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.

Escrito por  Gonzalo García