I n f o
Elektromobiliteit uit de startblokken
Oktober 2012
s.a. D’Ieteren nv – Maliestraat 50, Rue du Mail – Brussel 1050 Bruxelles Research & Marketing Logistics – Creation & Copywriting
Inhoudsopgave Inleiding
3
1. Historiek
4
1.1 De geschiedenis van de elektromobiliteit
4
1.2 Historiek van de elektromobiliteit bij VW
6
2. Elektromobiliteit
2.1 Elektromobiliteit: een complex gegeven
8
2.2 Voor- en nadelen van elektromobiliteit
9
2.3 Stroomproductie en milieubalans
10
2.4 Basisconcepten van elektromobiliteit
11
3. Hybride
12
4. De elektrische wagen
13
4.1 Elektromotor
14
4.2 Accu
15
4.2.1 De hoogspanningsaccu 4.2.2 Soorten accu’s 4.2.3 Accu’s van de toekomst
15 16 18
19
4.3 Oplaadinterface
4.3.1 Privaat / Openbaar 4.3.2 Oplaadstekkers en laadmodi 4.3.3 Standaardisering
19 20 23
5. Voertuigconcepten
24
24
5.1 Volhybride (HEV)
5.1.1 Touareg Hybrid 5.1.2 Jetta Hybrid
25 25
26
5.2 Plug-in hybride (PHEV)
5.2.1 Golf Variant twïnDrive
5.3 Aandrijving met brandstofcellen (FCBEV)
26
27
5.3.1 Tiguan HyMotion
27
28
5.4 Volledig elektrische aandrijving (BEV)
5.4.1 e-up! 5.4.2 Golf blue-e-motion
2
28 28
Volt in plaats van olie De ontwikkeling van alternatieve aandrijvingen In hun zoektocht naar nieuwe aandrijvingswijzen kiezen autoconstructeurs steeds vaker voor elektriciteit: elektrische wagens, hybride aandrijvingen en zogenaamde plug-in hybrides zijn aan een opmars bezig.
Wagenpark in België1)
Diesel: 3.339.765
Door zijn aanhangers wordt de elektrische motor als aandrijving van de toekomst bejubeld. Wat velen echter niet weten, is dat de elektrische auto geen uitvinding is van onze tijd, maar vijf jaar voor de eerste wagen op benzine al gebouwd werd. In 1899 was de elektrisch aangedreven ‘Jamais Contente’, ontwikkeld en gebouwd door de Brusselaar Camille Jenatzy, bovendien de eerste wagen die de grens van 100 km/u over land overschreed. Het was echter de verbrandingsmotor die in de twintigste eeuw doorbrak, omdat olie gedurende lange tijd een bijzonder goedkope en energierijke brandstof was. Vandaag keren de rollen om: aardolie wordt steeds zeldzamer en duurder, batterijen steeds goedkoper en performanter. Daardoor maakt de elektrische aandrijving na meer dan honderd jaar eindelijk kans om de weg te vinden naar het grote publiek. Hoewel het aantal puur elektrisch aangedreven wagens in ons land vandaag nog bijzonder klein is (+/- 460 op een totaal wagenpark van +/- 5,4 miljoen exemplaren), biedt de elektromotor nieuwe perspectieven. Op lange termijn moet hij de afhankelijkheid van aardolie beperken. Ambitieuze doelstellingen: tegen 2020 moeten in Frankrijk 6,1% van alle auto’s elektrisch aangedreven zijn, in China en Japan is dat respectievelijk 5,5 en 3,5%. Bron: McKinsey
Benzine: 1.981.230
Alternatieve aandrijvingen: Hybride: 10.527 Lpg: 29.103
Elektrisch: 460 Andere (niet gespecificeerd): 18.865
5.379.799 wagens reden er eind maart 2012 over onze wegen, het grootste deel daarvan diesel wagens. Bij de alternatieve aandrijvingen neemt lpg het grootste deel voor zijn rekening. 1)
ijfers op 31 maart 2012, C bron: FEBIAC
Volgens de cijfers van het Nationaal Instituut voor de Statistiek legt de Belg per dag gemiddeld 36,9 km af met de wagen. Het rijbereik van +/- 150 km van de huidige elektrische wagens zou dus voor de gemiddelde automobilist in ons land ruimschoots moeten volstaan voor de dagelijkse verplaatsingen. Bron: Nationale enquête naar de mobiliteit van de huishoudens (1998/1999), NIS (Nieuwe enquête in uitvoering)
3
1. Historiek 1.1 De geschiedenis van de elektromobiliteit Elektrische mobiliteit heeft doorheen de geschiedenis altijd al een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van motorvoertuigen. En ook al verloor het thema als gevolg van de schijnbaar onuitputtelijke olievoorraad tijdelijk aan belang, door het besef van de eindigheid van de voorraden en onder impuls van het wereldwijde streven naar een betere bescherming van het milieu en het klimaat treedt de elektromobiliteit steeds nadrukkelijker op de voorgrond. Enkele mijlpalen uit de geschiedenis:
1821 Thomas Davenport bouwt de eerste elektrische wagen, met een nietoplaadbare batterij en een rijbereik van 15 tot 30 km.
1821
1881 Het eerste officieel erkende elektrische voertuig is een driewieler van Gustave Trouvé uit Parijs. Met zijn herlaadbare loodaccumulator haalt hij snelheden tot 12 km/u.
1881
1898 De firma van Charles Jeantaud uit Parijs is rond de eeuwwisseling (1893 tot 1906) de leider op het vlak van elektrische voertuigen. Op 18 december 1898 vestigt Graaf de Chasseloup-Laubat achter het stuur van een van die wagens een snelheidsrecord nabij Parijs. Tijdens een snelheidswedstrijd in Archères haalt hij met zijn elektrisch aangedreven Jeantaud een snelheid van 64,154 km/u.
1898
1900 Ferdinand Porsche stelt op de wereldtentoonstelling in Parijs een voertuig voor met een wielnaafmotor aan elk van beide voorwielen.
1900
4
1860
1882
1899
1902
1860 De herlaadbare loodaccu wordt uitgevonden. 1882 In dat jaar bouwt Ernst Werner Siemens een elektrisch aangedreven rijtuig. Dat ‘Elektromote’ genoemde voertuig geldt als de eerste bus met bovenleiding ter wereld. 1899 Camille Jenatzy, een Brusselse ingenieur elektriciteit en zoon van de Belgische fabrikant Constant Jenatzy, heeft Graaf de Chasseloup-Laubat na diens snelheidsrecord enkele maanden eerder uitgedaagd. De strijd tussen beide coureurs kent uiteindelijk zijn ontknoping op 29 april 1899, wanneer Jenatzy met zijn, eveneens elektrisch aangedreven, ‘Jamais Contente’ op dezelfde plaats in Archères voor het eerst ooit een snelheid van meer dan 100 km/u over land haalt: 105,879 km/u! 1902 Als pionier van de Zwitserse elektro mobiliteit bouwt A. Tribelhorn zijn eerste voertuigen met elektromotor. Over een periode van bijna 20 jaar produceert zijn onderneming vooral elektrisch aangedreven bedrijfsvoertuigen, terwijl personenwagens slechts in kleine aantallen en meestal als prototype gebouwd worden.
1913 In Pittsburgh (VS) wordt het eerste tankstation in bedrijf genomen. Kort nadien volgen tankstations in iedere stad. Betere infrastructuur, goedkopere benzine en de verdere evolutie en het grotere rijbereik van verbrandingsmotoren zijn verantwoordelijk voor het grote succes van dit soort voertuigen. De elektrische wagen verdwijnt naar de achtergrond.
