I n f o Elektromobiliteit
De Volkswagen e-up!
December 2013
s.a. D’Ieteren nv – Maliestraat 50, rue du Mail – Brussel 1050 Bruxelles Marketing, Training & Direct Sales – Creation & Copywriting
2013: Het elektrische tijdperk is aangebroken bij Volkswagen! 2013 is voor Volkswagen een scharniermoment op het vlak van elektromobiliteit. Dit jaar begon voor het merk immers met de voorstelling van de XL1, het technologische hoogstandje van Volkswagen. Met een gemiddeld verbruik van 0,9 l/100 km en een CO2-uitstoot van nauwelijks 21 g/km is de XL1 de zuinigste in serie gebouwde wagen ter wereld. Hij wordt aangedreven door een plug-in hybride systeem, bestaande uit een tweecilinder TDI (35 kW/48 pk), een elektromotor (20 kW/27 pk), een DSGzevenversnellingsbak met dubbele koppeling en een lithium-ionaccu. Het tweede sleutelmoment dit jaar was de voorstelling van de gloednieuwe e-up! op het voorbije autosalon IAA in Frankfurt. Hij is de eerste volledig elektrisch aangedreven wagen van het merk die op grote schaal geproduceerd wordt, en wordt begin 2014 gecommercialiseerd. Korte tijd later is het de beurt aan de e-Golf, die op zijn beurt gevolgd zal worden door de Golf met plug-in hybride aandrijving. Met die twee aandrijvingstechnologieën komt de elektrificatie van wagens op basis van het MQB-platform (met dwars voorin geplaatste motor) echt op gang en kan ze naar de mest uiteenlopende modelreeksen worden uitgebreid. In eerste instantie zullen de 100% elektrisch aangedreven wagens hun opwachting maken in de stad en in sterk verstedelijkte regio’s, waar een up! met elektromotor zich het best kan bewijzen. Met de e-up! brengt Volkswagen de ideale stadsauto op de markt. Met zijn vier zitplaatsen en perfecte dagelijkse bruikbaarheid is hij niet alleen interessant voor de dagelijkse verplaatsingen van particulieren, maar ook van bedrijven. Aangezien een elektrische auto de energie die hij nodig heeft om te rijden opslaat in een hoogspanningsaccu en ieder meergewicht ten koste gaat van het rijbereik, heeft Volkswagen het gewicht van de e-up! beperkt tot net geen 1.139 kg, inclusief accu. De e-up! werd ook geoptimaliseerd op het vlak van aerodynamica en wendbaarheid en onderscheidt zich door zijn energetische efficiëntie: gemiddeld verbruikt hij slechts 11,7 kWh elektriciteit per 100 km. Om die reden is de e-up, de nieuwe stadsmus uit de ‘New Small Family’ van Volkswagen, de ideale elektrische auto. De elektrische aandrijving van de e-up! wordt gebouwd in de fabriek van Kassel-Braunatal. Daarvoor werd in deze versnellingsbakkenfabriek een compleet nieuwe productielijn voor de bouw van elektromotoren en versnellingsbakken geïnstalleerd.
2
Volkswagen is uitstekend voorbereid op de uitdagingen die elektromobiliteit met zich meebrengt. Met de ontwikkeling en productie van energie-efficiënte aandrijvingen in eigen huis kon Volkswagen
de voorbije jaren heel wat vereiste kern competenties opbouwen, niet alleen in de ontwikkelingsafdelingen, maar ook in de onderdelenfabrieken van Kassel en Braunschweig. Ook de betrokken medewerkers verwierven zo een grondig inzicht in de complexe samenhang tussen deze innovatieve technologieën. Zo is Volkswagen op middellange en lange termijn opgewassen tegen de concurrentie. Voor Volkswagen is de ontwikkeling en productie van een elektromotor in eigen huis bijzonder zinvol, want behalve het design bepaalt de motor als geen andere component de band die de bestuurder heeft met zijn wagen. Talrijke klanten kopen een Volkswagen onder andere wegens de knowhow die het merk sinds vele tientallen jaren heeft op het vlak van motorenbouw. Om ervoor te zorgen dat ook de Volkswagens van de toekomst met hun alternatieve aandrijving in alle opzichten overtuigen, was het voor Volkswagen van belang om vanaf het begin zelf de ontwikkeling en productie van die alternatieve motoren te garanderen. De constructeur heeft zich daarom zeer intensief met de ontwikkeling van elektrische motoren en accusystemen beziggehouden en zich de nodige competenties toegeëigend in zijn fabrieken in Kassel en Braunschweig.
