A WEC hajtásláncai – Minden az IGBT tranzisztorokról szól…

… pontosabban: szinte minden. A hétvégén szédületes fordulatokkal véget ért 2024-es FIA WEC szezon nemcsak a szezon záróeseményének izgalmait emelte új szintre, hanem technikai és stratégiai szempontból is fontos tanulságot hordozott. Az autógyártók által alkalmazott fejlett technológiák és hibrid hajtásláncok kiemelt szerepet játszanak a csapatok teljesítményében, de mely területeken érhető el a legnagyobb különbség, és milyen megoldások biztosítják a vezető csapatok előnyét? Cikkünkben bemutatjuk a 2024-es szezon három kiemelkedő csapatának, a Toyota GR010 Hybrid, Porsche 963 (LMDh) és Ferrari 499P technológiai megoldásait, különös tekintettel a hibrid rendszerek, a teljesítményelosztás és az energia-visszanyerési rendszerek közötti különbségekre.

Hibrid rendszer

A Toyota GR010 Hybrid rendszere az endurance versenyek egyik legfejlettebb technológiája, amely megbízhatóságáról és gyors reakcióidejéről ismert. A hibrid rendszerek hatékony működése döntő tényező lehet a verseny során, és ebben a Toyota kivételes teljesítményt nyújt. Az ERS (Energy Recovery System) központi szerepet játszik a hajtásláncban, mivel a regeneratív fékezés során visszanyert energiát elektromos hajtás formájában újrahasznosítja. Az ERS rendszerük különösen hatékony az alkalmazott IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tranzisztoroknak köszönhetően, amelyek gyors és megbízható kapcsolást biztosítanak, segítve ezzel a teljesítmény azonnali mozgósítását és az energiaátvitel optimalizálását. Ezek a diszkrét félvezető elemek létfontosságúak a verseny közbeni gyorsítás és energiatárolás szempontjából is.

Az ERS két fő komponensből áll: az MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic), amely a fékezés során keletkező mozgási energiát elektromossá alakítja és egy akkumulátorban tárolja, valamint az MGU-H (Motor Generator Unit - Heat), amely a turbófeltöltő kipufogógázából származó hőenergiát hasznosítja. Az így visszanyert energia közvetlenül az elektromotor meghajtására vagy további tárolásra fordítható, növelve a hajtáslánc hatékonyságát és teljesítményét. A Toyota rendszerében a nagy kapacitású lítium-ion akkumulátorok kritikus szerepet játszanak az energiatárolásban és az elektromotor hajtásában, hozzájárulva a stabil és megbízható teljesítményhez. Ezzel szemben a Porsche 963 az LMDh rendszert alkalmazza, mely a Bosch által gyártott motor-generátor egység, ami MOSFET alapú. A Ferrari 499P esetében – mely a Toyotához hasonlóan szintén IGBT alapú - egyedi megoldás figyelhető meg: IGBT alapú vezérlőmodulokat használnak, amelyek precíz energia-visszanyerést és hatékony áramlást biztosítanak az elektromos hajtásban. Az autó hibrid rendszere képes finoman szabályozni az energiaátvitelt, így a versenyzők maximálisan kihasználhatják a rendszer gyors reagálóképességét a versenykörülményekhez igazodva.

De mi a különbség a Toyota és a Ferrari rendszere között?

A Ferrari 499P és a Toyota GR010 Hybrid hibrid hajtásláncai közötti technológiai eltérések az energiaelosztás és teljesítményszabályozás eltérő műszaki megközelítéséből erednek. A Ferrari hibrid rendszerének egyedi jellemzője az IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tranzisztorok alkalmazása, amelyek magas kapcsolási sebességgel képesek az elektromos áramot kezelni, lehetővé téve a pillanatnyi energiamobilizálást. Ez a műszaki megoldás garantálja, hogy a rendszer azonnal reagáljon az energiaigény változásaira, például gyorsulásnál vagy teljesítménycsúcsok során. Az IGBT-k gyorsasága és magas áramerősség kezelési képessége hozzájárul az energiaátvitel gyors és precíz szabályozásához, amelyet egy fejlett, adaptív vezérlőszoftver irányít. Ez a szoftver dinamikusan igazítja az energiaelosztást a valós idejű versenykörülményekhez, lehetővé téve a pontos energiairányítást, így a jármű gyors és érzékeny reagálóképességet mutat a pálya különböző szakaszain.

Ezzel szemben a Toyota GR010 Hybrid hibrid rendszere az energiaellátás stabilitására és megbízhatóságára van optimalizálva. Itt is kulcsszerepet játszanak az IGBT tranzisztorok, de a vezérlőszoftver célja nem a gyors energiaváltás, hanem a konzisztens energiaáramlás biztosítása. A Toyota rendszere a folytonos energiaellátásra helyezi a hangsúlyt, minimalizálva az áramingadozásokat, ezáltal csökkentve a rendszer terhelését és növelve a tartósságot. A vezérlési architektúra a stabil teljesítményátvitelt helyezi előtérbe, amely különösen hosszú távú futamok esetén előnyös, ahol a megbízhatóság kiemelt fontosságú.

