Σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο, από την άλλη πλευρά, η μπαταρία είναι το ρεζερβουάρ καυσίμου. Η πηγή ενέργειας ή ισχύος που αποθηκεύει αποτελείται από ηλεκτρόνια, τα σχεδόν χωρίς μάζα στοιχειακά σωματίδια που μπορούν να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός ακριβώς σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, η αντίσταση μέσα στις γραμμές επιβραδύνει κάπως την ισχύ, αλλά ωστόσο ταξιδεύουν πολύ πιο γρήγορα από τα υγρά ή τα αέρια καύσιμα. Αυτή η διαφορά εξηγεί γιατί ένας ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί να φτάσει την επιθυμητή ταχύτητα σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Όσο η τάση είναι σταθερή, η μηχανική ενέργεια που παράγεται εξαρτάται αποκλειστικά από τα πόσα ηλεκτρόνια παράγονται στις περιελίξεις του ηλεκτρικού κινητήρα.
Τα ηλεκτρονικά ισχύος ελέγχουν τη ροή των ηλεκτρονίων
Τι σημαίνει αυτό στην πράξη; Η ροή ηλεκτρονίων πρέπει να ελέγχεται με ακρίβεια προκειμένου να προσαρμόζεται η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα στην κατάσταση οδήγησης. Ακόμη και ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο χρειάζεται έναν τύπο συστήματος ψεκασμού, του οποίου ο χειρισμός γίνεται, στην περίπτωση αυτή, από τα ηλεκτρονικά ισχύος που συνδέονται με τον ηλεκτρικό κινητήρα. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά ισχύος έχουν έχει μια άλλη σημαντική δουλειά. Η μπαταρία του οχήματος, μια μπαταρία ιόντων λιθίου, μπορεί να αποδίδει και να λαμβάνει συνεχές ρεύμα αποκλειστικά. Τα σύγχρονα ηλεκτρικά συστήματα κίνησης στα αυτοκίνητα, ωστόσο, χρησιμοποιούν πάντα εναλλασσόμενο ρεύμα και η παραγωγή του ελέγχεται από τα ηλεκτρονικά ισχύος.
Εάν το όχημα φρενάρει και ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια, το παραγόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα πρέπει να ανορθωθεί πριν αποθηκευτεί στη μπαταρία. Όπως και στην καθημερινή χρήση, η ισχύς στα ηλεκτρονικά ισχύος συνεχώς συμβαίνει και προς τις δύο κατευθύνσεις, η αποδοτικότητα των ηλεκτρονικών ισχύος είναι καθοριστική για τον καθορισμό της απόστασης που μπορεί να διανύσει ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο με μία φόρτιση της μπαταρίας. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ισχύος, όπως τα συστήματα που αναπτύσσει η ZF στο εργοστάσιο της, στο Auerbach, επιτυγχάνουν ήδη ένα επίπεδο απόδοσης μεγαλύτερο από 95% στον κύκλο WLTP.
Ημιαγωγοί ηλεκτρονικών ισχύος: Τα μπεκ ψεκασμού του ηλεκτρικού κινητήρα
Στα ηλεκτρονικά ισχύος, οι ημιαγωγοί είναι σημαντικά στοιχεία που καθορίζουν το επίπεδο απόδοσης. Παρόμοια με το πώς το άνοιγμα και το κλείσιμο των μπεκ ψεκασμού καυσίμου ρυθμίζει τον όγκο του καυσίμου, αυτοί οι ημιαγωγοί εμποδίζουν τη διαδρομή των ηλεκτρονίων σε μια κατάσταση αδράνειας. Ανάλογα με το σχεδιασμό, ο ημιαγωγός ανοίγει τη διαδρομή - είτε δημιουργώντας μια τάση σε αυτήν είτε δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αυτές οι διαδικασίες μπορούν επίσης να συνδυαστούν. Αυτό το σενάριο περιλαμβάνει ένα διπολικό τρανζίστορ μονωμένης πύλης ή για συντομία IGBT. Όλοι οι ημιαγωγοί ισχύος που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν ένα κοινό: Βασίζονται σε καθαρό πυρίτιο. Αυτό έχει πολλά οφέλη, συμπεριλαμβανομένου του γεγονότος ότι οι κρύσταλλοι πυριτίου μπορούν να κατασκευαστούν και να υποβληθούν σε περαιτέρω επεξεργασία χρησιμοποιώντας τις ίδιες διαδικασίες όπως αυτές για τα τσιπ υπολογιστών.