3
De accusystemen voor de e-up! worden door Volksagen in serie gebouwd in de fabriek in Braunschweig. Veertig werknemers produceren er jaarlijks 11.000 exemplaren.
De elektrische aandrijving Voor de aandrijving van een elektrische auto werken vier componenten nauw samen, nl. de elektromotor, de transmissie, de motorsturing en de vermogenselektronica.
De elektromotor De Volkswagen e-up! wordt aangedreven door een zogenaamde permanent opgewekte driefasige synchroonmotor, met een maximumtoerental van 12.000 t/min. - ‘Synchroon’: de rotor draait met een snelheid synchroon aan het cirkelvormig bewegende magnetische veld van de stator. Dat garandeert zelfs bij lage toerentallen een Stator harmonische werking. - ‘Driefasig’: de motor maakt gebruik van driefasige wisselstroom Rotor - ‘Permanent opgewekt’: hij werkt met Motorcarter permanente magneten. Het werkingsprincipe van deze motor is gebaseerd op drie spoelen, die als stator in een cirkel rond de rotor gepositioneerd zijn en afwisselend aan een van de drie fasen elektrisch zijn aangesloten. De rotor van deze synchroonmotor telt meerdere paren permanente magneten. Doordat de drie spoelen cyclisch na elkaar van stroom voorzien worden, wordt een elektrisch draaiveld gecreëerd, dat de rotor in beweging zet en zo de elektromotor als aandrijving doet functioneren. In een elektromotor ontstaat beweging door het wederzijdse aantrekken of afstoten van respectievelijk verschillend gepoolde en gelijkgepoolde magneten. Terwijl de magneten in de rotor permanent noordelijk of zuidelijk gepolariseerd zijn, worden de elektromagneten in de stator beurtelings in- en uitgeschakeld. stator rotor, noordelijk gepolariseerd rotor, zuidelijk gepolariseerd
De rotor is een bewegend onderdeel dat rondom voorzien is van permanente magneten, die beurtelings noordelijk of zuidelijk gepolariseerd zijn.
4
De stator bestaat uit meerdere componenten die ten opzichte van elkaar verspringen en met spoelen omwikkeld zijn. Die spoelen worden pas magnetisch indien er elektrische spanning door stroomt. Doordat de verschillende delen na elkaar onder stroom gezet worden, houden deze magneten de rotor permanent in beweging. De rotor functioneert dan zoals de krukas van een verbrandingsmotor, die door roterende bewegingen de wielen aandrijft.
De transmissie De motor drijft via de versnellingsbak en semi-cardanassen de voorwielen aan. De e-up! heeft een mechanische éénversnellingsbak (de snelheid van de auto is dus rechtstreeks gelinkt aan het motortoerental), geoptimaliseerd op het vlak van wrijving. Hoogspanningscontact
Afdekking motorcarter
Elektromotor
Stator
Rotor
Motorcarter
Aansluiting koelvloeistof
Eénversnellingsbak
Versnellingsbakcarter
De motorsturing De motorsturing zorgt voor een centrale regeling van de aandrijving. Ze is voorzien van talrijke nieuwe functies, zoals een optimalisering van de motorrespons voor een meer comfortabele en harmonieuze reactie op lastwissels en bijgevolg een aangenamer rijgedrag. De sturing regelt eveneens het warmte- en energiebeheer van de motor en de nevenaggregaten, als garantie voor een maximaal elektrisch rijbereik, een comfortabele werking van de klimaatregeling en een efficiënte bescherming van de systeemcomponenten. Tot slot coördineert de sturing ook de ‘aanvragen’ van bijstandssystemen zoals de snelheidsregelaar of de onderlinge afstandsregeling tussen voertuigen.
