Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 5 minutes
Bij het ontwerpen van een elektrische aandrijving krijgt de fabrikant te maken met een groot aantal keuzes en ontwerpopties. HBM legt de basisbegrippen uit.
Elektrisch aangedreven auto‘s bestaan al meer dan honderd jaar. Hun gelimiteerde actieradius en de dure accutechnologie verhinderden echter een doorbraak. De belangrijkste voorwaarde voor de verdere verspreiding van elektrische auto‘s is dan ook de verhoging van de reikwijdte. Dat moet enerzijds komen van krachtigere accu‘s en lichtere voertuigen, en anderzijds door het optimaliseren van aandrijfcomponenten in het voertuig.
Een elektrische aandrijving is op verschillende manieren in een voertuig te verwerken. Bij een parallelle hybride wordt het voertuig door zowel een gebruikelijke verbrandingsmotor als een elektromotor aangedreven. Hierbij kunnen de twee types samen worden gebruikt of juist apart. In de binnenstad kan bijvoorbeeld voornamelijk de elektrische aandrijving worden ingezet, terwijl voor langeafstandsritten wordt gereden op de verbrandingsmotor. Tijdens acceleratie kan de elektromotor bijspringen.
De seriële hybride gebruikt ook een combinatie van elektro- en verbrandingsmotor, maar hier zijn de twee aandrijvingen in serie geplaatst: de verbrandingsmotor drijft een dynamo aan die een accu oplaadt, en met deze accu wordt de elektromotor gevoed die het voertuig uiteindelijk voortstuwt. Deze structuur maakt het mogelijk een verbrandingsmotor te gebruiken met een relatief klein vermogen, want het piekvermogen voor bijvoorbeeld acceleratie komt van de accu. Deze configuratie stelt wel strenge eisen aan het rendement van beide motoren, want die bepalen samen het rendement van het totaal.
Voertuigen kunnen ook alleen een elektromotor bevatten. Hier is de accu het enige energiereservoir. De opbouw is zeer eenvoudig en overzichtelijk, maar voor een aanvaardbare actieradius zijn accu‘s met grote energie-inhoud noodzakelijk.
Dubbellaags condensatoren
Er zijn verschillende typen accu‘s in gebruik. Behalve op de actieradius heeft de keuze voor een accutype ook een grote invloed op het gewicht, en, niet te vergeten, op de productiekosten van het voertuig. Tot dusver is de meest gangbare technologie – in het bijzonder bij werkvoertuigen zoals elektrische vorkheftrucks – de lood-zuuraccu. Deze opslagtechnologie bezit een geringe energiedichtheid van ongeveer 30 Wh/kg bij een vermogensdichtheid van circa 20 W/kg.
Daarnaast zijn er lithium-ionaccu‘s, een term die eigenlijk een tal van technologieën omvat met verschillende materiaalcombinaties. We onderscheiden twee hoofdgroepen: de hoge-energieaccu‘s en de hogeprestatieaccu‘s. De hoge-energievarianten, die op ongeveer 250 Wh/kg zitten, zijn nodig in puur elektrische voertuigen. Voor hybride voertuigen worden overwegend hogeprestatieaccu‘s gebruikt met piekvermogens van 5 kW/kg.
Als alternatief voor accutechnologie zijn er ook dubbellaags condensatoren beschikbaar. In vergelijking hebben ze een geringe energiedichtheid. De snelheid voor opslaan en afgeven van energie, de grote op- en ontlaadstromen en het aantal bruikbare cycli steken echter allemaal gunstig af.