1913 1960
1960 Dr. Charles Alexander Escoffery stelt mogelijk de eerste solarauto ter wereld voor. Het gaat om een in Californië ingeschreven Baker Electric uit 1912 met een fotovoltaïsch paneel bestaande uit 10.640 aparte cellen.
1969 De Lunar Rover wordt ontwikkeld voor het Amerikaanse ruimtevaart programma. Hij heeft een elektromotor aan ieder wiel. Als energiebron dienen twee zilver-zinkbatterijen, die de Lunar Rover een rijbereik van ca. 92 km bezorgen.
1969
1973 De eerste oliecrisis opent de ogen van de industrielanden voor hun afhankelijkheid van olie-exporterende landen. De brandstofprijzen stijgen aanzienlijk en leiden tot een versterkte aandacht voor alternatieve energiebronnen.
1985 In Zwitserland vindt de eerste race voor auto’s met aandrijving op zonneenergie plaats, de ‘Tour de Sol’.
1985
1991 De THINK is een van de eerste auto’s die ontworpen is als puur elektrische wagen en niet ontstaat door een conventionele wagen om te bouwen.
1991
1995 PSA Peugeot Citroën bouwt van 1995 tot 2005 10.000 elektrisch aangedreven voertuigen.
1995
2008 De volledig elektrisch aangedreven ‘Tesla Roadster’ van Tesla Motors verschijnt op de Noord-Amerikaanse markt. Hij heeft 6.187 in serie geschakelde laptopaccu’s en accele reert in 3,8 s van 0 tot 100 km/u.
2008
1973
1987
1992
1996
2009
1987 De ‘World Solar Challenge’, een wedstrijd voor solarvoertuigen, vindt voor het eerst plaats. 1992 Het Duitse autoconcern Volkswagen AG ontwikkelt de Golf CitySTROMer, een omgebouwde Golf die wordt uitgerust met een elektromotor. 1996 General Motors biedt de ‘EV 1’ (Electric Vehicle 1) aan, een tweezits elektrische coupé met 500 kg aan loodaccu’s. Later verhogen nikkelmetaalhydridebatterijen het vermogen van de wagen. 2009 De Duitse federale regering lanceert een nationaal plan voor elektromobiliteit (NEPE), met als doel om het onderzoek, de ontwikkeling, de marktvoorbereiding en de marktinvoering van elektrisch aangedreven voertuigen met accu’s in Duitsland te promoten. Tegen 2020 moeten er 1 miljoen elektrische voertuigen op de Duitse markt zijn en moet Duitsland uitgroeien tot leider op het vlak van elektromobiliteit.
5
1.2 Historiek van de elektromobiliteit bij VW Volkswagen heeft inmiddels bijna vijftig jaar ervaring op het vlak van elektromobiliteit. In 1973 was er al een elektrische Transporter T2, de eerste generatie van een puur elektrisch aangedreven voertuig.
T2 Elektrotransporter
Elektro-Golf 1
T3 Elektrotransporter
Elektrische voertuigen 1970
1975
T2 City Taxi
1980
Golf 1 Hybrid
Jetta CitySTROMer
1985
1975
Chico Hybrid
1980
Voertuigen met brandstofcel Niet-exhaustief overzicht
6
1990
Golf 2 Hybrid
Hybride voertuigen 1970
Golf 3 CitySTROMer
1985
1990
Milano Taxi
e-up!
1995
2000
2005
Golf ECO Power
Golf blue-e-motion
2010
Golf TwinDrive
2015
Jetta Hybrid
Touareg Hybrid
1995
2000
Bora HyMotion
Bora HyPower
2005
2010
2015
Tiguan HyMotion
Touran HyMotion
7
2. Elektromobiliteit 2.1 Elektromobiliteit: een complex gegeven
Elektromobiliteit opent perspectieven voor de toekomst, om diverse redenen. We bekijken de voornaamste aspecten op het gebied van milieu, economie, samenleving, infrastructuur en techniek. Het is onmogelijk om al die domeinen louter op zichzelf te zien, ze zijn immers in verschillende opzichten met elkaar verbonden.
8
Milieu
Economie
- klimaatverandering - vermindering van de wereldwijde CO2-uitstoot - vermindering van geluidsoverlast - bewustzijn voor het verbruik van grondstoffen
- eindige oliereserves - prijsstijging van fossiele brandstoffen - streven naar onafhankelijk heid van olie-exporterende landen
Elektromobiliteit
€
Techniek
Samenleving
- technische voordelen van de elektromotor tegenover de verbrandingsmotor - verhoging van rendement - veiligheid van hoog spanning
- groeiende mobiliteit - toenemend draagvlak voor elektrische mobiliteit - stijgende vraag naar voertuigen met minder verbruik en uitstoot - toenemende verstedelijking (megasteden) - invoering van uitstootarme of -vrije zones (groene zones) in stedelijke gebieden
Infrastructuur - uitbreiding van de infrastructuur voor de energievoorziening van elektrische voertuigen (thuis, op de werkplek, onderweg)
2.2 Voor- en nadelen van elektromobiliteit Voordelen van elektromobiliteit -E en elektrische aandrijving (elektromotor) werkt aanzienlijk stiller dan een verbrandingsmotor. Daardoor is de geluidsemissie bij een elektrische wagen bijzonder gering. Bij hogere snelheden domineert bij deze voertuigen het rolgeluid van de banden. -E en elektrische wagen produceert tijdens het rijden geen uitstoot van schadelijke stoffen of broeikasgassen. Indien de hoogspanningsaccu wordt opgeladen met elektriciteit afkomstig van hernieuwbare energiebronnen, dan wordt de elektrische wagen idealiter een volledig CO2-neutrale mobiliteitsoplossing. - Indien in de toekomst bepaalde zones met druk verkeer in stedelijke gebieden als ‘emissievrije zone’ worden ingekleurd, dan zijn die enkel nog toegankelijk voor elektrische voertuigen. - Een elektromotor is zeer robuust en onderhoudsarm. Hij is slechts in geringe mate aan slijtage onderhevig. -E en elektromotor heeft een hoog rendement, tot 96% (benzine: ca. 35%, diesel: ca. 40%). - Een elektromotor ontwikkelt zijn maximumkoppel al vanuit stilstand. Daardoor kan een elektrisch aangedreven wagen met een zelfde vermogen sneller accelereren dan een vergelijkbare wagen met een conventionele verbrandingsmotor. - De constructie van de aandrijflijn is eenvoudiger, aangezien een elektrische aandrijving geen nood heeft aan componenten zoals een versnellingsbak, koppeling, knalpot, partikelfilter, brandstoftank, startmotor, alternator (en bougies). - Bij het remmen kan de motor ook als generator dienen, die stroom opwekt om de accu op te laden (recuperatie). - De hoogspanningsaccu kan eenvoudig worden opgeladen via het thuisnet, onderweg, in een parkeergarage of aan om het even welk beschikbaar stopcontact. Er wordt bovendien gewerkt aan een uniforme standaard voor de oplaadinterface tussen voertuig en laadpunt, wereldwijd en voor alle automerken. - De energie wordt slechts vrijgegeven indien de gebruiker ze nodig heeft. In tegenstelling tot een conventionele verbrandingsmotor draait een elektromotor nooit indien de wagen bijvoorbeeld aan het rode licht stilstaat. Vooral in files en in zogenaamd ‘stop & go’verkeer is een elektromotor daardoor bijzonder efficiënt. - Behalve voor de reductietransmissie aan de elektromotor heeft een elektrische wagen geen smeerolie nodig.