Με την ίδια απόδοση μπαταρίας, τα ηλεκτρονικά ισχύος με τσιπ βασισμένα σε καρβίδιο πυριτίου υπόσχονται μια αυτονομία του ηλεκτρικού οχήματος που είναι πέντε έως δέκα τοις εκατό μεγαλύτερη από αυτήν των ηλεκτρονικών ισχύος με βάση το πυρίτιο.
Τα μειονεκτήματα του φθηνού πυριτίου
Η αντίστροφη τάση ενός ημιαγωγού πυριτίου - με άλλα λόγια, η πίεση στην οποία πρέπει να αντισταθεί η ηλεκτρική βαλβίδα - εξαρτάται σχεδόν εξ ολοκλήρου από το πάχος της. Η συνέπεια είναι ότι όσο αυξάνεται η τάση, το ίδιο ισχύει και για το μέγεθος των ημιαγωγών, γεγονός που μειώνει το επίπεδο απόδοσης όταν το όχημα βρίσκεται σε λειτουργία. Ενώ οι κινητήρες σε όλα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα λειτουργούν μέχρι στιγμής με 400 Volt, το 2019 κυκλοφόρησαν στην αγορά τα πρώτα οχήματα που τροφοδοτούνται με 800 Volt. Ο λόγος του διπλασιασμού της τάσης δεν οφείλεται στα οδηγικά πλεονεκτήματα, αλλά αυτή η αύξηση μειώνει το σχετικό χρόνο φόρτισης κατά το ήμισυ.
Υπό το πρίσμα αυτό, η ZF εργάστηκε για μια νέα γενιά ηλεκτρονικών ισχύος. Βασίζεται σε ημιαγωγούς ισχύος από καρβίδιο πυριτίου. Σε αυτό το υλικό, κάθε άτομο πυριτίου συνδέεται με τέσσερα άτομα άνθρακα - και αντιστρόφως. Τα άτομα άνθρακα δεν είναι μόνο μικρότερα από τα αντίστοιχα στο πυρίτιο, αλλά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνδέονται μεταξύ τους. Ισχύς πεδίου δέκα φορές υψηλότερη και έως και τρία megavolt ανά εκατοστό μπορεί να δημιουργηθεί στο πιο συμπαγές υλικό πριν διαρραγεί η δομή του πλέγματος.
Μεγαλύτερη αυτονομία λόγω των τσιπ καρβιδίου πυριτίου
Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι η ίδια τάση μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας τσιπ που είναι δέκα φορές πιο λεπτά. Για ένα σύστημα κίνησης των 800 Volt, αρκεί οι ημιαγωγοί να έχουν πάχος περίπου 100 μικρόμετρα. Το μειωμένο ύψος σχεδιασμού σημαίνει επίσης χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση. Κατά συνέπεια, λιγότερα ηλεκτρόνια χάνονται στο δρόμο προς τον κινητήρα - αυξάνοντας έτσι το επίπεδο απόδοσης. Οι μηχανικοί παρατηρούν επίσης αυτήν την πρόοδο, ακόμη και αν δεν καταλαβαίνουν τη φυσική των ημιαγωγών, επειδή χωρίς να αλλάξουν το μέγεθος της μπαταρίας, αυτοί οι νέοι ημιαγωγοί μπορούν να αυξήσουν την αυτονομία κατά πέντε έως δέκα τοις εκατό.