High-Performance passenger HEV modelling and simulation: IGBT and SiC inverters comparison

La situazione climatica mondiale è critica, l’industria automobilistica ha gli occhi puntati addosso, le autorità di competenza hanno obiettivi ambiziosi da raggiungere e hanno stabilito tempistiche strette. Nel concreto, l’Unione Europea ha stabilito che l’intero sistema automobilistico diventi “CO2 neutral” entro il 2050, obiettivo difficile da realizzare utilizzando piattaforme tradizionali a combustibili fossili, è inevitabile quindi una evoluzione tecnologica che combini l’utilizzo di più fonti propulsive o più ecologiche, come per esempio, l’utilizzo di motori a idrogeno o l’implementazione di sistemi propulsivi ibridi, nei quali il motore a combustione interna è abbinato ad uno o più motori elettrici. Il veicolo ibrido ha una storia lunga cento anni, tuttavia a seguito dell’arretratezza tecnologica di quegli anni, l’implementazione di questa architettura non ha avuto particolare successo, infatti le batterie e i motori elettrici erano di dimensioni notevoli, gravando sul peso dell’intero veicolo e sullo spazio occupato. Il noto scandalo mondiale chiamato “Diesel Gate”, ha scatenato una bufera mediatica e un inevitabile controllo a tutte le case automobilistiche e molti veicoli si sono confermati più inquinanti rispetto a quanto rilevato durante il ciclo di omologazione, di conseguenza il ciclo è stato sostituito e sono state aggiunte delle rilevazioni su strada. L’evoluzione tecnologica dell’elettronica di potenza ha permesso di aumentare l’utilizzo dell’architettura ibrida o totalmente elettrica e al giorno d’oggi, gran parte delle case automobilistiche hanno a listino almeno un modello ibrido o elettrico. L’elettronica di potenza, in particolare l’inverter, è in continua evoluzione e la ricerca sta portando i produttori di elettronica all’utilizzo di materiali e leghe speciali in grado di essere molto efficienti, sia dal punto di vista termico che energetico, capaci di diminuire peso e dimensioni di inverter. Nel caso degli inverter SiC, il sistema di raffreddamento può essere notevolmente ridotto in dimensioni, essendo una lega capace di dissipare molto meglio il calore rispetto agli inverter IGBT. Nella seguente tesi è stato sviluppato un modello 0-dimensionale della modalità elettrica di un veicolo ibrido ad alte prestazioni. Il tutto è stato sviluppato in ambiente Matlab/Simulink ed è utile a comprendere i miglioramenti nell’adozione di inverter a tecnologia SiC rispetto a inverter IGBT. Il modello funziona partendo da un ciclo WLTP classe 3 dal quale vengono ottenuti due segnali, velocità longitudinale e accelerazione, successivamente i segnali vengono convertiti in richiesta di coppia e velocità rotazionale dei due motori presenti nell’asse anteriore del veicolo. Successivamente divengono input di due mappe di efficienza relative ai due motori elettrici a flusso assiale prodotti da Texa S.p.a. e a due mappe relative agli inverter, differenziate per tecnologia. Una percentuale di efficienza totale del sistema è ottenuta, vengono calcolate le perdite di potenza, sommate alla potenza richiesta al sistema propulsivo e successivamente viene ottenuta la corrente totale da richiedere alla batteria. Il ciclo viene ripetuto all’infinito fino a quando la carica della batteria arriva al 5% e i risultati, in termini di elettricità consumata e chilometri percorsi con una carica di batteria vengono quindi valutati e confrontate le due tipologie di inverter, SiC e IGBT.