Műszaki értelemben a Ferrari rendszere gyorsabb és precízebb energiaelosztást biztosít az IGBT-k és az adaptív vezérlőszoftver integrációja révén, míg a Toyota konzervatívabb vezérlési stratégiát alkalmaz, amely az állandó energiaellátásra fókuszál, csökkentve a túlzott terhelés-ingadozásokat. Ez a különbség a versenytaktikai megközelítésükben is megnyilvánul: míg a Ferrari rendszerének reakcióideje rendkívül rövid, így a hirtelen teljesítményigények kielégítésére optimalizált, addig a Toyota rendszere hosszú távon egyenletes energiafelhasználást biztosít, garantálva a megbízhatóságot és a verseny stabil végrehajtását.

Belső égésű motor és hibrid kombináció

A belső égésű motor és hibrid kombináció terén a technológiai megoldások és az alkatrészek kiválósága egyaránt kiemelkedő szerepet játszanak a vezető csapatok járműveiben. Az IGBT tranzisztorok és MOSFET-ek kiváló kapcsolási teljesítményét itt is kihasználják: A Toyota GR010 Hybrid 3,5 literes, ikerturbós V6-os motorját IGBT áramkörökkel integrált motorvezérlés támogatja. Ez a konfiguráció lehetővé teszi az elektromos hajtással szinergikus együttműködést, amely kiemelkedő gyorsulást biztosít és maximalizálja az energiahatékonyságot a verseny kritikus szakaszaiban. A Porsche 963 4,6 literes V8-as motorja optimalizált égéstérrel és könnyűfém blokkal rendelkezik, amelyet a hibrid rendszer nagy teljesítményű MOSFET-ekkel szerelt rendszere támogat az energiaelosztásban, így garantálva az erős nyomatékot és a versenyképességet mind az IMSA, mind a WEC futamokon. Ezzel szemben a Ferrari 499P egy könnyített, 3,0 literes V6-os motorral versenyez, amely titán szelepekkel és integrált IGBT alapú vezérlőkkel van felszerelve, lehetővé téve a precíz nyomatékszabályozást és az energiafelhasználás optimalizálását a különféle versenyfeltételek mellett.

Az IGBT és MOSFET megoldások elsődlegesen a nagyfeszültségű helyeken megszokottak, viszont a belső égésű motorok elektronikai vezérlési rendszereiben gyakran használnak MOSFET és IGBT tranzisztorokat, amelyek eltérő célokra és feszültségtartományokra vannak optimalizálva. A MOSFET tranzisztorok jellemzően alacsonyabb feszültségtartományokban működnek, ahol a gyors kapcsolási sebesség kulcsfontosságú. Az ilyen tranzisztorokat gyakran alkalmazzák tüzelőanyag-befecskendező rendszerekben és más elektronikai vezérlőkben, mivel alacsony veszteségük és gyors válaszidejük hatékony energiafelhasználást tesz lehetővé. Ezzel szemben az IGBT tranzisztorokat inkább magasabb feszültségű és nagy teljesítményű alkalmazásokhoz használják, például gyújtásvezérlőkben, ahol a megbízható kapcsolás és nagy áramerősség kezelése kritikus. Az IGBT-k egyik fő előnye az alacsony telítési feszültség, ami csökkenti a hőtermelést, és így növeli a rendszer hatékonyságát. E tulajdonságok miatt az IGBT-ket gyakran alkalmazzák nagyobb teljesítményű vezérlési rendszerekben, beleértve a hibrid és elektromos járművekben található energiaátviteli megoldásokat is.

Erőátvitel terén a Toyota GR010 Hybrid elektronikus differenciálzárat és intelligens nyomatékszabályozást alkalmaz, amit DSP (digitális jelfeldolgozás) alapú vezérlés és IGBT tranzisztorok támogatnak. Ez a rendszer biztosítja a sima teljesítményátmeneteket és az azonnali választ, ami kulcsfontosságú a dinamikus versenyhelyzetekben. A Porsche 963 esetében a DSP és MOSFET kombináció az ERS vezérlőegységben gondoskodik a nyomaték felhasználásának optimalizálásáról és az energia precíz elosztásáról. A Ferrari ezzel szemben egy adaptív vezérlési rendszert alkalmaz, amely gyors reagálást tesz lehetővé, és meglepetés (sic!): IGBT tranzisztorok  biztosítják a gyors kapcsolásokat és a hatékony nyomatékelosztást, maximalizálva a versenyzők teljesítményét a változó pályakörülmények között.

