Cosa rende una Tesla diversa? Le tre tecnologie principali tipicamente citate per i veicoli elettrici sono la batteria, il motore elettrico di trazione e l'elettronica di potenza. Tesla è all'avanguardia in tutte e tre, quindi, sebbene il prezzo delle sue azioni possa essere "troppo alto per l'IMO", è il suo ritmo di innovazione a garantirle un posto tra i leader e la fiducia di molti consumatori. In questo articolo, ci concentriamo sulle innovazioni di Tesla nel campo dell'elettronica di potenza e su alcune delle nuove opportunità offerte dai materiali.
Inverter al carburo di silicio:
nei veicoli elettrici, l'elettronica di potenza è fondamentale per diverse funzioni, ma forse la più critica di tutte è l'inverter principale, che converte la corrente continua della batteria in corrente alternata trifase per il corretto funzionamento del motore di trazione elettrico. Al centro dei dispositivi di elettronica di potenza si trovano le tecnologie di commutazione di potenza (transistor), che hanno già subito oltre cinque generazioni di progressi. Attualmente, i transistor bipolari a gate isolato al silicio (Si IGBT) dominano la gamma di potenza media, compresi gli inverter per veicoli elettrici. Stiamo ora passando alla sesta generazione, in cui i materiali semiconduttori a banda larga stanno prendendo il sopravvento: il carburo di silicio (SiC) per applicazioni ad alta tensione e alta potenza e il nitruro di gallio (GaN) per applicazioni a bassa tensione e bassa potenza. Questo cambiamento consente ai moduli di potenza di essere più piccoli e con una maggiore densità, di operare a temperature più elevate e crea nuove opportunità per i materiali in tutto il packaging dei moduli di potenza.
Perché l'inverter di Tesla è innovativo? Ebbene, con il lancio della Model 3 nel 2018, Tesla è diventata la prima azienda a integrare transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) in SiC, forniti da ST Microelectronics, nel design del proprio inverter. Il design complessivo presenta diverse innovazioni, oltre all'utilizzo di package in SiC, ma questa è la principale. Ha permesso di ridurre il peso totale dell'inverter (4,8 kg) a meno della metà di quello della Nissan Leaf 2019 (11,15 kg) e a oltre un terzo di quello della Jaguar I-PACE (8,23 kg), entrambe dotate di inverter IGBT in Si e componenti standard.
L'utilizzo di MOSFET in SiC crea anche nuove opportunità in termini di materiali, poiché i limiti dei materiali tradizionali sono stati ampliati. Per far fronte alle maggiori densità di potenza reale, al posto delle più convenzionali giunzioni a filo viene utilizzato un telaio di conduttori in rame (strutture metalliche che trasportano i segnali dall'array al resto dell'inverter). Anche il materiale di collegamento dell'array si è evoluto dalla saldatura tradizionale a materiali di collegamento a base di argento sinterizzato per resistere alle temperature più elevate.
Qual è il problema? Come per ogni tecnologia emergente, il costo è stato il principale ostacolo all'adozione dei MOSFET in SiC e di altri materiali che facilitano l'incapsulamento dei moduli di potenza. Ma Tesla sembra aver risolto anche questo problema: il costo del suo inverter ha registrato una notevole diminuzione in soli tre anni. Il grafico sottostante mostra una curva di esperienza, calcolata da IDTechEx, basata sulle stime dei costi per l'inverter della Model 3 nel 2018 e per un inverter di seconda generazione per la Model Y nel 2020. Come si può notare, l'inverter SiC di Tesla sembra già essere alla pari con i moduli IGBT in Si utilizzati nelle versioni 2019 della Nissan Leaf e della Jaguar I-PACE.
Il risultato è che la combinazione complessiva di inverter e motore a magneti permanenti di Tesla è una delle migliori (se non la migliore) sul mercato, raggiungendo un'efficienza del 97%, che consente una maggiore autonomia senza aumentare la costosa capacità della batteria. Tutto questo a un costo simile a quello delle tecnologie più vecchie che sta sostituendo.
Immagine 2 -> Fonte: IDTechEx con dati sul costo iniziale dei pacchetti inverter di Munro & Associates
