EV_News

Tesla eleva al 97% la eficiencia de sus motores eléctricos gracias al inversor de carburo de silicio

El empleo de transistores de efecto de campo (MOSFET), fabricados a base de semiconductores de carburo de silicio, en sus inversores permite que el tren motriz de Tesla sea capaz de alcanzar eficiencias de hasta el 97%

GONZALO GARCÍA07 MARZO 2021 - 11:00 H.

Las tres grandes tecnologías que hacen que un vehículo eléctrico sea superior a otros son la batería, el motor eléctrico de tracción y la electrónica de potencia. Es sabido que Tesla se encuentra en la vanguardia en los dos primeros, pero quizás es menos conocido que también lo está en el tercero, sobre todo por el empleo, a partir del lanzamiento del Model 3, de inversores de carburo de silicio. Con ellos ha conseguido elevar la eficiencia de sus motores eléctricos hasta un 97%, reducir el peso total de este componente tan importante del vehículo y reducir los costes de producción.

La aparición de Tesla en el mercado automovilístico ha supuesto una auténtica revolución en la industria. Se podría decir que ha conseguido, simultáneamente, ser el mejor y el más popular en lo que hace. Su meteórico ascenso en el mercado le ha convertido rápidamente en el fabricante de vehículos eléctricos que más coches vende tanto en su mercado local, California, como en los principales mercados mundiales en los que opera como los europeos, el chino o el de Corea del Sur. Además ha convertido a su CEO, Elon Musk, en uno de los hombres más ricos del mundo.

Tesla y la innovación

Una de las razones por las que su proyecto está funcionando es la innovación tecnológica. La última es el desarrollo de celdas 4680 que darán lugar a baterías estructurales, que aumentarán la densidad energética, reducirán el peso del vehículo y, por lo tanto, la autonomía que pueden lograr con ellas. Anteriormente ya había revolucionado los motores eléctricos de imanes permanentes cuando los implementó en el Model 3. En el Model S y en el Model X, Tesla utilizaba motores de inducción de corriente alterna y excitación externa, para evitar el uso de materiales escasos y dependientes de pocos suministradores, como son los imanes permanentes de tierras raras. En 2017, con el Model 3, la compañía cambió a los motores eléctricos de imanes permanentes y reluctancia variable (resistencia que un circuito ofrece al paso del flujo magnético). Este motor eléctrico, más eficiente, está contribuyendo a que el Model 3 esté alcanzado eficiencias del 97% respecto al 93% del Model S y del Model X.

Esquema de componentes y funcionamiento del tren motriz de un coche eléctrico. Fuente: IDTechEx.

Un repaso a lo básico de la electrónica de potencia

En este campo Tesla también se encuentra por delante de sus competidores gracias a las oportunidades que ofrecen los nuevos materiales. Para los vehículos eléctricos, la electrónica de potencia es fundamental porque es responsable de varias funciones fundamentales para su funcionamiento, aunque probablemente el componente más crítico es el inversor principal. Es, el encargado de convertir la corriente continua que sale de la batería de tracción en la corriente alterna que necesita el motor para su funcionamiento. Además, la electrónica que incorpora, controla, la intensidad y la frecuencia de salida de la energía, variando la velocidad a la que gira el motor y la potencia, según la demanda del conductor en cada momento.

En el núcleo de los dispositivos electrónicos de potencia se encuentran la tecnología de interruptores de potencia (transistores), que ya tienen a sus espaldas cinco generaciones. Hoy en día, en aplicaciones de media potencia, entre los que se incluyen los inversores de los vehículos eléctricos, se emplean los transistores bipolares de puerta aislada de silicio (Si IGBT).

Actualmente se está produciendo la transición a una sexta generación con el empleo de materiales semiconductores de banda ancha: el carburo de silicio (SiC) para aplicaciones de alta tensión y potencia y el nitruro de galio (GaN) para las de baja tensión y potencia. Este cambio permite obtener módulos de potencia más pequeños y de mayor densidad, que operan a temperaturas más altas y crean oportunidades para el empleo de nuevos materiales en todo el módulo de potencia.