Nadelen van elektromobiliteit -E lektrisch aangedreven voertuigen hebben een beperkt rijbereik. Er moet voldoende elektrische energie worden opgeslagen in het voertuig, en daarvoor is een moderne hoogspanningsaccu nodig. De hoeveelheid opgeslagen energie is doorslaggevend voor het rijbereik van de wagen. -H et volledig opladen van een lege hoogspanningsaccu met een minimale laadcapaciteit (thuisnet) duurt tot 7,5 uur. -D e openbare oplaadmogelijkheden voor elektrische wagens zijn nog volop in opbouw. De hoeveelheid publieke laadpunten is vandaag nog te gering. - Indien de bestemming buiten het maximale rijbereik van de wagen ligt, dan moet de bestuurder zijn rit grondig plannen in functie van de oplaadmogelijkheden onderweg.
9
2.3 Stroomproductie en milieubalans Schone techniek? Alles hangt af van de stroom Een elektrische auto stoot zelf geen CO2 uit. Daardoor wordt hij beschouwd als een milieuvriendelijk en schoon vervoermiddel. Hoe milieuvriendelijk een elektrisch voertuig echt is, hangt echter af van de manier waarop de vereiste stroom wordt opgewekt. De hoeveelheid koolstofdioxide die wordt uitgestoten bij de stroomproductie kan sterk verschillen van de ene tot de andere manier. CO2-uitstoot van de verschillende brandstoftypes/energiebronnen (in g/km) Indien een elektrische auto ‘volgetankt’ wordt via de actuele Belgische ‘stroommix’ (elektriciteit afkomstig van verschillende bronnen), dan stoot hij duidelijk minder CO2 uit dan een dieselvoertuig. De CO2-balans van een elektrische auto die uitsluitend wordt opgeladen met stroom uit hernieuwbare energiebronnen is het minst nadelig voor het milieu. De hier voorgestelde waarden illustreren de CO2-uitstoot die een brandstof veroorzaakt, van de productie ervan tot de ‘verbranding’ in het voertuig (Well-to-Wheel). Bron: ADAC Biodiesel* tot 190
Benzine 161
Diesel 155
Lpg 138
Aardgas 122
Stroommix Stroom uit België hernieuwbare bronnen 85 10
* Afhankelijk van de grondstof waaruit biodiesel gewonnen wordt (bv. koolzaad, soja of algen), komt er bij de verbranding meer of minder CO2 vrij.
Hernieuwbare energie Als hernieuwbare energie worden die bronnen beschouwd die snel en naar menselijke normen onuitputtelijk ter beschikking staan. Tot de hernieuwbare energieën behoren windenergie, zonne-energie, geothermie (aardwarmte), waterkracht en biomassa. Een verdere verlaging van de CO2-uitstoot is mogelijk indien het aandeel van de hernieuwbare energie in de globale stroomproductie wordt verhoogd. Van 17% in 2010 moet de hoeveelheid hernieuwbare energie in de Europese stroomproductie tegen 2030 tot 48% stijgen.
Kernenergie 52%
Hernieuwbare energiebronnen - Waterkracht 1,8% - Windenergie 1% - Zonne-energie 0,2%
Fossiele brandstoffen 45%
Oorsprong stroomproductie België 2009
Het potentieel van zonne-energie De hoeveelheid zonne-energie die op aarde instraalt komt overeen met ongeveer het tienduizend voudige van de huidige totale wereldwijde energiebehoefte. Er is bijgevolg meer energie uit zonlicht beschikbaar dan voor de toekomst nodig is. De kostprijs en het rendement van zonnecellen staan de ontsluiting van dat potentieel echter in de weg. Terwijl het rendement van fotovoltaïsche modules begin jaren tachtig nog rond 8% lag, halen de gemiddelde panelen op de markt vandaag 17% en topproducten bijna 20%. Om ervoor te zorgen dat zonne-energie echt kan concurreren met andere energiebronnen, moet de technologie verder ontwikkeld worden, zodat het rendement van zonnepanelen stijgt.
10
2.4 Basisconcepten van elektromobiliteit Het begrip ‘elektromobiliteit’ omvat in essentie alle voertuigen die met behulp van elektrische energie worden aangedreven. Daartoe behoren zowel voertuigen die hun elektriciteit uit een accu halen, als (vol)hybride voertuigen en voertuigen met een brandstofcel.
Indeling van de elektrovoertuigen Elektrovoertuigen worden in de eerste plaats onderverdeeld en benoemd op basis van de manier waarop de elektrische aandrijving van de nodige energie voorzien wordt, en de mate waarin de elektromotor al dan niet instaat voor de aandrijving van het voertuig.
Conventionele diesel-/benzinewagens
Stroomopwekking in het voertuig
Microhybride De elektrische component dient enkel voor de werking van de stop-startfunctie Milde hybride idem als microhybride, plus: De elektromotor ondersteunt de verbrandingsmotor. Puur elektrisch rijden is niet mogelijk. Recuperatie
De Touareg Hybrid uit 2011 is de eerste in serie gebouwde Volkswagen met een elektrische hybride aandrijving. Hij behoort tot de volhybrides.
Volhybride (HEV) idem als milde hybride, plus: De elektromotor kan ook als enige aandrijfbron dienen. Puur elektrisch rijden is mogelijk. Plug-in hybride (PHEV) idem als HEV, plus: De hoogspanningsaccu kan ook via het elektriciteitsnet opgeladen worden.
Stroom ‘tanken’ via het elektriciteitsnet
Elektrisch rijden
Hybride aandrijving
Benzine/diesel
Verbrandings motor
Hybride met range extender (RXBEV) idem als BEV, plus: Het rijbereik wordt verhoogd door middel van een verbrandings motor die elektrische energie produceert voor de elektromotor. Elektrisch voertuig met accu (BEV) Wordt enkel door een elektromotor aangedreven. De energie tijdens het rijden is afkomstig van een hoogspanningsaccu, die via het elektriciteitsnet wordt opgeladen. Elektrisch voertuig met brandstofcel (FCBEV) Wordt enkel door een elektromotor aangedreven. De energie tijdens het rijden is afkomstig van een brandstofcel, die met waterstof getankt wordt.
BEV: Battery Electric Vehicle; elektrisch voertuig met een accu als energiebron - HEV: Hybrid Electric Vehicle; voertuig met volhybride aandrijving - FCBEV: Fuel Cell Battery Electric Vehicle; elektrisch voertuig met een accu en een brandstofcel - PHEV: Plugin Hybrid Electric Vehicle; voertuig met volhybride aandrijving en externe oplaadmogelijkheid - RXBEV: Range Extender Battery Electric Vehicle; elektrisch voertuig met een accu en een extra verbrandingsmotor als generator om het rijbereik te verhogen
11
3. Hybride Twee is beter dan één Vergelijking van de soorten hybride Hybride voertuigen hebben niet één, maar twee aandrijvingen: een, doorgaans relatief kleine, verbrandingsmotor en een elektromotor. Hybride voertuigen worden opgedeeld volgens het vermogen en de functie van de elektromotor, alsook volgens het type aandrijving. Prognoses voor de verkoop per aandrijvingstype: (in miljoen exemplaren)
Vermogen van hybride voertuigen (kW per ton)
55,7
2,7 tot 4 Microhybride De elektrische component (alternator/ starter) dient niet om de wagen aan te drijven, maar laadt enkel de startbatterij op en staat in voor de stopstartfunctie. Bruikbaar in iedere constructie.
meer dan 20
6 tot 14 Milde hybride
De elektromotor ondersteunt de verbrandingsmotor maar kan niet als enige aandrijfbron dienen.
