Een geheel of gedeeltelijk elektrische aandrijving stelt speciale eisen aan de architectuur van een voertuig. Rob Schut van het ATC laat de belangrijkste onderdelen de revue passeren.
Op straat komen we steeds meer auto‘s tegen met een geheel of gedeeltelijk elektrische aandrijving. Alle belangrijke fabrikanten hebben een of meerdere modellen aangekondigd of reeds op de markt gebracht. De stijgende olieprijs, de dalende kostprijs van accu‘s en de sterke push vanuit overheden zullen het aanbod alleen maar doen toenemen. Volgens het meest optimistische scenario rijden er in 2020 wereldwijd acht tot tien miljoen elektrische voertuigen rond.
Elektrische auto‘s zijn er in vier hoofdvarianten. Zogeheten combinatiehybrides zoals de Honda Accord met Integrated Motor Assist gebruiken hoofdzakelijk conventionele energie; de elektromotor dient puur ter ondersteuning van het te leveren motorkoppel. Parallelhybrides zoals de Toyota Prius kunnen volledig op brandstof en volledig op elektriciteit rijden, het laatste alleen niet heel lang. Seriehybrides zoals de Chevrolet Volt rijden altijd op elektriciteit, die ze opwekken met een brandstofmotor. Ook zuiver elektrische auto‘s zoals de Tesla Roadster rijden altijd elektrisch, maar zij halen hun energie uit een herlaadbaar batterijpakket.
Kandidaat-chemieën
Die accu vormt een belangrijke schakel in een elektrische aandrijflijn. De prestaties, levensduur en kosten van de batterijen zijn direct van invloed op de prestaties, levensduur en kosten van het voertuig. In het bijzonder heeft hun temperatuur een groot effect op het beschikbare vermogen voor het wegrijden en versnellen. De toepassing van energieterugwinning uit het remmen heeft weer invloed op deze temperatuur.
Voor een maximale reikwijdte bij een zo laag mogelijk gewicht zijn elektrische voertuigen voorzien van batterijen met een hoge energiedichtheid (kWh/kg). Een gemiddeld pakket in een personenwagen vraagt 30 tot 40 kWh. Bij een lage energiedichtheid van 100 Wh/kg levert dat een gewicht op van vierhonderd kilo en bij een hoge dichtheid van 250 Wh/kg een gewicht van 120 kilo.
Bij parallelhybrides die alleen tot een bepaalde snelheid zuiver elektrisch rijden en niet over langere afstanden, zoals de Prius, is de energie-inhoud van de batterij minder belangrijk. In de acceleratie is korte tijd een hoge stroom nodig, wat een hoog specifiek vermogen eist van de accu. Daarom hebben dergelijke hybrides een kleiner batterijpakket met een beperkte energie-inhoud van 4 kWh, maar een hoog specifiek vermogen van 250 tot 350 kW/kg.
Het batterijpakket moet de opgenomen energie kunnen opslaan in de vorm van elektrisch vermogen en deze weer kunnen afstaan over een hoge uitgangspanning (DC). Daartoe bestaat het uit verschillende losse cellen. Elke cel heeft een nominale spanning van 3,7 volt en een hoge energiedichtheid. Het celbereik loopt van 3,0 tot 4,2 V. Ontlaadt een cel tot onder de 3,0 V, dan is er grote kans op schade. Boven de 4,2 V, bijvoorbeeld bij overladen, is er gevaar op ontbranding.
Van grote invloed op de energiedichtheid en de ontlaadkarakteristiek is ook de gebruikte chemische substantie in de batterijen. De huidige focus op lithium-ion maakt het aannemelijk dat de eerste grootschalig uitgerolde elektrische voertuigen deze technologie zullen gebruiken. Tot voor kort was NiMH de standaard keuze, maar de economische rechtvaardiging daarvan is marginaal. Bovendien hebben de nieuwe Li-ionbatterijen betere eigenschappen, waaronder een tot 150 procent hogere energieopslagdichtheid. Goede kandidaat-chemieën zijn lithiumijzerfosfaat, lithiummangaan en lithiumtitanaat. In tegenstelling tot bijvoorbeeld lithiumkobalt zijn zij thermisch stabiel en bieden ze een lage gelijkwaardige serieweerstand voor het leveren van een hoge stroom.