Inversores de carburo de silicio: la innovación de Tesla

Con el lanzamiento del Model 3 en 2018, Tesla se convirtió en la primera compañía en agregar transistores de efecto de campo (MOSFET) en un inversor interno, fabricados a base de semiconductores de carburo de silicio. El diseño general ofrece varias innovaciones más allá del uso de paquetes SiC, aunque el empleo de estos transistores para amplificar o conmutar señales electrónicas es la principal. El resultado es que el peso total del inversor, 4,8 kilogramos, es menos de la mitad que el del Nissan Leaf 2019, que pesa 11,15 kilogramos, y más de un tercio menos que el del Jaguar I-PACE (8,23 kg), que utilizan Si IGBT.

El empleo de estos SiC MOSFET crea oportunidades para el empleo de nuevos materiales ya que permite ampliar los límites de los materiales tradicionales. Para hacer frente a las mayores densidades de potencia, se utiliza un marco de plomo de cobre en lugar de las uniones de alambre de aluminio convencionales, que se comporta como una estructura que al ser metálica transporta las señales desde la matriz al resto del inversor. El material de unión a la matriz también es diferente a las soldaduras convencionales, empleándose materiales de unión de plata prensados, que manejan mejor las altas temperaturas.

Al igual que ocurre con cualquier tecnología emergente, el coste ha sido la principal barrera para la implementación de los MOSFET de SiC. Tesla parece haber resuelto este problema. Su inversor ha experimentado una notable disminución de coste en solo tres años. En su informe Electric Vehicles: Land, Sea and Air 2021-2041, la consultora IDTechEx incluye un gráfico que muestra la curva de costes estimados del inversor del Model 3 en 2018 y los de la segunda generación del mismo inversor en el Model Y de 2020. Como puede verse, el inversor SiC de Tesla ya está a la par con los módulos Si IGBT utilizados en las versiones 2019 del Nissan Leaf y del Jaguar I-PACE.

Evolución del coste de producción del inversor SiC MOFSET del Tesla Model 3 y del Tesla Model Y. Fuente: IDTechEx con datos de costes de paquetes de inversores de Munro & Associates.

El resultado de la innovación se traduce en eficiencia

El resultado de todo este conjunto de innovaciones que combinan el inversor de SiC y el motor de imanes permanentes de Tesla es que la eficiencia en el rendimiento del tren propulsor es una de las mejores, sino la mejor del mercado. Es capaz de aprovechar hasta un 97% de la energía que almacenan las nuevas baterías con celdas 4680, todo esto con un coste similar al de las tecnologías más antiguas que ahora se están quedando obsoletas.

EV Charging infrastructure. Vehicles or charging network. Which comes first.

Some that know me will be aware I like to ask searching, if not provocative, questions – and this article probably won’t change their minds about me.

So what are the drivers (pardon the pun) for the installation of public electric vehicle (EV) charging points and which comes first, the EVs or the charging network?

More than 60% of all current private EV owners have never charged their vehicles away from their homes – and they don’t see that changing in the near future. So why do we need a public charging network and what are likely to be the catalysts needed for change?

Range to drive network expansion

The why is reasonably simple and straightforward to answer. The more EVs there are and the greater their range, then the more likelihood of finding EV users who are willing to travel further afield for business or pleasure and need to charge their vehicle to get home again.

We also need to think about those drivers who don’t have access to a garage or drive, so can only charge at the street side. Then we have white van man, public transport and taxis, which are moving around our urban areas all day and need to charge on the go.

We should also consider businesses looking to accommodate their customers’ needs. Can they use EV charging to retain current and attract new customers? For example, I’ve discussed this very topic with budget retailers who are looking to install EV charging to bring a different type of customer to their stores.

New revenue stream for businesses

Some organisations also see the potential to create new revenue streams by offering parking with EV charging, especially in the public sector. The opportunity for businesses here is to attract customers through the convenience and necessity of charging, which improves their customer offer relative to their traditional competitors.

So to simplistically answer my initial question – why do we need a public charging network – the answer is for lots of reasons. But none of this answers the more difficult question “which comes first”?

Home charging set to continue

In my view, it will be the charging network for domestic and fleet vehicles which can charge at home. I’m talking about private cars, company cars and some company vans which are kept at the employees’ homes overnight.