Diesel en benzine Hybride Elektrisch
44
Volhybride De elektromotor en verbrandingsmotor kunnen ofwel samen ofwel elk afzonderlijk de wielen aandrijven.
Bron: Dietrich Naunin, “Hybrid-, Batterie- und Brennstoff zellenelektrofahrzeuge: Technik, Strukturen und Entwicklungen” (2010)
41,4
23,8
3,1 0,8 2015
Plug-in hybride De plug-in hybride werkt zoals een volhybride (puur elektrisch rijden is dus mogelijk), maar biedt bovendien de mogelijkheid om de accu van de elektromotor extern op te laden, bijvoorbeeld via het stopcontact. De verbrandingsmotor wordt enkel ingeschakeld indien de accu leeg is, anders moet enkel stroom ‘getankt’ worden.
2020
Schattingen gaan ervan uit dat de wereldwijde verkoop van elektrische auto’s tussen 2015 en 2020 bijna zal verviervoudigen. Bron: PRTM Management Consulting
Indeling van de hybride aandrijvingen volgens systeemarchitectuur Seriële hybride De verbrandingsmotor drijft een generator aan, die ofwel de voertuigelektronica van energie voorziet, ofwel de batterijen van de elektromotor oplaadt. Hij drijft echter niet het voertuig zelf aan, waardoor een geringe cilinderinhoud volstaat en het verbruik laag blijft.
12
Parallelhybride Beide motoren zijn via de aandrijfas met elkaar verbonden en ondersteunen elkaar tijdens de volledige rit, maar kunnen ook elk afzonderlijk de wagen aandrijven.
Gemengde hybride Hier worden de seriële en parallelle aandrijfwijze gecombineerd. De verbrandings motor kan afhankelijk van de rijomstandigheden ofwel via de generator enkel de accu opladen en de elektromotor voeden (serieel), ofwel rechtstreeks instaan voor de aandrijving van de wielen (parallel).
4. De elektrische wagen Voornaamste componenten van een elektrische wagen Het volledige aandrijfsysteem van elektrovoertuigen omvat: - een hoogspanningsaccu inclusief sturing voor de batterijregeling en een oplader, - een elektromotor met elektronische sturing (vermogenselektronica) en koeling, - een transmissie inclusief differentieel, - een remsysteem, - een klimaatregeling op hoogspanning voor het interieur.
1. elektromotor 2. transmissie met differentieel 3. vermogenselektronica 4. hoogspanningsleidingen 5. hoogspanningsaccu 6. e-box met sturing voor de batterijregeling 7. koelsysteem 8. remsysteem 9. klimaatregelingscompressor op hoogspanning 10. verwarmingssysteem op hoogspanning 11. lader 12. laadcontact voor extern opladen 13. externe laadbron
13
4.1 Elektromotor Het begrip elektromotor wordt ook gebruikt voor de generator of starter. In essentie kan iedere elektromotor ook als generator gebruikt worden. Indien de elektromotor mechanisch aangedreven wordt, dan levert hij als generator elektrische energie. Indien hij gevoed wordt met elektrische stroom, dan functioneert hij als aandrijving. Elektromotoren voor rijdende voertuigen zijn watergekoeld. Een luchtkoeling is echter niet ondenkbaar. Bij een volhybride voertuig (HEV) dient de elektromotor ook als starter voor de verbrandingsmotor. Een elektromotor is vaak een draaistroommotor. Die maakt gebruik van driefasige wisselstroom. Het werkingsprincipe van een draaistroommotor 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.
Magnetisme als drijvende kracht: de elektromotor 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.
14
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.
4.2 Accu 4.2.1 De hoogspanningsaccu De accu geldt als het hart van de elektrische wagen. Hij wordt bijvoorbeeld extern via het stopcontact opgeladen. Via een AC/DC-omvormer wordt de wisselspanning tijdens het opladen omgezet in gelijkspanning om de accu op te laden. De omvormer zorgt ervoor dat de spanning constant blijft, om te vermijden dat de accu overbelast wordt. De vermogenselektronica zet de gelijkspanning van de accu om in wisselspanning en voedt de elektromotor in drie elektrische fasen. De elektromotor zet het voertuig in beweging.
Hoogspanningsaccu
De hoogspanningsaccu achterin ingebouwd in een elektrische wagen
Elektrisch vermogen Het elektrische vermogen van een accu (P) is gelijk aan de elektrische spanning (U) maal de elektrische stroomsterkte (I). De waarde van het vermogen wordt uitgedrukt in kW. Bij het opladen via het huishoudelijke elektriciteitsnet kan de hoogspanningsaccu tussen 3,3 kW en ongeveer 10 kW aan elektrisch vermogen opnemen. Een normaal monofasig stopcontact thuis levert bij 230V (wisselspanning) maximaal 16A stroom. P (monofasig) = U x I = 230V x 16A [1VA ~ 1W ] = 3680W = 3,68 kW (absoluut) Wegens elektrische verliezen bij het laden (spanningsverlies) moet het absolute vermogen van 3,68 kW gecorrigeerd worden naar 3,3 kW. Indien een elektrisch voertuig kan worden opgeladen via een driefasig stopcontact (nog steeds bij 230V), dan verdrievoudigt de hoeveelheid elektrische spanning die aan de hoogspanningsaccu wordt afgegeven. De laadtijd wordt daardoor aanzienlijk korter dan bij monofasig laden. P (driefasig) = 3,3 kW x 3 = 9,9 kW
Capaciteit De capaciteit van een accu staat voor de hoeveelheid stroom (A) die een accu kan leveren in verhouding tot de tijd (h) waarin hij ontladen wordt, en wordt uitgedrukt in Ah (ampèreuur). Zo kan een accu met een capaciteit van 250 Ah over een ontlaadtijd van 10 uur bijvoorbeeld 25 A per uur leveren. De totale capaciteit is afhankelijk van de snelheid waarmee de accu ontladen wordt. Hoe korter de ontlaadtijd van een accu, hoe lager de totale capaciteit.
15
Energiedichtheid Met het begrip ‘energiedichtheid’ wordt het prestatiepotentieel van een batterij in verhouding tot haar gewicht bedoeld. Hoe hoger de energiedichtheid, hoe meer energie er kan worden opgeslagen en nadien kan worden vrijgegeven voor het leveren van prestaties. De energiedichtheid wordt uitgedrukt in wattuur per kilogram (Wh/kg), d.i. de elektrische arbeid per uur (Wh) en per kilogram batterijgewicht (kg). Uit de energiedichtheid kan het rijbereik van een elektrisch voertuig afgeleid worden. De energiedichtheid van batterijen is sinds de introductie van de loodbatterij in 1859 tot de lancering van de lithium-iontechnologie met meer dan het zevenvoudige gestegen. Met de huidige 2e generatie van de lithium-ionbatterijen en verdere evoluties daarvan moet de energiedichtheid nog verder toenemen. Van lood tot lithium-ion: de evolutie van de energiedichtheid van accu’s (in Wh/kg)
60-120
90-190
240-300
25 Lood
Nikkelmetaalhydride
Lithium-ion
Lithium-ion 2e generatie
Bron: Pricewaterhouse Coopers; Fraunhofer Institut für Systemund Innovationsforschung
Levensduur De levensduur van een batterij wordt beschreven aan de hand van de cyclusvastheid. Voor hoogspanningsaccu’s wordt een cyclusvastheid nagestreefd van 3.000 laadcycli over een tijdspanne van 10 jaar, of 300 cycli per jaar. Op dat vlak kunnen zogenaamde ‘automotive’ batterijen, batterijen voor gebruik in een elektrisch voertuig, niet vergeleken worden met ‘consumentenbatterijen’ voor gebruik in laptops of mobiele telefoons.
