O que diferencia um Tesla? As três principais tecnologias geralmente referidas para os veículos elétricos são a bateria, o motor de tração elétrica e a eletrónica de potência. A Tesla está na vanguarda das três, pelo que, embora o preço das suas ações possa ser considerado "demasiado elevado pela maioria", o seu ritmo acelerado de inovação é o que lhe garante um lugar entre os líderes e a preferência dos consumidores. Neste artigo, focamo-nos nas inovações da Tesla no campo da eletrónica de potência e em algumas das novas oportunidades de materiais que estão a ser criadas.
Inversores de Carboneto de Silício:
Nos veículos elétricos, a eletrónica de potência é fundamental para diversas funções, mas talvez a mais crítica de todas seja o inversor principal, que converte a energia CC da bateria em CA trifásica para o funcionamento adequado do motor de tração elétrica. No coração dos dispositivos de eletrónica de potência estão as tecnologias de comutação de potência (transístores), que já passaram por mais de cinco gerações de avanços. Atualmente, os transístores bipolares de porta isolada de silício (IGBTs de silício) dominam a gama de potência média, incluindo os inversores para veículos elétricos. Estamos agora a entrar numa sexta geração, na qual os materiais semicondutores de banda larga estão a assumir o protagonismo: carboneto de silício (SiC) para aplicações de alta tensão e alta potência e nitreto de gálio (GaN) para aplicações de baixa tensão e baixa potência. Esta alteração permite que os módulos de potência sejam mais pequenos e mais densos, operem a temperaturas mais elevadas e cria novas oportunidades de materiais em toda a embalagem do módulo de potência.
Porque é que o inversor da Tesla é inovador? Bem, com o lançamento do Model 3 em 2018, a Tesla tornou-se a primeira empresa a incorporar transístores de efeito de campo de óxido de metal-semicondutor (MOSFETs) de silício, fornecidos pela ST Microelectronics, no seu próprio design de inversor. O projeto geral apresenta várias inovações, para além da utilização de encapsulamentos de silício, mas esta é a principal. Isto permitiu que o peso total do inversor (4,8 kg) fosse menos de metade do peso do Nissan Leaf 2019 (11,15 kg) e mais de um terço inferior ao do Jaguar I-PACE (8,23 kg), ambos utilizando inversores IGBT de silício e componentes disponíveis no mercado.
A utilização de MOSFETs de SiC cria também novas oportunidades em termos de materiais, uma vez que os limites dos materiais tradicionais foram alargados. Para lidar com as maiores densidades de potência real, utiliza-se uma estrutura de terminais de cobre (estruturas metálicas que transportam os sinais do arranjo para o resto do inversor) em vez das junções de fios mais convencionais. O material de ligação do arranjo também evoluiu da solda convencional para materiais de ligação à base de prata sinterizada, capazes de suportar temperaturas mais elevadas.
Qual é o problema? Tal como acontece com qualquer tecnologia emergente, o custo tem sido a principal barreira à adoção de MOSFETs de SiC e outros materiais que facilitam a integração de módulos de potência. Mas a Tesla parece ter resolvido também isso: o seu inversor teve uma redução de custos notável em apenas três anos. O gráfico abaixo mostra uma curva de experiência, calculada pela IDTechEx, com base em estimativas de custos para o inversor do Model 3 em 2018 e um inversor de segunda geração para o Model Y em 2020. Como pode ver, o inversor de SiC da Tesla já parece estar em pé de igualdade com os módulos IGBT de silício utilizados nas versões 2019 do Nissan Leaf e do Jaguar I-PACE.
O resultado é que a combinação geral de inversor e motor de íman permanente da Tesla é uma das melhores (senão a melhor) do mercado, atingindo 97% de eficiência, o que permite uma maior autonomia sem aumentar a capacidade da bateria, que é mais cara. Tudo isto a um custo semelhante ao das tecnologias mais antigas que está a substituir.
Imagem 2 -> Fonte: IDTechEx com dados sobre o custo inicial dos pacotes de inversores da Munro & Associates