The infrastructure requirements are reasonably simple. The data collection and reporting capability – depending on where and from who you buy your charging point – is already available. So many EV drivers won’t need to use public charging points.

Businesses with electric fleet or company cars which park at their sites during the day will need to look at installing EV charging for their staff, and potentially a few extra for their customers. But these might not be available to the general public.

So, in my humble opinion, we’ll see a slow growth in installation of private (domestic and business) charging points. Then as numbers of EVs increase, we’ll see more demand for publically available points, unless forward thinking businesses have future proofed their customer offer by proactively installing in advance.

Hindering technological advances

However, a slow uptake does create some issues with technological advances in the charging arena. For instance, when will induction charging become commercially viable? We are already seeing BMW and other manufacturers designing cars which don’t need to be plugged in, just driven into an ‘induction’ parking bay to charge.

So do you buy and install the current big charging boxes with leads hanging around the place now, or wait on induction charging and have a nice pad you can just park your car over?

And what about hydrogen fuel cells? Will these become the go-to solution for longer distances, leaving EVs for the urban environment? If hydrogen does become the answer, then there’s no reason to install EV charging at many ‘petrol’ stations, when you’d potentially only need them on motorways or services close to major trunk roads.

Setting the standard for charging software

There are also questions around charging software, data collection and reporting. What is the standard today, what will it be in the future, how can you charge someone else for using your charging post either at home, in the workplace or on the street?

The role of Demand Side Response products and how EVs or hydrogen vehicles will connect to the Grid in the future is another common area for queries. Will they be used for Frequency Response and will they be able to take a home or office off the grid during peak periods?

Ultimately, do you get today’s technology now – or wait until the new ‘better stuff’ is available?

Creating the right environment for investment

All these questions and considerations are valid – and potentially create infrastructure investment uncertainty while the car manufacturers are making increasingly positive noises. So what’s needed to start the ball rolling and get people investing and taking this seriously? I have an idea or two, some of which may not appeal to everyone. But here goes…

  1. Make planning consent mandatory. Central government should legislate that every local authority and planning board MUST include a requirement to deliver the infrastructure needed for EV charging points in ALL new builds (domestic and commercial) and major refurbishment projects. This as a minimum will mean installing the required cabling, metering and distribution boards for a client to be able to invest in EV charging at greatly reduced costs. If the cables, the meter and the fuses are there, you just need to plug your charging point in (a bit simplistic but you get the gist).

  2. Standardise protocols. I’m sure some will say this is already the case, while others will recognise that many charging point providers have their own software and data collection networks. Although many claim their equipment will talk to everyone else’s because it’s an open protocol, unfortunately I find this a bit hard to believe. I regularly see examples where problems getting one company’s software talking to another company’s hardware stops or delays investment.

  3. A Data Collection Company using blockchain technology. Again, in my humble opinion, we need to use the Smart metering model of centralising all data collected from charging posts using something like blockchain. Tens of thousands of interactions which are all the same and from which the customer (EV owner) can get all the data they need, then can buy their energy from the supplier they want, at the price they want and use any charging post they can plug into.

Education is the key

So, in summary, I think we in the EV charging world – alongside car manufacturers, energy suppliers, energy generators, grid and distribution companies – have a lot to do to educate customers and government about what is needed to make the monumental shift from fossil fuels in our vehicles to a distributed grid which includes electric and perhaps hydrogen vehicles.

It’s easy for someone to say we are banning all new petrol/diesel/LPG cars by 2040. But there is a lot of stuff to do before that vision becomes a reality, especially as those legislating for this won’t be in power when it actually happens. In fact, some of us probably won’t even be here when it happens!

We need to start today, legislating for the changes needed to get the infrastructure in place, the energy generation and storage in place and all the systems and software talking to each other. This is not complicated and we have already learnt so many lessons in the past from doing similar things (Smart metering being a perfect example) – so we should be able to get this right first time.

The vehicles will be built and sold, the infrastructure will be installed and the technology will keep changing and improving, so our job is to make it simple for everyone now and create a clear road map for the EV charging industry in the UK going forward.

So what comes first – EVs or charging networks? It’s probably not an either or – but more of a both. Alongside this, however, is another critical factor – and that’s education. This is key to creating a successful EV world for the future.