De vermogenselektronica Als verbindingscomponent tussen de accu en de elektromotor zorgt de vermogens elektronica van de e-up! ervoor dat steeds de geschikte stroom ter beschikking staat. Hij is zowel met de elektromotor als de accu verbonden. In ‘motormodus’ zet de vermogenselektronica de gelijkstroom van de accu om Aansluiting voor de hoog in driefasige wisselstroom. spanningsaccu In ‘recuperatiemodus’, wanneer de motor dienstdoet Aansluitingen als generator, wordt de zo driefasige geproduceerde wisselstroom stroom omgezet in gelijkstroom om Aansluiting de accu op te laden. Een in hoogspannings de vermogenselektronica compressor van de Aansluiting geïntegreerde klimaatregeling gelijkstroomomvormer gelijkstroomomvormer voedt Aansluiting koelvloeistof het 12V-boordnet.
5
De accu De e-up! heeft een lithium-ionhoogspanningsaccu, bestaande uit 204 aparte cellen van 25Ah verdeeld over 17 elementen. (Voordeel: bij beschadiging is het niet nodig om de volledige accu te vervangen. Volkswagen is momenteel de enige die dit aanbiedt) Hij onderscheidt zich door een hoge energiedichtheid (Wh/kg, of de hoeveelheid energie die hij in één uur per kg gewicht kan leveren), een hoge vermogensdichtheid (W/kg, of de hoeveelheid opgeslagen energie per kg) en een hoog rendement. Door zijn compacte constructie kan de accu worden ondergebracht onder de zetels en de middentunnel, op de plaats waar zich klassiek de brandstoftank en de uitlaatlijn bevinden. Het resultaat is een licht verhoogde vloer (+4,7 cm) achterin en in de koffer. De accu heeft geen koeling nodig. Zelfs bij hoge buitentemperaturen wordt de accu nooit warmer dan toegelaten. De accusturing wisselt met de motorsturing en de vermogens elektronica informatie uit over de laadstatus van de accu, de prestatielimieten en eventuele storingen, en zorgt zo voor een efficiënte en veilige werking van het systeem. De accusturing regelt de verschillende werkingsmodi van de accu tijdens het rijden en bij uitgeschakelde motor en voorziet de auto van energie via zogenaamde beveiligingsschakelaars. Bij een belangrijke storing worden die schakelaars door de software van de accusturing geopend om de accu van de omgeving te isoleren. Daarnaast levert de accusturing ook informatie over de laadstatus van de accu en van de individuele cellen. Daardoor kan in normale werkingsmodus van de wagen een overlading of diepontlading van individuele cellen vermeden worden. Dat is van belang omdat de prestatielimieten van de accu, m.a.w. de laad- en ontlaadcapaciteit en de maximale tijd die nodig is voor het laden en ontladen van de accu, sterk afhankelijk zijn van de actuele laadstatus en de temperatuur ervan. Zoals bij alle accu’s ontladen ook de cellen van de hoogspanningsaccu lichtjes van zichzelf. Dat leidt tot een verschil in de laadtoestand van de cellen onderling, wat een nadelige invloed kan hebben op het rijbereik van de auto en op de berekening van het resterende rijbereik. De accusturing lost dat probleem op doordat ze permanent de laadtoestand van de verschillende cellen vergelijkt en het evenwicht van het systeem herstelt door de cellen apart te behandelen. Het hoogspanningssysteem van de e-up! wordt eveneens bewaakt door een hoofdleiding, ook ‘pilootleiding’ genoemd, die als stroomlus langs alle hoogspanningscomponenten loopt. Een onderbreking van de lus (bv. door beschadiging of breuk van de leiding, loskomen van een verbinding…) wordt beschouwd als storing, wat ervoor zorgt dat de accu preventief wordt losgekoppeld en er in de auto een rood waarschuwingslampje gaat branden. De ‘interactie’ tussen koetswerk en hoogspanningsaccu vormt een extra veiligheidsfactor. Koetswerk en accu zijn zo op elkaar afgestemd dat de accu in tal van ongevalscenario’s optimaal door het koetswerk wordt beschermd. Bovendien wordt bij een ongeval waarbij de airbags of gordelspanners geactiveerd worden, het systeem spanningsvrij gemaakt door de beveiligingsschakelaars van de accu. De accu is bovendien ook beveiligd tegen magnetische en elektromagnetische straling.