Az energia-visszanyerési technológiák tekintetében a Toyota regeneratív fékeket alkalmaz, amelyeket IGBT alapú kapcsolók támogatnak, lehetővé téve a gyors energiavisszanyerést és az azonnali újrahasznosítást. A Porsche 963 hibrid hajtásláncában a szabványosított KERS (Kinetic Energy Recovery System) és ERS (Energy Recovery System) megoldások az optimalizált hőmenedzsment révén biztosítják a hosszú távú teljesítmény és megbízhatóság fenntartását. A hibrid rendszerben alkalmazott MOSFET tranzisztorok és egyéb nagy teljesítményű elektronikai alkatrészek működés közben jelentős hőt termelnek, ezért a folyadékhűtéses technológia kulcsfontosságú a hatékony hőelvezetéshez. Ez a rendszer zárt hűtőközeg-csatornákat alkalmaz, amelyek a kritikus komponensek, mint az inverterek és az ERS vezérlőmodulok köré épülnek, így biztosítva a hőenergia gyors és hatékony elvezetését.

A Porsche hűtési architektúrájának központi elemei a nagy hatékonyságú hűtőradiátorok és elektromos szivattyúk, amelyek fenntartják a hűtőközeg folyamatos áramlását és megakadályozzák a hőmérséklet kritikus emelkedését. A rendszer hővezető anyagokkal és integrált hűtőbordákkal van kiegészítve, amelyek maximalizálják a hűtési felületeket, javítják a hőeloszlást és gyorsítják a hőelvezetést a hőtermelés szempontjából legintenzívebb zónákból. Ennek eredményeképpen az energia-visszanyerő egységek, mint az elektromotorok és generátorok, a legnagyobb hatékonysággal működhetnek, minimalizálva a hőmérsékleti csúcsok okozta teljesítménycsökkenést és alkatrészkopást.

A Ferrari 499P hibrid rendszere kiemelkedően fejlett integrált hűtési megoldásokkal rendelkezik, amelyeket a cég F1-es tapasztalatai inspiráltak, különösen a hőmenedzsment és hűtési technológiák terén. A 499P modellben az ERS (Energy Recovery System) rendszer egy első tengelyre szerelt elektromos motorral van összekapcsolva, amelyet egy 900V-os akkumulátor támogat az energia-visszanyerés során. A Ferrari célzottan alkalmaz IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) alapú vezérlőmodulokat és DSP (digitális jelfeldolgozó) modulokat, amelyek biztosítják a hibrid komponensek hatékony hőelvezetését. Az integrált megközelítés lehetővé teszi a rendszer számára, hogy a hőelvezetés és az energiaáramlás precízen összehangolt legyen, így dinamikusan követni tudja az energiafelhasználás változásait a verseny során. Az adaptív KERS rendszerrel kombinálva ez a konfiguráció gyors reakcióidőt és precíz teljesítményszabályozást biztosít, előnyt nyújtva a változó versenykörülményekhez való alkalmazkodásban. Ez a megoldás segíti a Ferrari 499P-t abban, hogy a pálya dinamikus kihívásaira reagálva fenntartsa a maximális teljesítményt és hatékonyságot.

Míg a Porsche hűtési megoldása stabil, szabványosított és a hosszú távú megbízhatóság fenntartására optimalizált, addig a Ferrari rendszere a dinamikus, gyorsan változó versenyhelyzetekhez való adaptív alkalmazkodásra összpontosít. A Porsche rendszere egyenletes hőkezelést biztosít, amely az endurance versenyek során szükséges állandó teljesítmény fenntartását segíti, de kevésbé rugalmas az energiaáramlás dinamikus változásaihoz képest. A Ferrari IGBT és DSP modulokkal integrált hűtése ezzel szemben finomhangolt és az energiaáramlás precíz szabályozását segíti, maximalizálva a rendszer teljesítményét és gyors reagálóképességét.

Összegzésként elmondható, hogy a 2024-es FIA WEC szezon technológiai szempontból kimagasló fejlesztéseket mutatott a vezető csapatok hibrid hajtásláncain keresztül. A Toyota, a Porsche és a Ferrari mind különböző megközelítésekkel tettek szert versenyelőnyre, legyen szó az IGBT és MOSFET tranzisztorok alkalmazásáról, a hűtési rendszerek fejlettségéről vagy az energia-visszanyerési technológiák hatékonyságáról. Ez a szezon egyértelművé tette, hogy a hibrid technológiák terén alkalmazott innovációk és a finomhangolt műszaki megoldások döntő szerepet játszanak a csapatok sikerében. A technikai különbségek és az egyes csapatok által választott stratégiai prioritások nemcsak a versenyzők teljesítményét, hanem a verseny végkimenetelét is jelentősen befolyásolták. Az előttünk álló szezonok pedig valószínűleg még további innovációkat hoznak majd, amelyek tovább formálják a motorsport világát és a technológiai fejlesztések határait.

További releváns cikkek: https://autotechnika.hu/kereses?search=igbt

Forrás: pmw-magazine.com, rohm.com, racetechmag.com, racing.porsche.com, racecontrol.gg, toyotagazooracing.com, fiawec.com, ferrari.com, racecar-engineering.com, stuttcars.com