Rendement Het rendement van een herlaadbare batterij wordt in procenten uitgedrukt. Vereenvoudigd voorgesteld geeft het rendement aan hoeveel van de energie die gebruikt werd om de batterij op te laden, bij het ontladen weer bruikbaar gemaakt kan worden. Omdat een klein deel van de laadenergie in de vorm van warmte wordt afgegeven (laadverlies), kan het rendement van een batterij nooit 100% zijn.
4.2.2 Soorten accu’s De verschillende types herlaadbare batterijen worden ingedeeld volgens de gebruikte materialen voor de elektroden en elektrolyten. De meest gangbare accu’s zijn lood-, nikkelcadmium-, nikkel-metaalhydride- en lithium-ionbatterijen. In de volgende beschrijving worden hun voornaamste bijzonderheden beschreven.
16
Loodaccu De klassieker als 12V-batterij voor het boordnet van een wagen. De elektroden zijn plaatjes uit lood en lood/loodoxide, als elektrolyt wordt zwavelzuur gebruikt. Loodaccu’s vergen onderhoud. Dat betekent dat gedestilleerd water moet worden toegevoegd om het vereiste vloeistofpeil aan de elektrolyt te garanderen. Voor de voeding van puur elektrisch aangedreven voertuigen zijn loodaccu’s niet echt geschikt, omdat ze in verhouding tot hun volume zeer zwaar zijn en zo het voertuiggewicht zouden verzwaren. Bijgevolg zou het nuttige laadvermogen van een dergelijke wagen drastisch verminderen. Een loodaccu kan in bepaalde omstandigheden al na 6 jaar een groot deel van zijn capaciteit verliezen. Bij beschadiging kan elektrolyt (zuur) vrijkomen.
Nikkel-cadmiumbatterij In deze accu’s wordt als materiaal voor de elektroden cadmium (Cd) en een nikkelverbinding gebruikt. Als elektrolyt dient kaliumhydroxide. Om die reden noemt men dit type ook alkalische batterijen. Ze hebben een hogere energiedichtheid dan loodaccu’s en zijn beter bestand tegen beschadiging of het verlies van elektrolyt. Nikkel-cadmiumaccu’s hebben een geheugeneffect. Dit accutype is slechts beperkt bestand tegen volledig ontladen of overladen, wat voor een lager rendement zorgt. Cadmium en cadmiumverbindingen zijn giftig.
Nikkel-metaalhydrideaccu Het elektrodemateriaal van deze batterijen bestaat uit een nikkelverbinding en een verbinding van een ander metaal. Als elektrolyt wordt eveneens kaliumhydroxide gebruikt. Ze hebben een hogere energiedichtheid dan Ni-Cd-batterijen en zijn relatief goed bestand tegen beschadigingen. Hoewel in vergelijking met Ni-Cd-batterijen slechts een beperkt geheugeneffect optreedt, verliezen ook deze batterijen na verloop van tijd aan rendement. Het rendementsverlies is echter in beperkte mate omkeerbaar. Nog een voordeel van nikkel-metaalhydridebatterijen: ze bevatten geen giftige zware metalen zoals lood of cadmium. Het elektrolyt is in vaste vorm in de accu opgeslagen. Zelfs na een breuk van de behuizing komt slechts sporadisch een spatje vrij.
Lithium-ionaccu Dit accutype vertegenwoordigt een van de nieuwste batterijgeneraties en maakt gebruik van lithium-verbindingen voor de interne opbouw. Voor de elektroden worden verschillende lithium-metaaloxides en grafiet gebruikt, als elektrolyt dienen verschillende oplosmiddelen voor lithiumzouten. Lithium-ionaccu’s bevatten slechts zeer weinig water en hebben geen geheugeneffect. Vergeleken met nikkel-cadmiumbatterijen hebben ze een meer dan dubbel zo hoge energiedichtheid. Daardoor vereist dit batterijtype in verhouding tot zijn vermogen minder plaats in een elektrisch voertuig, zodat er meer ruimte overblijft voor de inzittenden en de bagage. Lithium (Li) is een chemisch element. Het woord lithium is afgeleid van het Griekse ‘lithos’, dat ‘steen’ betekent, omdat het in 1817 in steen ontdekt werd. Lithium behoort op basis van zijn chemische gedrag net als natrium tot de alkalische metalen en wordt wegens zijn geringe dichtheid als licht metaal beschouwd. Het is het op twee na lichtste chemische element, na waterstof en helium.
17
4.2.3 Accu’s van de toekomst Nieuwe technologieën voor een groter rijbereik Hoewel het potentieel van batterijen gestaag is toegenomen, volstaat dat niet om van de elektrische aandrijving een ernstig alternatief voor de verbrandingsmotor te maken: de laadtijden zijn te lang, het rijbereik en de levensduur te kort en de kostprijs te hoog. Daarin moet verandering komen, momenteel wordt intensief gewerkt aan nieuwe mogelijkheden voor de batterijen.
Lithium-zwavel De energiedichtheid van lithium-zwavel accu’s is drie tot vijf maal hoger dan die van lithium-ionaccu’s. Bovendien zijn ze minder gevoelig voor temperatuurschommelingen. Ze kunnen momenteel echter nauwelijks een 100-tal keren worden opgeladen. Experts verwachten dat ze ongeveer in 2020 gebruikt zullen worden in commerciële producten.
Lithium-polymeer Lithium-polymeeraccu’s bevatten geen vloeibare bestanddelen zoals batterijzuren en kunnen daardoor aan iedere mogelijke vorm aangepast worden, een voordeel in de autobouw. Nadelen zijn hun geringe geleidingsvermogen en hun gebrekkige prestatiepotentieel bij koude. Verwacht wordt dat de lithium-polymeeraccu’s tussen 2020 en 2025 marktrijp zullen zijn. Hun energiedichtheid en levensduur zou dan moeten overeenstemmen met die van lithium-ionaccu’s.
Energiedichteid van nieuwe batterijen (in vergelijking met de lithium-ionaccu) Lithium-ion
500% 300%
Lithium-zwavel
100% Lithium-polymeer
1.000% 500%
Lithium-lucht De energiedichtheid van lihtium-luchtaccu’s is vijf tot tien maal hoger dan die van lithium-ionaccu’s. Tot dusver kunnen deze accu’s echter slechts een gering aantal keren opgeladen worden en verdragen ze geen temperatuurschommelingen. Het zou nog tien tot twintig jaar kunnen duren voor ze op de markt komen.