6
Componenten De lithium-ionhoogspanningsaccu wordt in de e-up! onder de vloer gemonteerd. Contact voor gelijk stroomladen (DC)
Accusturing
Hoogspannings stekker
R
ic ijr
ht
ing
Veiligheidsdwarsdrager (ter bescherming bij ongeval)
Laagspannings stekker Cellenpakket
Technische fiche Lithium-ionaccu Gewicht: Capaciteit: Cellen: Spanning: Vermogen:
230 kg 18,7 kWh 204 (102 paar) 374 V 75 kW
De Wallbox verhoogt het laadvermogen van het thuisnet tot 3,6 kW
Opladen van de accu De e-up! kan als volgt worden opgeladen 1) thuis
- via een klassiek stopcontact (AC) - via de Wallbox-oplaadinterface (AC)
2) aan een openbaar laadstation - via een klassiek stopcontact (AC) - via een oplaadpunt voor wisselstroom (AC) - via een oplaadpunt voor gelijkstroom (DC) De wagen wordt steeds geleverd met een kabel voorzien van een Mennekes-stekker (voertuig zijde) en een klassieke stekker, ook indien voor een van volgende opties gekozen wordt: - de Wallbox voor thuisinstallatie - een kabel met aan weerszijden een Mennekes-stekker voor het opladen met wisselstroom aan een openbaar laadstation - het Combined Charging System1) dat snelladen met gelijkstroom2) mogelijk maakt aan een speciaal daartoe voorzien openbaar oplaadpunt, maar ook met met wisselstroom via de Wallbox of een van de eerder genoemde kabels 1) 2)
7
De CCS vereist een aanpassing van het voertuig in de fabriek Snelladen kan een negatieve impact hebben op de accu. De constructeur raadt maximaal één snellaadbeurt per twee langzame laadbeurten aan.
CCS De gecombineerde CCS-oplaadinterface doet tegelijk dienst als stekker en als communicatiesysteem. Via de twee onderste contactpunten kan tussen het voertuig en het oplaadpunt informatie worden uitgewisseld met het oog op het starten en aansturen van het laadproces. Het systeem maakt een maximale integratie in toekomstige intelligente netwerken (Smart Grid) mogelijk. De gecombineerde laadstekker maakt de ontwikkeling en infrastructuur minder complex, verhoogt de betrouwbaarheid van het oplaadproces, vermindert de totale kost voor de klant en garandeert een minimum aan onderhoud.
Oplaadtijd De oplaadtijd is afhankelijk van de stroombron Klassiek stopcontact (AC) Wallbox (AC) Publiek oplaadpunt (AC) Publiek oplaadpunt (DC) 1)
Laadvermogen Duur 2,3 kW 8 - 10 uur 3,6 kW 5 - 6 uur 3,6 kW 5 - 6 uur tot 50 kW 0,5 - 1 uur1)
30 minuten volstaan om de accu tot 80% van zijn capaciteit op te laden
Via de Mennekes-stekker kan de voertuig accu met wisselstroom worden opgeladen.
Via de ‘Type 2’-combostekker kan de accu worden opgeladen met wisselstroom of gelijkstroom (snelladen).
8
Recuperatie Onder recuperatie verstaan we de omvorming van de kinetische energie van het voertuig in elektriciteit, die wordt opgeslagen in de accu. Daardoor kan het rijbereik van de wagen verhoogd en het verbruik geoptimaliseerd worden. De recuperatie vereist een speciale software voor het energiebeheer en een gewijzigde software van de motorsturing.
De accu van een klassieke auto wordt permanent opgeladen door de alternator. Bij een elektrische auto zoals de e-up! doet de motor in bepaalde gevallen dienst als generator, bijvoorbeeld in decelaratiefases (telkens wanneer de bestuurder de voet van het gaspedaal licht) en tijdens het remmen. De zo gerecupereerde elektriciteit wordt gebruikt om secundaire en comfortverbruikers te voeden, de resterende energie wordt in de hoogspanningsaccu opgeslagen. De weerstand die bij deze elektriciteitsproductie ontstaat, wordt tegelijk gebruikt als elektromechanische rem om de wagen te doen vertragen. Zo is een vertraging tot 3,5 m/s2 mogelijk en wordt de energie optimaal benut. Bovendien moeten op deze manier de mechanische remmen minder gebruikt worden, waardoor ze minder snel slijten. Dat zorgt op zijn beurt dan weer voor geringere onderhoudskosten en minder fijn stof. Bij lagere snelheden neemt het remkoppel af. Indien de accu maximaal is opgeladen, is recuperatie onmogelijk en wordt er dus evenmin elektromagnetisch geremd. In dit geval remt de bestuurder zoals met een conventionele auto.
