Mengintegrasikan elektronika daya mengurangi biaya kendaraan listrik – Komunitas Otomotif – Beragampengetahuan

Efisiensi adalah tujuan mendasar dari pengembangan kendaraan listrik. Hal ini terutama berlaku untuk elektronika daya, dimana pendekatan yang semakin umum adalah mengintegrasikan beberapa fungsi ke dalam paket yang sama. Untuk OEM otomotif, hal ini mengurangi bobot keseluruhan, membuat kendaraan lebih efisien sekaligus mengurangi biaya produksi.

Elektronika daya kendaraan listrik memiliki fungsi yang jelas. Inverter traksi mengubah arus dari baterai bertegangan tinggi menjadi arus bolak-balik (AC) tiga fase yang diperlukan untuk menggerakkan motor listrik. Pengisi daya terpasang mengubah arus bolak-balik dari jaringan menjadi arus searah (DC) untuk mengisi daya baterai bertegangan tinggi.

Konverter DC-DC mengambil DC-DC tegangan tinggi dan menurunkannya ke level standar (saat ini 12V, terkadang 48V) dan dapat digunakan untuk memberi daya pada fungsi tambahan pada kendaraan listrik: infotainment, sensor, penerangan, kabel kemudi, dan banyak hal. di luar drivetrain utama mobil.

Ketika rantai pasokan dan manufaktur kendaraan listrik mulai matang, salah satu cara utama yang dilakukan OEM otomotif dan pemasok Tingkat 1 untuk mengurangi biaya dan bobot tanpa mengorbankan kinerja adalah dengan mengintegrasikan elektronika daya.

Artinya, menggabungkan beberapa fungsi elektronika daya dalam satu wadah mekanis. Laporan IDTechEx “Power Electronics for Electric Vehicles 2025-2035: Technologies, Markets and Forecasts” memberikan wawasan dan analisis mengenai metode dan manfaat mengintegrasikan elektronika daya ke dalam kendaraan.

Inverter terintegrasi

Cara pertama untuk mengintegrasikan elektronika daya adalah dengan menggabungkan dua inverter dalam satu housing. Pasar kendaraan listrik bergerak menuju konfigurasi motor ganda, tripel, dan quad, terutama di Amerika Serikat. Pada kendaraan ini, terdapat dua motor pada satu poros, dan diperlukan inverter untuk menggerakkan setiap motor.

Pendekatan sederhananya adalah dengan membuat kedua inverter berbagi wadah yang sama dengan mengintegrasikan sirkuit masing-masing inverter: modul peralihan daya (Si IGBT atau SiC MOSFET), komponen pasif, dan papan kontrol.

Contohnya adalah Rivian R1T, di mana dua inverter berbagi satu wadah, papan kontrol, dan bank kapasitor. Sebaliknya, Tesla menggunakan casing inverter tunggal dalam modelnya, memanfaatkan modularitas inverter terkenalnya.

Pengisi daya mobil terintegrasi dan konverter DC-DC

Solusi yang banyak digunakan oleh OEM dan pemasok Tingkat 1 adalah pengisi daya terintegrasi dan konverter DC-DC. Bosch, Vitesco dan Eaton adalah pemasok tingkat satu yang menawarkan solusi tersebut, dan powertrain delapan-dalam-satu BYD juga mengintegrasikan konverter OBC dan DC-DC dalam satu wadah.

IDTechEx memperkirakan solusi ini dapat memberikan penghematan biaya hingga 25% dibandingkan dua unit terpisah. Besarnya penghematan tergantung pada tingkat integrasi, termasuk penutup mekanis, komponen pasif seperti kapasitor, kabel (mengurangi kandungan tembaga total dalam kendaraan), sirkuit kontrol, dan sistem pendingin.

Berbagi elemen ini juga akan mengurangi bobot, sedikit meningkatkan jangkauan kendaraan. Namun, hal ini sepertinya tidak menjadi penting dengan metode integrasi saat ini. Tingkat integrasi yang lebih tinggi menghadirkan tantangan teknis, termasuk manajemen termal, interferensi elektromagnetik (EMI), dan isolasi galvanik.