Ohmse verliezen
Voor het aandrijven van een voertuig is het belangrijk dat elektromotoren voldoende kracht leveren wanneer het voertuig optrekt, bij lage toerentallen dus. Bij hoge toerentallen, wanneer de wagen op snelheid is, wordt juist het vermogen belangrijk. Deze eisen kunnen we vervullen met inductiemotoren, die de rotor in beweging zetten met een roterend magneetveld. Dat wordt opgewekt met stators die rondom de rotor zijn geplaatst. Wanneer we een wisselstroom door de wikkelingen hiervan sturen, ontstaat er een fluctuerend magneetveld en door de stroomfase in de stators ten opzichte van elkaar te verschuiven, springt dit van stator naar stator. De gelijkspanning van een accu moeten we dus omzetten in een set wisselspanningen (doorgaans drie) met verschillende fases voor het aansturen van de motor.
| Asynchrone motor | Synchrone motor met permanente magneten | Reluctantiemotor | |
| Koppeldichtheid | 0 | + | 0 |
| Veldverzwakking | + | – | + |
| Rendement (gedeeltelijke belasting) | + | 0 | + |
| Rendement (volledige belasting) | 0 | + | 0 |
| Motorkoeling | – | + | + |
| Gedrag in geval van fouten | + | – | + |
| Koppelpulsatie | + | + | – |
| Geluidsontwikkeling | + | + | – |
| Kosten | + | – | + |
Naargelang de opbouw van de rotor onderscheiden we verschillende types (zie Tabel 1). Bij asynchrone motoren (ASM‘s) draait het magneetveld veel sneller rond dan de rotor. Het draaiende veld wekt een spanning op in de rotor, waardoor weer stromen ontstaan die uiteindelijk de kracht opwekken. Een nadeel van deze aanpak is dat de stromen ohmse verliezen veroorzaken die bijzonder storend zijn omdat de draaiende rotor niet goed te koelen is.
In synchrone motoren draait de rotor wel direct mee met het magneetveld. Wanneer we ze met permanente magneten opbouwen, kunnen ze zeer compact zijn en in het onderste toerentalbereik een zeer goed rendement geven. In het hoge toerentalbereik moeten we het permanente magneetveld echter met een aanvullende stroom afzwakken, waardoor het rendement daalt.
Reluctantiemotoren zijn synchrone motoren zonder permanente magneten (SyR). Ze vertonen in de rotor een magnetische asymmetrie. Aangezien daar geen permanente magneten of wikkelingen zijn, zijn reluctantiemotoren eenvoudig en robuust te bouwen. Op basis van de sterke verzwakking van het veld kunnen we ze in een groot toerentalbereik gebruiken.
Achteraf verifieerbaar
Om elektrische aandrijvingen te optimaliseren en voor serieproductie te kwalificeren, zijn complexe tests noodzakelijk. De opstelling moet een groot aantal verschillende tests over een reeks van omgevingsomstandigheden en belastingen realiseren. Aan de ene kant zijn dat functionaliteitstests: rendement, rijstrategieën (energiemanagement), controle van veiligheidsfuncties (overstroom en temperatuur) en simulatie van fouten of storingen. Aan de andere kant zijn er tests rond de robuustheid: hoge temperatuurverschillen, hoge toerentallen, hoge belasting.
Vandaag de dag is het gebruikelijk om voor elke specifieke meettaak een apart meetapparaat te gebruiken: powermeters voor de elektrische gegevens, een koppelopnemer voor het mechanische toerental en koppelmoment. Deze apparaten bewerken de metingen en sturen de resultaten door naar een centraal meetsysteem. Bij HBM hebben we een alternatief ontwikkeld waarin een centraal systeem direct alle meetapparatuur uitleest en alle spannings-, stroom-, koppel- en toerentalsignalen in hetzelfde bestand opslaat. Dat gaat met maximaal twee miljoen metingen per seconde per kanaal, gedurende meerdere uren.
De aanpak heeft een aantal voordelen. In de traditionele aanpak worden gegevens voorbewerkt op de meetapparaten, met algoritmes die niet altijd goed gedocumenteerd zijn. In onze aanpak zijn onbewerkte meetgegevens beschikbaar, waardoor het resultaat van een controle op bijvoorbeeld rendement achteraf altijd verifieerbaar is. Ook is het mogelijk om andere parameters voor het testobject te berekenen. Verder zijn de meetwaardes in de tijd aan elkaar gecorreleerd, wat in de traditionele aanpak met verschillende meetsystemen lastig is.