Op dit moment is de energiedichtheid van de meeste accu‘s nog te laag om op elektriciteit dezelfde reikwijdte te halen als met een traditionele brandstof. Daarom maken veel elektrische voertuigen gebruik van een zogeheten range extender. Dit is een brandstofmotor of -cel die een generator aandrijft om extra elektrische energie op te wekken en zo de actieradius te vergroten. Het kostenplaatje hiervan hangt af van de gekozen technische oplossing en van de besparing die volgt uit de mogelijkheid om een kleinere batterij toe te passen.
Passief balanceren
Om het (ont)laadproces van de accu te sturen en verstoringen in de keten van batterijcellen te monitoren en te elimineren, zijn elektrische voertuigen uitgerust met een batterijmanagementsysteem (BMS). Dat heeft in ieder geval twee basisfuncties: het bepaalt de capaciteit van de cellen tijdens het op- en ontladen om de toestand in het hele pakket te berekenen en het zorgt ervoor dat elke cel binnen het veilige spanningsbereik blijft. Het BMS is overigens niet gebaseerd op celspanning maar juist op celcapaciteit, aangezien lithiumcellen een relatief constante spanning hebben bij veranderende ladingstoestand.
Li-ionbatterijen zijn opgebouwd uit twee of meer in serie geschakelde cellen. Door fabricagetoleranties en milieuomstandigheden heeft elke cel een iets andere capaciteit. Na een aantal laad- en ontlaadcycli beginnen de cellen hun evenwicht te verliezen en is het aan het BMS om ze allemaal in dezelfde laadtoestand te houden. Daarnaast helpt het systeem hun levensduur te optimaliseren door overbelasting en diepteontlading te voorkomen en door hun temperatuur in het gewenste bereik te houden. Dit bereik verschilt per elektrochemie.
Een eenvoudige en kosteneffectieve techniek die (hybride) elektrische voertuigen vandaag de dag veel gebruiken om een lithiumcel te balanceren, is het passieve balanceersysteem. Hierbij wordt een weerstand over een cel geplaatst wanneer de lading die van de naastgelegen cel overschrijdt. Nadeel van dit passieve systeem is dat het energie verspilt en veel warmte kan produceren. Toekomstige BMS-generaties zullen de cellen daarom waarschijnlijk actief balanceren door lading van de ene cel naar de andere te transporteren.
Wielmotor
De elektromotor in een (hybride) elektrisch voertuig is geen reguliere industriële elektromotor. In een auto moet meer gewicht worden voortbewogen en is de montage gebonden aan ruimtebeperkingen. Daarnaast is een hogere efficiëntie vereist vanwege de beperkte energievoorziening, alsook een hoog koppel in een veel breder toerentalbereik. Ook ten opzichte van traditionele brandstofmotoren is de koppelkarakteristiek compleet anders: waar die hun maximale koppel pas leveren bij minimaal dertig procent van het maximale toerental, produceert de elektromotor gelijk zijn maximale koppel bij extreem lage toerentallen.
Veelgebruikt in voertuigen is de asynchrone driefasedraaistroommotor of -inductiemotor, uitgevonden door Nikola Tesla. Deze berust op het principe van het magnetische draaiveld, in dit geval opgewekt door drie wisselstromen die 120 graden uit fase zijn. De motor heeft steeds twee magneetvelden nodig: het draaiende veld van de stator en het meegesleepte veld op de rotor, dat wordt geïnduceerd door de relatieve beweging van de rotor ten opzichte van de stator. Een verschil in snelheid tussen beide duidt dan op een asynchrone werking. Dit verschil wordt beïnvloed door slip en belasting van de motor.
Tesla‘s inductiemotor is niet alleen efficiënt, simpel en goedkoop te bouwen, maar kan ook nauwelijks kapot: de rotor en de lagers waarop deze draait, zijn de enige bewegende delen en dus ook de enige delen van de machine die kunnen slijten. Bovendien kan de motor ook als generator werken door bij remmen energie terug te voeren naar het batterijpakket.