IDTechEx memperkirakan bahwa mekatronik lebih lanjut akan mengurangi biaya selama 10 tahun ke depan. Sistem yang terintegrasi mungkin hanya berdampak signifikan pada enclosure mekanis dan keseluruhan kabel, yang selanjutnya menunjukkan potensi penghematan berat dan biaya melalui tingkat integrasi yang lebih tinggi.

Pengisi daya terpasang yang terintegrasi dengan traksi

Pendorong utama untuk mengadopsi arsitektur 800V adalah pengisian daya yang lebih cepat dan efisien. Daya pengisian optimal untuk kendaraan 400V adalah 250kW, sedangkan untuk kendaraan 800V dapat meningkat hingga 350kW atau bahkan lebih tinggi.

Namun, jika kendaraan berkekuatan 800V tetapi stasiun pengisian daya mengisi daya aslinya sebesar 400V, daya yang lebih luar biasa ini tidak tersedia. Oleh karena itu, beberapa mobil dilengkapi dengan konverter DC-DC tambahan yang mempercepat tegangan di stasiun pengisian daya hingga 800V, sehingga memungkinkan pengisian daya lebih cepat.

Namun, unit tambahan ini memerlukan housing, konektor, transistor, sirkuit, dan pendingin, sehingga menambah biaya dan bobot kendaraan. Teknologi tersebut telah menjangkau pasar massal, terutama dalam bentuk Hyundai IONIQ 5 dan 6 serta Kia EV9.

Solusi inovatifnya adalah pengisi daya terpasang yang terintegrasi dengan penarik. Hal ini menambahkan fungsi boost converter ke unit inverter: belitan motor bertindak sebagai induktor filter dan sakelar daya meningkatkan tegangan dari 400V di stasiun pengisian menjadi 800V di dalam kendaraan.

Hal yang pintar dari sistem ini adalah inverter dan boost converter tidak pernah bekerja secara bersamaan karena boost converter bekerja saat kendaraan diam dan inverter bekerja saat mobil bergerak.

Hasil dari penggunaan pengisi daya internal yang terintegrasi adalah pengisian daya yang lebih cepat, tetapi masih tidak secepat stasiun pengisian daya 800V asli. Misalnya, Hyundai IONIQ 5 memiliki daya rata-rata 149kW saat mengisi daya pada pengisi daya cepat DC 400V (dengan nilai 150kW), namun daya rata-rata sebesar 200kW saat mengisi daya pada pengisi daya DC asli 800V (dengan nilai 300kW), yang setara dengan 33 % peningkatan daya pengisian.

Unit terintegrasi lebih besar dari inverter biasa namun mengurangi biaya hingga 30% dibandingkan dengan inverter terpisah dan konverter boost. IDTechEx meneliti hal ini dan rute lain menuju kendaraan listrik 800V, seperti inverter tiga tingkat dan shunt baterai, dalam laporan “Power Electronics for Electric Vehicles 2025-2035: Technologies, Markets and Forecasts”.

Kesimpulannya

Seperti disebutkan sebelumnya, integrasi elektronika daya dapat menimbulkan tantangan teknis, seperti manajemen termal dan interferensi elektromagnetik. OEM juga perlu mempertimbangkan lokasi pemasangan unit terintegrasi yang lebih besar.

Beberapa reorganisasi internal mungkin diperlukan untuk mendapatkan ruang di dalam kendaraan untuk unit terintegrasi. Instalasi ini mungkin juga perlu berbeda untuk konfigurasi penggerak roda depan. Akibatnya, unit yang terintegrasi mungkin mempunyai efek tidak langsung pada struktur interior kendaraan.

Namun, pengurangan berat, volume, dan yang terpenting, biaya menjadikan elektronika daya terintegrasi sebagai solusi menarik bagi OEM otomotif. IDTechEx menemukan bahwa banyak pemasok Tingkat 1 semakin banyak yang mengadopsi elektronika daya terintegrasi dan menawarkan produk yang lebih komprehensif.

Ini adalah tren utama dalam industri elektronika tenaga kendaraan listrik, dan diharapkan pada tahun 2025, inverter, pengisi daya terpasang, dan konverter DC-DC semuanya akan diintegrasikan ke dalam satu unit.