Καθώς το κόστος πέφτει και η επιθυμία (ή η υποχρέωση) για ηλεκτροκίνηση αυξάνεται, τα ειδικά ηλεκτρικά και υβριδικά συστήματα για τον μηχανοκίνητο αθλητισμό εξαπλώνονται σε όλο και περισσότερες κατηγορίες.
Σήμερα, διάφοροι προμηθευτές είναι σε θέση να προσφέρουν στους ανταγωνιστές εξατομικευμένα σχέδια ή ήδη αναπτυγμένα συστήματα. Ωστόσο, τα τυποποιημένα συστήματα γίνονται όλο και πιο συνηθισμένα, λόγω της μείωσης του κόστους που συνδέεται με αυτά.
Ανεξάρτητα από το σύστημα που χρησιμοποιείται, όλα έχουν τρία βασικά στοιχεία: κινητήρες έλξης, μετατροπείς και μπαταρία.
Μετατροπείς
Ο μετατροπέας είναι μια ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα από τη μπαταρία, σε εναλλασσόμενο ρεύμα για την τροφοδοσία του κινητήρα έλξης. Στην περίπτωση ενός σύγχρονου συστήματος μετάδοσης κίνησης, ο μετατροπέας διαθέτει μια σειρά ημιαγωγών ισχύος, συνήθως διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) ή τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μεταλλικού οξειδίου-ημιαγωγού (MOSFET).
Ο ακριβής έλεγχος της παροχής ροπής του κινητήρα σημαίνει ακριβή έλεγχο της μεταγωγής της ροής ισχύος στον μετατροπέα. Στην περίπτωση κινητήρων υψηλής απόδοσης, η μεταγωγή πρέπει να γίνεται σε πολύ υψηλή συχνότητα (έως και 75 kHz). Και αυτή η μεταγωγή πρέπει να είναι αποτελεσματική τόσο κατά τη διάρκεια των φάσεων επιτάχυνσης όσο και κατά τη διάρκεια της αναγέννησης.
Για να ανταποκριθούν σε αυτές τις απαιτήσεις, οι κατασκευαστές μετατροπέων έχουν στραφεί σε ημιαγωγούς ισχύος καρβιδίου του πυριτίου (SiC), ενώ αυξάνεται το ενδιαφέρον για μονάδες με βάση το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN).
Για παράδειγμα, στην τρίτη σεζόν του πρωταθλήματος Formula E, ο προμηθευτής Rohm, σε συνεργασία με την ομάδα Venturi, χρησιμοποίησε έναν υβριδικό μετατροπέα. Για το σκοπό αυτό, συνδύασε ένα IGBT με βάση το Si με διόδους φραγμού SiC. Το αποτέλεσμα ήταν ένας μετατροπέας 2 κιλά ελαφρύτερος και σχεδόν 30% μικρότερος. Επιπλέον, οι απώλειες μεταγωγής μειώθηκαν κατά σχεδόν 80% σε σύγκριση με το προηγούμενο μοντέλο.
Κινητήρες έλξης
Μαζί με την τεχνολογία των μετατροπέων, η απόδοση των κινητήρων έλξης έχει αυξηθεί σημαντικά την τελευταία δεκαετία. Οι προμηθευτές προσπαθούν να παράγουν σχέδια με συνεχώς αυξανόμενη πυκνότητα ισχύος, επιτυγχάνοντας τιμές έως και 14 kW/kg.
Στον κόσμο των αγώνων, οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (PMSM) υπερισχύουν έναντι των επαγωγικών κινητήρων. Οι PMSM χρησιμοποιούν ρότορα κατασκευασμένο με μόνιμους μαγνήτες, είτε τοποθετημένους στην επιφάνεια του ρότορα είτε εσωτερικά.
Η πρώτη προσέγγιση παρέχει υψηλότερη απόδοση (λόγω της εγγύτητας του μαγνητικού υλικού στον στάτη), αλλά είναι πιο δύσκολο να σχεδιαστεί για υψηλές στροφές, καθώς οι μαγνήτες πρέπει να είναι τέλεια στερεωμένοι. Η ταχύτητα του κινητήρα ελέγχεται με τη μεταβολή του μαγνητικού πεδίου του στάτη μέσω ενός μετατροπέα μεταβλητής συχνότητας του νετατροπέα.
Στην αγορά κινητήρων κυριαρχούν δύο διαφορετικές τεχνολογίες: ο κινητήρας ακτινικής ροής και ο κινητήρας αξονικής ροής. Όπως υποδηλώνουν τα ονόματα, σε έναν κινητήρα ακτινικής ροής, η μαγνητική ροή ρέει ακτινικά σε σχέση με τον άξονα περιστροφής, ενώ σε έναν κινητήρα αξονικής ροής ρέει παράλληλα με τον άξονα αυτό.
Το μηχανικό πλεονέκτημα της σχεδίασης με αξονική ροή είναι ότι τείνει να έχει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος από τη σχεδίαση με ακτινική ροή. Ωστόσο, οι μηχανές αξονικής ροής έχουν ορισμένους βασικούς περιορισμούς. Η διασφάλιση της δομικής ακεραιότητας σε εφαρμογές πολύ υψηλών ταχυτήτων ή ισχύος μπορεί να αποτελέσει πρόκληση λόγω της ανάγκης αύξησης της διαμέτρου του ρότορα.