9
Recuperatieniveaus Het recuperatiepotentieel wordt bepaald door de kinetische energie van het voertuig en is bijgevolg in alle recuperatieniveaus identiek. Het gekozen recuperatieniveau (D1 tot D3 en B) beïnvloedt ook het remeffect, dat afhangt van de weerstand bij de elektriciteitsproductie in generatormodus. Zo kan soepel worden ingespeeld op de rijomstandigheden. Het remeffect in deceleratiefases neemt stapsgewijs toe van niveau D1 tot B (zie afbeelding). In D-modus kan de kinetische energie maximaal benut worden om het voertuig zo ver mogelijk te laten rijden in vrijloop. In dat geval ‘rolt’ de wagen gewoon verder indien de bestuurder geen gas geeft, een situatie die vergelijkbaar is met wanneer je ontkoppelt in een klassiek aangedreven wagen. De energierecuperatie is ook mogelijk indien het rempedaal wordt ingetrapt. In dat geval regelt de elektrische rembekrachtiger automatisch het evenwicht tussen de elektromagnetische en mechanische remwerking. Deze functie heet ‘Brake Blending’.
De recuperatieniveaus in de e-up!
D3 D2 D1 3x
Recuperatieniveaus
Kenmerken Minimale vertraging, geen energierecuperatie
D
2x
1x
D+
D–
D1 D2 D3 B
10
Intensiteit van de recuperatie
Toenemende vertraging en energieterugwinning
Maximale vertraging en energierecuperatie (40 kW bij 100 km/u)
B
Rijbereik De e-up! kan met tot 160 km afleggen met één laadbeurt. Behalve door externe factoren wordt het rijbereik ook beïnvloed door de rijstijl.
Genormaliseerd rijbereik, cataloguswaarde (NEDC)
120 tot 160 km*
*
Rijbereik in kilometer
100
120
140
160
ij koud weer, intensief B gebruik van de verwarming of een groot aandeel auto snelweg in het traject kan het rijbereik aanzienlijk afnemen.
Wat beïnvloedt het rijbereik?
- rijstijl - snelheid - gebruik van secundaire en comfortverbruikers - buitentemperatuur - gewicht (aantal inzittenden en bagage) - gekozen rijprofiel - routeverloop, planning van de reisweg - optimaal gebruik van recuperatieniveaus
3 variaties op efficiënt rijden Met een eenvoudige druk op de knop kan de bestuurder van de e-up! kiezen tussen drie rijprofielen. Die beïnvloeden niet enkel de prestaties van de auto, maar ook in grote mate het verbruik en de recuperatie.
Rijprofielen normaal
eco
eco+
normaal
beperkt
uitgeschakeld
12,4 4,9
14,6 6,1
7,6
Piekvermogen, kW
60
50
40
Topsnelheid, km/u
130
115
90
Maximum vertrekkoppel, Nm
210
167
133
Klimaatregeling Acceleratie, s 0-100 km/u 0-60 km/u
11
De eco-modus is ideaal voor bestuurders die rijbereik belangrijk vinden maar tegelijk belang hechten aan een dynamisch rijgedrag. De werking van de klimaatregeling wordt aanzienlijk beperkt om energie te besparen. Het maximale rijbereik wordt gehaald in eco+-modus, dankzij een geringer acceleratie potentieel, een aanzienlijk lagere topsnelheid en de klimaatregeling die enkel dienstdoet als ventilatiesysteem.
