Inverter: a cosa serve e perché è fondamentale nelle auto ibride ed elettriche

L’ inverter di trazione è un componente chiave per tutta la mobilità elettrica, assolutamente nevralgico per la gestione della coppia e della potenza erogata in un veicolo a trazione elettrica.

L’ inverter consente infatti di trasformare con flessibilità ed efficienza tutti i parametri fondamentali della corrente: frequenza, forma dell’onda e tensione. In base all’input che proviene dal pedale dell’acceleratore, l’inverter comunica al motore elettrico a quanto girare, quanto potenza erogare e quando erogarla. Se la centralina è il “cervello” del veicolo, l’inverter è dunque il “cuore” che fa circolare l’energia necessaria al motore elettrico.

Gli inverter di nuova generazione

Gli inverter di ultima generazione che equipaggiano i più recenti veicoli elettrici sono generalmente raffreddati a liquido, così da garantirne un’efficienza ottimale anche a temperature elevate. I componentisti si sono inoltre notevolmente sforzati per renderli il più possibile compatti, rispondendo alla necessità di alloggiarli in spazi sempre più stretti. La maggior parte degli inverter è basata sui moduli IGBT ma da qualche anno sul mercato hanno iniziato a prendere piede anche i più recenti MOSFET SiC. Questi ultimi – generalmente disponibili nelle versioni da 400, 600, o 800 Volt in modo da offrire varie combinazioni ai Car maker – si sono dimostrati ancora più efficienti ai bassi regimi e bassi carichi e quindi ideali nell’utilizzo in città del veicolo.

Inverter auto: come funziona

L’energia proveniente dal pacco batterie ad alta tensione che alimenta il motore elettrico di un veicolo full hybrid / elettrico deve essere “gestita” in maniera ottimale. A questo serve l’ inverter di trazione, che deve commutare efficientemente l’energia per garantire performance ottimali del motore elettrico.

Le batterie al litio dei veicoli elettrici e ibridi accumulano energia sotto forma di corrente continua (DC). L’inverter trasforma questa corrente continua nella corrente alternata che serve al motore elettrico per fare muovere il veicolo. All’ inverter spetta inoltre il compito di modificare la frequenza e l’ampiezza della corrente alternata per aumentare o diminuire la velocità e la potenza del motore, in base all’ input proveniente dall’acceleratore.

Per convertire la corrente continua in corrente alternata, gli inverter utilizzano componenti elettronici come IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) o MOSFET

Anche nella frenata rigenerativa, attraverso cui il motore fa da “generatore” recuperando energia in frenata, l’ inverter gioca un ruolo fondamentale. In questo caso l’inverter va infatti a convertire l’energia alternata prodotta dal propulsore elettrico in corrente continua che viene immagazzinata nella batteria ricaricandola.

I microcontrollori degli inverter di trazione

Fondamentali sono i microcontrollori – dispositivo elettronico integrato su singolo circuito elettronico, nato come evoluzione alternativa al microprocessore – che consentono un controllo praticamente istantaneo del flusso di energia, contribuendo all’incremento dell’efficienza. I rapidi sviluppi della mobilità elettrica hanno portato allo sviluppo di microcontrollori sempre più tecnologici dotati di rilevamento e controllo a bassa latenza e ad alta precisione in modo da supportare le più alte frequenze di commutazione e massimizzare la resa del sistema.

Anche lo sviluppo tecnologico degli inverter di trazione si inserisce nella ricerca di una sempre maggiore densità di potenza da parte dei costruttori. Migliorare la densità di potenza dei sistemi elettronici significa infatti ottenere più energia dalle schede più piccole, e questo permette di ridurre peso e dimensioni dei motori elettrici, dei sistemi di conversione e di componenti chiave come l’inverter. Tutto questo consente un alleggerimento dei veicoli elettrici, migliorandone ulteriormente prestazioni e autonomia.

Altro importante fronte su cui lavorano componentisti e Case auto è l’integrazione di diversi componenti in un unico modulo controllato da un unico controller di dominio (al posto delle singole centraline). E’ il caso, ad esempio, delle unità che combinano inverter-caricabatterie di bordo- convertitori DC/DC. Il passo successivo è quello di integrare anche il gruppo propulsore, con vantaggi per le case in termini di costi di progettazione, affidabilità ed efficienza.

