processo di progettazione sono stati studiati metodi per ridurre al minimo le dimensioni del bulk capacitor.
BorgWarner ha scelto di utilizzare la tecnologia dei condensatori di futura generazione per ottenere una significativa riduzione delle dimensioni, pur mantenendo le prestazioni e le capacità di auto-riparazione dei condensatori convenzionali.
Un ulteriore miglioramento della scalabilità è stato ottenuto segmentando il condensatore in diversi blocchi più piccoli disposti in parallelo, con l’ulteriore vantaggio di una più facile gestione termica e di una ridotta resistenza equivalente in serie (ESR).
La saldatura laser dei singoli blocchi su un sottogruppo di sbarre DC completamente laminato offre la più bassa induttanza di serie equivalente (ESL) e massimizza le prestazioni.
La segmentazione di un condensatore in sei blocchi è indicata in Figura 2.
Facilità di assemblaggio dell’inverter
L’inverter di nuova generazione può essere costruito in un numero inferiore di fasi; il condensatore, le bus bar HVAC, l’unità HVDC, il modulo di potenza e il circuito stampato principale vengono assemblati all’interno dell’alloggiamento principale, chiuso poi da un coperchio.
La maggiore integrazione dei componenti e la semplificazione del processo di costruzione consentono di ottenere un oggetto con un peso complessivo a secco di circa 7 kg e un volume di componenti attivi inferiore a quattro litri.
La Figura 3 mostra in una vista esplosa il progetto di base dell’inverter.
Conclusioni
Le innovazioni e le tecniche di progettazione di BorgWarner hanno consentito di realizzare un inverter di nuova generazione sicuro, leader del settore, efficiente e compatto e con un’architettura di controllo in grado di gestire i guasti.
Il sistema è conforme alla norma ISO 26262 ASIL D e raggiunge l’obiettivo VTO 2025 di una densità di potenza di 100 kW/litro, il tutto in un pacchetto equilibrato dal punto di vista delle dimensioni, della facilità di assemblaggio e in definitiva dei costi.