Lithium-lucht Vooral lithium-luchtaccu’s hebben een enorm potentieel. Wanneer ze op de markt komen, zouden ze tot tien keer performanter zijn dan lithium-ionaccu’s. Bronnen: Fraunhofer-Institut für Systemund Innovationsforschung ISI; FraunhoferInstitut für Chemische Technologie ICT; Batterieforschungszentrum MEET
18
4.3 Oplaadinterface 4.3.1 Privaat / Openbaar Tanken aan het stopcontact Om van de elektrische aandrijving een echt bruikbare oplossing te maken voor onze dagelijkse verplaatsingen, is er nood aan een uitgebreid netwerk van laadstations. Vooraleer over de uitbouw van de infrastructuur kan worden nagedacht, moet echter eerst een antwoord gevonden worden op de vraag hoe die stroom in de auto geraakt. Tot dusver bestaan er verschillende opvattingen over hoe de ‘tankstations’ van de toekomst er moeten uitzien en welk oplaadsysteem uiteindelijk de standaard zal worden. De ontwikkeling van een uniforme oplaadinterface komt aan bod in het hoofdstuk ‘4.3.3 Standaardisering’.
Private aansluiting In dit geval dient de garage thuis als tankstation: de elektrische auto wordt gewoon op een stopcontact aangesloten en net als bv. een mp3-speler opgeladen. Overal beschikbaar: iedereen heeft thuis wel een stopcontact. Lange laadtijd: het duurt ca. zes tot acht uur om de accu aan een normaal 230V-stopcontact op te laden. Via een driefasige stroomvoorziening met 380V kan de laadtijd gevoelig verkort worden.
Wegens de lange laadtijd kan een elektrische wagen thuis best ’s nachts opgeladen worden, of bijvoorbeeld overdag op het werk, in ieder geval op momenten dat hij sowieso lang stilstaat.
Openbare laadstations Aan tankstations, (weg)restaurants en winkelcentra worden steeds meer publieke laadpalen geïnstalleerd, zodat de gebruiker van een elektrisch voertuig zijn wagen onderweg zou kunnen opladen. Het gaat daarbij evenwel niet om snellaadpalen. De publieke laadstations in België hebben een maximum capaciteit van 11 kWh, zodat het nog steeds +/- 2,5 uur duurt om een accu van 26 kW op te laden. Bovendien wordt de laadcapaciteit ook beperkt door de interne lader van het voertuig, om overbelasting van de accu te vermijden. Hoe uitgebreider het netwerk van laadpunten, hoe meer kans op succes, wegens de ruimere bruikbaarheid van de elektrische wagen. Geen standaard voor oplaadstekkers: wegens de grote verscheidenheid aan laadstekkers en contactpunten kan niet iedere elektrische auto aan ieder laadstation tanken. Daarin zou met de invoering van een uniforme standaard voor de oplaadinterface van elektrische voertuigen (bv. het Combined Charging System, zie 4.3.3) verandering moeten komen.
In Duitsland zijn er momenteel meer dan 900 openbare laadstations, en dat aantal neemt gestaag
toe. Ongeveer de helft van die laadpunten wordt uitgebaat door de grote elektriciteitsleveranciers, een kwart is eigendom van bv. wegrestaurants of andere ondernemingen. Het resterende kwart van de publieke laadstations is in handen van privépersonen. België telt vandaag ongeveer 185 publiek toegankelijke laadpunten*. * Informatie afkomstig van ASBE, de Belgische afvaardiging van de ‘European Association for Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicles’ (AVERE), www.asbe.be
19
Accuwisselstations In een zogenaamd wisselstation rijdt de auto op een platform. De lege accu wordt langs onderen automatisch uit het voertuig genomen en vervangen door een opgeladen exemplaar. Minimale wachttijd: het wisselen van de accu’s duurt slechts enkele minuten. Hoge kosten: zolang de elektrische voertuigen verschillende soorten accu’s gebruiken, moet ieder wisselstation een voorraad van alle gangbare accu’s hebben, wat het systeem erg duur maakt.
Openbare accuwisselstations voor elektrische wagens zijn
er nog niet. Het concept werd tot dusver enkel getest voor een taxivloot in Tokio, die het wisselen van de accu’s als voornaamste ‘laadmogelijkheid’ gebruikte. Een gelijkaardige test is gepland in San Francisco. Onder meer in de Zwitserse regio Graubünden bestaat wel al een netwerk van accuwisselstations voor elektrische fietsen, waar een lege accu kan worden ingeruild voor een opgeladen exemplaar om zo het rijbereik te vergroten. Bron: Better Place
4.3.2 Oplaadstekkers en laadmodi1) Er heerst veel verwarring over de laadpunten vanwege verschillen in vermogen, laadmethode en gebruikte techniek. Vaak worden termen als ‘type 2’- of ‘level 3’-laden gebruikt, maar wat betekent dat? Het ‘type’ van een laadpunt geeft aan welke soort stekker er gebruikt wordt.
Type 1 Type 1 staat voor de Yazaki-stekker. In de VS en Japan lijkt deze ‘SAE J1772’-stekker de standaard te worden voor het opladen van de accu’s via het thuisnet. De stekker laat ‘mode 2’- en ‘mode 3’-laden (zie pagina 22) toe, maar is in Europa moeilijk bruikbaar, omdat hij eigenlijk voor het 110V-elektriciteitsnet bedoeld is.
Type 2 In Europa ziet het er naar uit dat voor thuisgebruik de ‘VDE-AR-E 2623-2-2’-stekker (in de volksmond ‘MENNEKES®’stekker genoemd) de standaard wordt. De MENNEKES®stekker is een stuk performanter dan de SAE J1772: het is een krachtstroomstekker (driefasig) met een laadvermogen tot 44 kW (400V/64A).
Type 3 Een derde type stekker is de ‘SCAME’-stekker van EV Plug Alliance. Hij wordt momenteel vooral in Frankrijk en Italië gebruikt. Deze stekker is eveneens geschikt voor driefasig laden op wisselstroom.
1)
20
Bron: http://leafplan.nl/laadpalen-voor-elektrische-autos-een-overzicht/
CHAdeMO De CHAdeMO-stekker werd ontwikkeld door de gelijknamige Japanse onderneming en is ontworpen als stekker voor het zogenaamde ‘DC Fast Charging’, d.w.z. snelladen met gelijkstroom. De stekkers van type 1, 2 en 3 zijn wisselstroomstekkers en zijn niet geschikt voor snelladen. De naam ‘CHAdeMO’ is afgeleid van het Japanse “O cha demo ikaga desuka”, wat zoveel betekent als “Zullen we een kopje thee drinken?”. Daarmee wordt verwezen naar de korte tijd die nodig is voor het opladen van de accu. Deze lader maakt gebruik van gelijkstroom met maximaal 500V en 125A en kan een elektrische wagen volledig opladen in een half uurtje.
CEE blauw De blauwe CEE-stekker is een driepolige 230V/16Astekker voor gebruik op wisselstroom (monofasig). Hij is regenbestendig (IP44) en daardoor geschikt voor buitengebruik. Met deze stekker is enkel ‘mode 2’-laden mogelijk.
CEE rood De rode CEE-stekker is een universele stekker voor industrieel gebruik op driefasige wisselstroom met 400V. Omdat hij enkel geschikt is voor ‘mode 2’-laden, blijven de mogelijkheden voor het opladen van elektrische voertuigen met deze stekker beperkt.
Schuko Schuko is de afkorting van het Duitse ‘Schutz-Kontakt’. Dit is het systeem dat in België en het grootste deel van Europa gebruikt wordt bij thuisinstallaties. Het gaat om de gewone stekker en stopcontact van maximaal 230V/16A. Alleen geschikt voor ‘mode 2’-laden.