Inverter SiC al carburo di silicio e inverter IGBT: caratteristiche e differenze

Una delle più importanti evoluzioni in materia di inverter è il passaggio dalla tecnologica IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) a quella al carburo di silicio (SiC) per gli interruttori ad alta tensione. Il carburo di silicio è riconosciuto come una tecnologia di riferimento per l’elettronica di potenza grazie alle eccellenti prestazioni ad alte temperature e alto voltaggio, che hanno permesso di sviluppare inverter di dimensioni inferiori ma capaci di convertire con la massima efficienza la corrente continua (DC) generata dalle batterie in corrente alternata (AC) necessaria per far funzionare il motore elettrico.

La tecnologia SiC ha consentito dunque significativi miglioramenti in termini di dimensioni, peso e soprattutto efficienza, parametro assolutamente determinante per i veicoli elettrici. I nuovi inverter SiC sono infatti in grado di “estrarre” più energia dalla batteria in modo più efficiente, con un decisivo incremento dell’autonomia del veicolo. Migliorati anche i tempi di ricarica e le performance in termini di accelerazione, oltre al fatto che – riuscendo ad estrarre più energia – le dimensione delle batterie possono essere ridotte, rendendo i veicoli più leggeri.

Gli inverter con tecnologica IGBT continuano comunque ad essere particolarmente diffusi, essendo considerati meno soggetti a potenziali danni da cortocircuito. L’alta velocità di commutazione dei SiC può infatti generare maggiori interferenza elettriche che devono essere adeguatamente neutralizzate.

A determinare i requisiti di sicurezza funzionale degli inverter e di altri componenti fondamentali dei veicoli elettrici è lo standard ASIL D (Automotive Safety Integrity di livello D), che ne definisce appunto la conformità

Malfunzionamento: i segnali

Se l’inverter non funziona correttamente, il motore elettrico può non ricevere la potenza richiesta e questo potrebbe tradursi in difficoltà di accelerazione, perdita di potenza durante la guida fino al blocco del veicolo. Generalmente un problema all’inverter viene rilevato e segnalato dall’accensione sul cruscotto della spia motore (messaggio di errore trazione elettrica) o da una spia di avaria del sistema elettronico.

In questi casi potrebbe attivarsi la modalità di sicurezza che limita potenza e velocità indicando di raggiungere l’officina. Se l’inverter non funziona correttamente potrebbero essere limitato o compromesso anche il recupero di energia dalla frenata rigenerativa, facendo scaricare più rapidamente la batteria. Se non si interviene in tempi stretti, un malfunzionamento dell’inverter potrebbe danneggiare la batteria stessa o il motore elettrico, o creare problemi ad altri componenti della trazione elettrica.

L’ inverter non funziona: possibili cause

Le elevate frequenze con cui opera l’inverter possono surriscaldarlo e, qualora vi sia un problema al sistema di raffreddamento, si possono avere dei danni piuttosto complessi. In alcuni casi potrebbe invece trattarsi di un semplice cablaggio o connettore difettoso, che possono tuttavia mettere fuori uso l’inverter.

Anche i transistor IGBT o MOSFET all’interno dell’ inverter possono danneggiarsi – per eccessive sollecitazioni elettriche ma anche meccaniche – compromettendo il funzionamento del sistema. Ovviamente anche una sovratensione o un cortocircuito possono danneggiare i componenti degli inverter e provocare un guasto.

Riparazioni auto elettriche e ibride: necessaria la qualifica PES PAV

Va ricordato che per intervenire sui sistemi delle auto elettriche e ibridi, e quindi anche per verificare eventuali problematiche dell’inverter, è necessario che l’ autoriparatore abbia una qualifica qualifica PES PAV e Idoneità in conformità alla Normativa CEI 11-27, livello 1B-2B, attraverso il quale si riconosce la capacità dell’ autoriparatore di operare sotto tensione e a norma di legge sui veicoli elettrici.

E’ infatti fondamentale che gli operatori abbiano acquisito le basi di come funzionano i sistemi elettrici dei veicoli e i criteri di sicurezza per la manutenzione e diagnosi dei veicoli elettrici e ibridi (che rappresentano il primo livello della qualifica), per poi acquisire le procedure per la de-energizzazione manuale e controlli speciali dei veicoli e la diagnosi avanzata.