L’inverter delle auto elettriche: quando e perché si guasta?

I veicoli a batteria e ibridi hanno fama di longevità (anche la loro manutenzione cambierà) ma l’inverter delle auto elettriche sembra essere un componente critico. Ci sono infatti segnalazioni di guasti e malfunzionamenti di quello che è il “cervello” delle auto elettriche e ibride. La Toyota Prius, per esempio, ha avuto più di un richiamo legato a questo dispositivo. Ma cos’è l’inverter e qual’è il suo compito nelle automobili elettrificate?

NASCE CONTINUA E FINISCE ALTERNATA

L’energia elettrica immagazzinata nelle batterie viene erogata sotto forma di tensione continua, come quella che esce dai pannelli fotovoltaici. Se la misurassimo troveremmo un valore più o meno costante – varia a seconda dello “sforzo” e della carica – ma sempre maggiore di zero. Il motore di trazione delle auto elettriche e ibride funziona invece con tensione alternata: il suo valore cambia continuamente da positivo a negativo e viceversa. I vantaggi dei motori a tensione/corrente alternata sono così importanti che il bilancio rimane positivo anche dovendo convertire la tensione delle batterie. Semplificando molto si può dire che cambiando la frequenza dell’alimentazione varia la velocità di rotazione mentre la coppia è legata all’intensità della corrente. Il rendimento è poi molto alto e rendiamo quindi omaggio al geniale Nikola Tesla, che aveva visto lungo con i suoi motori in alternata.

L’INVERTER CONTROLLA TUTTO

Il componente che converte la tensione continua in alternata e modula quest’ultima per variare coppia e potenza del motore è proprio lui, l’inverter. L’energia della batteria entra in questo dispositivo, piuttosto complesso, ed esce sotto forma di corrente alternata trifase che viene immessa nel motore. Quando il motore viene “trascinato”, in decelerazione o frenata, esso produce energia che va a ricaricare la batteria. Anche questa frenata è gestita dall’inverter, che dev’essere in grado di interpretare la decelerazione voluta dal guidatore e raccordarla con quella dei classici freni ad attrito. Attività non banali, quindi, al punto che il recupero d’energia cambia la manutenzione. L’inverter è quindi un componente prestante e sensibile allo stesso tempo: gestisce potenze di centinaia di kW modulandole però finemente secondo i voleri del guidatore. Con questi presupposti si capisce che un malfunzionamento dell’inverter può causare molti disservizi all’automobile elettrificata.

TRANSISTOR GUASTI E MOTORI INSTABILI

Diciamo subito che l’elettronica di bordo prevede controlli e ridondanze varie per evitare “fughe” del motore: in caso di irregolarità all’alimentazione un controller provvede a tagliare la potenza o a spegnere del tutto il propulsore. Una ricerca coreana ha creato un modello del comportamento degli IGBT, i transistor di potenza nei quali scorre la corrente che va al motore, in caso di guasto. Questo comportamento è stato poi “iniettato” nel modello matematico del sistema di controllo per studiare cosa accadeva al motore. Si è visto che prima del taglio della potenza il motore poteva manifestare fluttuazioni della coppia e addirittura vere e proprie instabilità. In ogni caso anche in questi casi critici il controller prendeva in mano la situazione dopo qualche decimo di secondo, tagliando l’alimentazione. L’automobilista potrebbe quindi percepire qualche istante di uno “strano”comportamento e poi un improvviso calo della potenza, che dovrebbe comunque lasciare il tempo di accostare al ciglio della strada. Il più pericoloso guasto all’inverter è il cortocircuito dei componenti che pilotano gli IGBT, cosa che porta a un repentino calo della coppia motrice. Molto meno avvertibile è invece uno sbilanciamento della tensione di una delle 3 fasi dell’alimentazione, situazione compensata efficacemente dall’inverter.

TI FACCIO CAUSA!

Riassumendo, i guasti all’inverter possono generare brevi transitori “strani”, passati i quali si sperimenterebbe un calo della potenza più o meno repentino. Un caso concreto è quello delle Toyota Prius, già soggette a diversi richiami, ad esempio per i freni. Yahoo Finance ha riportato che Toyota ha programmato un altro richiamo delle sue Prius, legato all’inverter, a seguito dei reclami di un grande concessionario. Il Los Angeles Times scrive che più di 20.000 proprietari delle Prius hanno segnalato guasti all’alimentazione dopo il richiamo del 2014. Il richiamo di quell’anno ha riguardato 800 mila Prius Model Year 2010-2014 negli USA: i transistor degli inverter si potevano bruciare arrestando improvvisamente le auto.  Un evento molto pericoloso durante la guida: per evitarlo Toyota ha risposto anche aggiornando il software dell’inverter, onde evitare surriscaldamenti. La misura non ha eliminato il problema e quindi Toyota ha iniziato a sostituire il componente danneggiato, estendendo la copertura della garanzia. Si vede quindi che gli inverter soffrivano anche di problemi all’hardware, che probabilmente non riusciva a smaltire efficacemente il calore prodotto durante il funzionamento.

APRIAMO GLI OCCHI

La dissipazione termica è  stata alla base di un maxi richiamo delle Prius: sembra quasi che in Toyota non si riesca a gestire bene questo importantissimo aspetto.  A seguito di ciò un concessionario ha fatto causa a Toyota per la sicurezza: gli inverter con la modifica del software tagliavano la potenza generando situazioni pericolose. Sembra addirittura che Toyota potrebbe fornire a meccanici indipendenti ricambi e istruzioni per riparare l’inverter, come riportato da Green Car Reports. Questi casi sembrano circoscritti ma rimane il fatto che inverter da 100 – 300 kW sono componenti che l’automotive non aveva mai usato prima. Sono quindi sorvegliati speciali e automobilisti e operatori dell’aftermarket dovranno tenerli d’occhio. Siamo però sicuri che l’esperienza costruttiva renderà gli inverter molto affidabili e quindi potremo stare piuttosto tranquilli.