Combostekker / Combined Charging System Het Combined Charging System, ook wel Combostekker genoemd, is een gecombineerde interface die verschillende manieren van opladen mogelijk maakt: monofasig opladen met wisselstroom, snelladen met driefasige wisselstroom of ultrasnel laden met gelijkstroom (DC Fast Charging) aan openbare laadstations. De Combostekker is een evolutie van de ‘Type 1’-stekker
21
Laadmodi Behalve het ‘type’ van de stekker is voor het opladen van elektrische voertuigen ook de laadmodus (‘mode’) van belang. Die ‘mode’ geeft aan welke techniek er gebruikt wordt.
Mode 1 Mode 1 staat voor het laden via een gewoon stopcontact (230V, max. 16A) zonder extra beveiliging. Voor het opladen van elektrische voertuigen wordt ‘mode 1’ niet gebruikt.
Mode 2 Mode 2 staat voor het laden via een gewoon stopcontact of een eenvoudige laadpaal thuis, met een geïntegreerde beveiliging in de stekker. In theorie kan met mode 2 tot 32A geladen worden. In de praktijk bedraagt de maximale laadstroom echter slechts ca. 10A. Bovendien wordt de maximale stroomsterke vaak beperkt door de AC/DC-omvormer in de wagen. Daardoor duurt het bijzonder lang (+/- 8 tot 10 uur) om een elektrisch voertuig volledig op te laden.
Mode 3 Mode 3 staat voor gecontroleerd laden via wisselstroom. Via pulsbreedtemodulatie wordt de maximale laadstroom bepaald alvorens het stopcontact onder spanning gezet wordt. Voor ‘mode 3’-laden thuis is een speciale aansluiting nodig, vergelijkbaar met de aansluiting voor bijvoorbeeld een elektrisch fornuis. Enige aanpassingen in de elektrische meterkast zijn dus een voorwaarde om met 230V/32A te kunnen laden. Openbare ‘mode 3’-laadpalen leveren vaak krachtstroom en kunnen dan 400V en 16A, 32A of soms zelfs 64A leveren, waardoor de oplaadtijd aanzienlijk korter wordt.
Mode 4 Mode 4 staat voor snelladen met gelijkstroom (DC Fast Charging), waarbij de laadpaal zelf het gehele laadproces bepaalt. Een ‘mode 4’-lader vereist minimaal een kracht stroomaansluiting van 400V met 3 x 80A. Dat maakt de installatie behoorlijk duur.
22
Bij mode 1 tot 3 wordt altijd geladen via een in de auto aanwezige AC/DC-omvormer en wordt het laadproces door de auto bepaald. Een ‘mode 4’-lader beschikt over een geïntegreerde omvormer, die de wisselstroom omzet en zo meteen gelijkstroom levert aan de wagen. De omvormer van het voertuig wordt daardoor omzeild en de laadpaal wordt als het ware rechtstreeks op de accu aangesloten. Op die manier kan een veel hoger vermogen geleverd worden en verloopt het laden een stuk sneller.
4.3.3 Standaardisering De enorme verscheidenheid aan stekkertypes die gebruikt worden voor de huidige elektrische voertuigen bemoeilijkt hun wereldwijde inzetbaarheid. Een van de vereisten om elektrische wagens echt overal bruikbaar te maken, is een uniforme standaard voor de oplaadinterface van de voertuigen. Op het 26e symposium voor elektrovoertuigen EVS-26, van 6 tot 9 mei 2012 in Los Angeles, toonden Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, General Motors, Porsche en Volkswagen het Combined Charging System – een uniforme interface voor het snel opladen van elektrische voertuigen die het mogelijk maakt om de meeste compatibele elektrische voertuigen in 15 tot 20 minuten op te laden. Het Combined Charging System is een gecombineerde interface die verschillende manieren van opladen mogelijk maakt: monofasig opladen met wisselstroom, snelladen met driefasige wisselstroom of ultrasnel laden met gelijkstroom (DC Fast Charging) aan openbare laadstations. Daardoor kan de klant ongeacht de stroombron en de aangeboden laadsnelheid aan de meeste laadstations ‘tanken’. SAE International* koos het Combined Charging System als de standaard voor snelladen. Deze ‘combostekker’ is een uitbreiding van de bestaande ‘Type 1 AC Charging Interface’, die enkel in combinatie met wisselstroom kan worden gebruikt. De SAE-standaard wordt deze zomer officieel gepubliceerd. De Europese Vereniging voor Autoconstructeurs ACEA selecteerde het Combined Charging System als uniforme AC/DC-laadinterface voor alle nieuwe voertuigtypes in Europa vanaf 2017. Het systeem maakt een maximale integratie in toekomstige ‘Smart Grids’ mogelijk, door een uniforme breedbandcommunicatie die wereldwijd werkt, ongeacht de plaats waar het laadsysteem gebruikt wordt. 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. Commercieel beschikbare laadstations zullen er vermoedelijk zijn vanaf eind 2012. Alle betrokken autoconstructeurs ontwikkelen voertuigen die gebruikmaken van het Combined Charging System. De eerste voertuigen met deze technologie zouden in 2013 hun intrede doen op de markt. * Society of Automotive Engineers
23
5. Voertuigconcepten Alle functies die normaal door de verbrandingsmotor worden aangedreven (bv. de compressor van de klimaatregeling), worden bij een hybride door verschillende hoogspannings- en 12V-componenten overgenomen.
5.1 Volhybride (HEV) Bij een volhybride heeft het voertuig een conventionele verbrandingsmotor en een elektromotor, die als generator, aandrijving en starter dient. De verschillende werkingsmodi zijn afhankelijk van factoren zoals de laadtoestand van de hoogspanningsaccu of de kracht waarmee het gas- en/of rempedaal wordt ingedrukt. De verbrandingsmotor en de elektromotor sturen ofwel apart ofwel samen hun aandrijfkracht via een koppeling en een gemeenschappelijke transmissie naar de aandrijfassen. Behalve het hoogspanningscircuit heeft de wagen ook een 12V-boordnet met een eigen 12V-accu. Voor de interieurverwarming wordt bij dit concept gebruikgemaakt van het opgewarmde koelwater van de verbrandingsmotor.
Opbouw Aandrijfaggregaten en hoogspanningscomponenten
Compressor klimaatregeling
Hoogspanningsaccu Elektromotor
Transmissie
Verbrandingsmotor
Vermogenselektronica
24
Hoogspanningsleidingen
5.1.1 Touareg hybrid De aandrijving van de Touareg Hybrid, voorzien van een hoogspanningsaccu, bestaat in essentie uit de V6 TSI (rechtstreeks ingespoten benzinemotor van 245 kW/333 pk en 440 Nm) met turbodrukvoeding, de automatische achtversnellingsbak, ideaal voor een hybride of sleepvoertuig, en de hybride module, die tussen de verbrandingsmotor en de automatische versnellingsbak is geplaatst. De compacte hybridemodule, die de scheidingskoppeling (achter de V6 TSI) en de elektromotor (34 kW/47 pk) in één behuizing bundelt, weegt slechts 55 kg. Wanneer de V6 TSI en de elektromotor samenwerken (‘boost’-modus), bedraagt het maximumvermogen, gemeten op de testbank, 279 kW/380 pk en piekt het koppel bij 580 Nm.