Think Blue. Trainer De ‘Think Blue. Trainer’ analyseert en evalueert permanent het rijgedrag op basis van acceleraties, remgedrag en snelheid. Die gegevens worden in de vorm van een zogenaamde ‘iris’ (zie afbeelding) weergegeven. Deze rechtstreekse feedback helpt de bestuurder om zuiniger te rijden en zo het rijbereik te verhogen. De energetische efficiëntie van zijn rijstijl wordt beoordeeld met een score op 100 (Blue Score).
Climatronic Door het gebrek aan een verbrandingsmotor die zijn warmte afgeeft, wordt voor de verwarming een hoogspannings-verwarmingselement gebruikt. Ook de compressor werkt met hoogspanning. Dankzij het elektrische verwarmingselement kan het interieur (voor) verwarmd worden (zelfs vanop afstand) zonder dat het contact moet worden ingeschakeld, en dat gedurende een half uur. Ook de verwarmde zetels en de voorruitverwarming worden via de klimaatregeling bediend. De voorruit wordt ontdooid door middel van geïntegreerde fijne draden, zodat daarvoor de ventilatie niet moet worden ingeschakeld. In tegenstelling tot de verwarming worden deze elementen gevoed door de 12V-accu van de wagen. Door de zetelverwarming te gebruiken in plaats van de verwarming kan dus eveneens rijbereik gewonnen worden.
12
AC-laadcircuit DC-laadcircuit Elektrische rembekrachtiger
CCS-laadinterface
AC-lader (3,6 kW) Vermogenselektronica
Hoogspannings compressor van de klimaatregeling Elektromotor met geïntegreerde versnellingsbak Elektrisch verwarmingselement
13
Hoogspanningsaccu
Glossarium
Elektrische stroom is het verplaatsen van elektrische-ladingdragers door een geleider. Die verplaatsing kan in één richting verlopen of met een regelmatige frequentie van richting wisselen. Wisselstroom (AC) is elektrische stroom waarvan de polariteit (de verplaatsingsrichting) met een constant interval wisselt van ‘plus’ naar ‘min’. wisselstroom wordt gekenmerkt door zijn frequentie, uitgedrukt in hertz (Hz), wat staat voor het aantal keren dat de stroomrichting per seconde verandert. Gelijkstroom (DC): in tegenstelling tot wisselstroom verandert gelijkstroom niet van polariteit. Driefasige wisselstroom, ook wel krachtstroom of draaistroom genoemd, wordt gevormd door drie stromen (drie geleiders worden afwisselend onder spanning gezet) met eenzelfde frequentie en amplitude, die ten opzichte van elkaar 120° verschoven zijn. Driefasige stroom maakt bij eenzelfde stroomsterkte een hoger laadvermogen mogelijk (bv. bij 16A kan via een monofasig stopcontact met 3,5 kW geladen worden, via een driefasig stopcontact is dat 11 kW). Elektrische spanning (symbool = U) is de fysische grootheid die uitdrukt hoeveel arbeid of energie nodig is om een deeltje met een elektrische lading te verplaatsen in een elektrisch veld. Ze vormt dus de basis van elektrische stroom. De eenheid van elektrische spanning is volt (V). Stroomsterkte (symbool = I) is de fysische grootheid die het elektrische debiet in een geleider per seconde aangeeft. De eenheid van stroomsterkte is ampère (A). Vermogen (symbool = P) is de fysische grootheid die de hoeveelheid geleverde energie per seconde aangeeft. Het is het resultaat van de stroomsterkte (I) maal de spanning (U). De eenheid van vermogen is watt (W). Kinetische energie is de hoeveelheid energie die nodig is om beweging te produceren (bijvoorbeeld om een voertuig in beweging te zetten of het te doen versnellen). Deze door het voertuig ‘verkregen’ energie zorgt ervoor dat het kan blijven rijden wanneer het gaspedaal gelost wordt. Ze neemt geleidelijk af als gevolg van de luchtweerstand en de mechanische wrijving. Kinetische energie (uitgedrukt in joule) hangt af van de massa en de snelheid van het voertuig.
Dit dossier is gebaseerd op de uitgave ‘ViaVision - Nachrichten aus der mobilen Zukunft’ van de Volkswagen-groep, Nr. 09/2013, ‘Elektromobilität - Der e-up! made by Volkswagen’. V13-53N D’Ieteren nv Marketing, Training & Direct Sales – Creation & Copywriting
14
