Falownik (inwerter)

Falownik to moduł energoelektroniczny umieszczony pomiędzy akumulatorem wysokonapięciowym samochodu elektrycznego a silnikiem napędowym i można go uznać za mózg całego układu napędowego. Jego podstawowym zadaniem jest zamiana stałego prądu zmagazynowanego w akumulatorze na prąd przemienny o dokładnie takiej częstotliwości i amplitudzie, by silnik obracał się z żądaną prędkością i momentem obrotowym. Ponieważ silniki aut elektrycznych są niemal zawsze maszynami prądu przemiennego, a akumulatory potrafią magazynować jedynie prąd stały, bez tej konwersji auto w ogóle nie ruszyłoby z miejsca.

Wewnątrz falownik korzysta z zespołów szybkich łączników elektronicznych — dawniej krzemowych tranzystorów IGBT, coraz częściej tranzystorów MOSFET z węglika krzemu — ułożonych w trzy pary, po jednej na każdą fazę silnika. Układ sterujący włącza i wyłącza te elementy wiele tysięcy razy na sekundę, stosując technikę modulacji szerokości impulsu (PWM), by pociąć prąd stały na serię impulsów, których średnia odwzorowuje gładką sinusoidę. Zmieniając częstotliwość tej syntetyzowanej fali, falownik ustawia prędkość silnika, a zmieniając jej amplitudę i fazę względem wirnika, ustala moment obrotowy, wszystko w odpowiedzi na nacisk na pedał przyspieszenia.

Dla kierowcy przekłada się to wprost na płynną, pozbawioną skrzyni biegów reakcję, która definiuje samochody elektryczne. Naciśnięcie pedału to żądanie większego prądu skierowane do falownika; spełnia je on w ciągu milisekund, dlatego auta elektryczne oferują natychmiastowy moment obrotowy i nie potrzebują sprzęgła ani wielobiegowej przekładni. Falownik nieustannie zarządza też silnikiem, by utrzymać go w bezpiecznych granicach temperatury i prądu, chroniąc układ napędowy, a zarazem wydobywając maksimum osiągów i sprawności z danego stanu naładowania akumulatora.

Falownik działa dwukierunkowo i to właśnie umożliwia hamowanie odzyskowe. Gdy kierowca puszcza pedał przyspieszenia lub hamuje, silnik zaczyna pracować jako prądnica, a falownik działa wstecz: pobiera prąd przemienny wytwarzany przez obracający się silnik i prostuje go z powrotem na prąd stały, by doładować akumulator, jednocześnie zapewniając efekt hamowania na kołach. Ten sam podzespół zarówno napędza auto, jak i odzyskuje energię, która w innym wypadku zostałaby utracona jako ciepło w hamulcach ciernych.

Dobór półprzewodników jest dziś dominującym czynnikiem decydującym o osiągach falownika. Elementy z węglika krzemu przełączają się szybciej i tracą mniej energii w postaci ciepła niż starsze elementy krzemowe, co podnosi sprawność o kilka procent, pozwala na wyższe napięcia pracy, takie jak architektury 800 V, oraz zmniejsza rozmiar i wymagania chłodzenia modułu. Zyski te przekładają się wprost na większy zasięg i sprawniejsze zarządzanie ciepłem. Jako ściśle dopasowany partner zarówno silnika, jak i akumulatora, falownik najlepiej rozumieć jako jeden z elementów zintegrowanego układu napędowego, a nie samodzielną skrzynkę, a jego moc znamionowa w kilowatach w praktyce wyznacza górną granicę mocy auta.