De elektromotor kan op de as tussen de wielen worden opgesteld in het voertuig en via een overbrenging beide voorwielen aandrijven. Een andere mogelijkheid is om in twee of alle vier de wielen een zogeheten wheel motor op te nemen die het wiel direct aandrijft en zo per wiel een aandrijfas bespaart. Wel wordt het onafgeveerde gewicht van de combinatie wiel-veerpoot er groter van, en dat beïnvloedt dan weer het rijgedrag en de bestuurbaarheid van de auto.
Een groot nadeel van de elektromotor is de geluidsproductie, of juist het gebrek daaraan. In tegenstelling tot een brandstofmotor met uitlaat is hij extreem stil. Voor de buitenwereld is dat juist een bedreiging omdat elektrisch aangedreven voertuigen nauwelijks te horen zijn – met alle gevolgen van dien voor de verkeersveiligheid. Overheden en industrie zoeken momenteel gezamenlijk naar oplossingen voor dit probleem.
Mennekes
Een inverter vormt de DC-spanning van het batterijpakket om in de driefasige AC-spanning waarmee de elektromotor toerental en koppel genereert. Deze omzetter berekent continu de gewenste output op basis van de gaspedaalstand (ingedrukt is meer koppel), de rempedaalstand (ingedrukt is minder koppel) en de draairichting en snelheid van de AC-motor. Het typische vermogen ligt tussen 30 en 200 kW en de werkspanning loopt van 120 tot 960 V DC.
Probleem is dat de dubbele Mosfet-H-bruggen die nodig zijn om elke fase van de draaistroommotor aan te sturen enorm warm worden. Door speciale koelelementen aan te brengen waardoor water stroomt, is deze warmte echter eenvoudig en goedkoop weg te leiden. Geforceerde luchtkoeling is ook mogelijk, maar dan zijn er ventilatie-in- en uitgangen nodig in combinatie met een koelfan, die ook weer energie nodig heeft en bovendien extra geluid produceert.
Speciaal ontwikkelde kabels verbinden het batterijpakket met de inverter en de inverter met de elektromotor. Voor de aansluiting op het laadnetwerk is een stekker nodig. De Nederlandse overheid heeft het afgelopen jaar goedkeuring gegeven voor toepassing van de zogeheten Mennekes-stekker, naar het bedrijf dat deze heeft ontwikkelt. In het verlengde hiervan hebben het Comité Européen de Normalisation (CEN), de IEC en de Iso een aantal standaarden opgesteld, waaronder IEC 62196-1 voor de aansluitpunten van oplaadpalen en voertuigen en Iso 14572 voor het testen van de bekabeling.
In geval van nood
De meeste batterijen in (hybride) elektrische voertuigen genereren een spanning van vierhonderd volt, twee keer zo veel als er uit een standaard huishoudelijk stopcontact komt en potentieel dodelijk. De Verenigde Staten kennen een wettelijke verplichting om die spanning bij een ongeval binnen vijf seconden terug te brengen tot onder de 60 V DC. In Europa hebben we dergelijke regelgeving nog niet. Het Duitse Continental heeft al wel een sensor in ontwikkeling die in geval van een crash via de Can-bus een bericht stuurt naar het BMS, dat daarop de beslissing kan nemen om de batterijspanning los te koppelen van het voertuig.
De autoverlichting werkt op 12 V DC, net als bijvoorbeeld de elektrische ramen, de radio en de ruitenwissers. Daarom zijn elektrische voertuigen ook voorzien van een DC-DC-converter die de hoogspanning van de batterij terugschroeft. Afhankelijk van het vermogen van de accu en de beoogde reikwijdte van de auto kan deze omzetter ook de pomp van de stuurbekrachtiging of de compressor van de airco voeden.
De DC-DC-converter is in te zetten met en zonder extra 12 V batterij. De output van de omzetter is in de meeste gevallen voldoende om de boordsystemen van stroom te voorzien, maar bij een momentaan piekvermogen is het beter om een supercondensator parallel aan de uitgang van de converter te plaatsen. Dan is echter wel een extra batterij nodig. Zo‘n additionele energievoorziening is ook te gebruiken om de primaire 12 V-functies in stand te houden in geval van nood en om geselecteerde functies actief te laten in de rusttoestand van het voertuig, bijvoorbeeld het klokje in het dashboard en het Ram-geheugen van motorbesturingen. Nadeel van een extra batterij is wel dat die ruimte in beslag neemt en extra gewicht introduceert.