5.1.2 Jetta Hybrid De aandrijving van de Jetta Hybrid, die eind 2012 gecommercialiseerd wordt in de Verenigde Staten, wordt verzekerd door een hoogtechnologische benzinemotor (1.4 TSI van 110 kW/150 pk) en een uitstootvrije elektromotor (20 kW). Die hybride combinatie maakt niet alleen bijzonder indrukwekkende rijprestaties mogelijk (0 – 100 km/u in minder dan 9 s), de Jetta Hybrid maakt ook indruk met zijn verbruikscijfers (gemiddeld 5,2 l/100 km). Zo verbruikt deze sportieve berline ca. 20% minder brandstof dan een wagen met een vergelijkbare conventionele verbrandingsmotor. In stadsverkeer loopt het verbruiksvoordeel zelfs op tot 30%! De Jetta Hybrid kan tot 70 km/u en over een afstand van 2 km daarenboven ook volledig elektrisch en dus emissievrij rijden (afhankelijk van het profiel van de weg en de rijomstandigheden). De hybride module bestaat uit de TSI, de elektromotor en een scheidingskoppeling. Die is tussen de twee motoren geïntegreerd en ontkoppelt de benzinemotor volledig van de aandrijflijn in puur elektrische of vrijloopmodus (deceleratie/remmen). Een lithiumionaccu levert de nodige energie voor de elektromotor. Het compacte accusysteem is achter de achterbank geïntegreerd, zodat de interieurruimte geenszins beperkt wordt. De accu weegt 35,8 kg en bestaat uit 60 aparte cellen, elk met een capaciteit van 5 Ah. Samen produceren ze een nominale spanning van 220V, de totale capaciteit bedraagt 1,1 kWh. De frequente afwisseling tussen laad- en ontlaadcycli bij hybride gebruik vereist een uiterst krachtige koeling van de accu, die in dit geval verzekerd wordt door een rechtstreeks op de accu gemonteerde ventilator. De accu is tevens voorzien van een eigen sturingssysteem, dat instaat voor verschillende functies op het vlak van veiligheid, diagnose, monitoring en temperatuurmanagement.
25
5.2 Plug-in hybride (PHEV) In tegenstelling tot een volhybride aandrijving maakt de plug-in hybride van de Golf Variant twïnDRIVE gebruik van twee elektromotoren. Een daarvan doet uitsluitend dienst als generator respectievelijk starter, de andere dient als elektromotor en generator. Beide elektromotoren en de verbrandingsmotor zijn telkens via een koppeling met elkaar verbonden. Ook hier is de werkingstoestand bepalend voor het samenspel van de elektromotoren en de verbrandingsmotor. De hoogspanningsaccu van een plug-in hybride kan eveneens via een 230V-stopcontact worden opgeladen. Behalve het hoogspanningscircuit heeft de wagen ook een 12V-boordnet met een eigen 12V-accu.
Opbouw Aandrijfaggregaten en hoogspanningscomponenten Compressor klimaatregeling
Verbrandingsmotor Elektromotor 1
Transmissie Vermogens elektronica 2
Vermogens elektronica 1 Elektromotor 2
Hoogspanningsaccu
Oplader Laadcontact
Hoogspanningsleidingen
5.2.1 Golf Variant twïnDrive Onder de motorkap van de Golf Variant twïnDrive schuilen een 1.4 TSI-benzinemotor van 85 kW (115 pk), een generator van 30 kW en een elektromotor met een vermogen van 85 kW en een koppel van 600 Nm. De Golf Variant twïnDrive kan aan het stop contact worden opgeladen en heeft een aanzienlijk rijbereik in elektrische modus. Dankzij de lithium-ionaccu van 150 kg met een capaciteit tot 13,2 kWh kan de plug-in hybride Golf Variant in ideale omstandigheden een afstand van 57 km afleggen in puur elektrische modus. Terwijl bij een klassiek hybride model de elektromotor dient als ondersteuning voor de verbrandingsmotor, is dat bij de Golf Variant twïnDrive net omgekeerd: hier ondersteunt de benzinemotor de elektromotor. Vooral in de stad of op korte trajecten dient de elektromotor als primaire aandrijving. In dat geval levert hij een vermogen van 65 kW (88 pk). Indien meer vermogen vereist is, wordt ter ondersteuning de verbrandingsmotor gestart. Bij krachtige acceleraties leveren de elektromotor en de TSI-motor samen een piekvermogen van 120 kW (163 pk).
26
5.3 Aandrijving met brandstofcellen (FCBEV) 5.3.1 Tiguan HyMotion De Tiguan HyMotion tankt waterstof en wint de elektrische energie voor de elektromotor uit een module met brandstofcellen. In die module wordt de waterstof in water omgevormd, waaruit vervolgens elektrische energie gewonnen wordt. Afhankelijk van de werkingsomstandigheden kan voor de aandrijving ook rechtstreeks een beroep gedaan worden op de energie van de hoogspanningsaccu.
Een verbrandingsmotor heeft de Tiguan HyMotion niet. De hoogspanningsaccu extern opladen is enkel mogelijk met behulp van een speciaal laadtoestel. Behalve het hoogspanningscircuit heeft de wagen ook een 12V-boordnet met een eigen 12V-accu.
Opbouw Aandrijfaggregaten en hoogspanningscomponenten Hoogspanningsleidingen Compressor klimaatregeling Verwarming op hoogspanning Elektromotor
Vermogens elektronica Brandstofcel
Hoogspanningsaccu
27
5.4 Volledig elektrische aandrijving (BEV) 5.4.1 e-up! De aandrijving van het tot 135 km/u snelle studiemodel e-up! wordt verzekerd door een elektromotor met een piekvermogen van 60 kW (nominaal vermogen: 40 kW). Zoals gebruikelijk bij elektromotoren ontwikkelt de nagenoeg geruisloze motor meteen vanaf de start zijn maximumkoppel, in dit geval 210 Nm. Het inschakelen van de vooruitof achteruitversnelling gebeurt via een draaischakelaar in de middenconsole. Dankzij de accucapaciteit van 18 kWh is afhankelijk van de rijstijl een rijbereik tot 130 km mogelijk. De batterijen zelf zijn onder de vloer van de e-up! ondergebracht. Alle essentiële aandrijvings- en nevenaggregaten bevinden zich in het motorcompartiment. De e-up! zal vanaf 2013 in een serieversie op de markt komen.
5.4.2 Golf blue-e-motion De Golf blue-e-motion is een 100% elektrisch voertuig. Behalve door recuperatie kan de hoogspanningsaccu enkel extern worden opgeladen, via een stopcontact van het 230V-thuisnet, via een specifiek laadpunt of via een openbaar laadstation. Onder de motorkap van dit rijklare studiemodel schuilt een elektromotor van 85 kW (115 pk), die de wagen geruisloos aandrijft. Zoals alle elektromotoren stelt ook die van de Golf blue-emotion onmiddellijk een zeer hoog maximumkoppel ter beschikking (in dit geval 270 Nm). De motor haalt zijn energie uit een lithium-ionaccu met een capaciteit van 26,5 kWh. Afhankelijk van de rijstijl en de gebruiks omstandigheden (bv. klimaatregeling en verwarming al dan niet ingeschakeld) kan de autonomie van de Golf blue-e-motion oplopen tot 150 km. De Golf blue-e-motion haalt een topsnelheid van 135 km/u en kan ook ‘zeilen’, zoals dat heet. Dat gebeurt telkens wanneer de vooruitziende bestuurder de voet van het gaspedaal haalt. In dat geval wordt de motor ontkoppeld om de wrijvingsweerstand tot een minimum te beperken. De Golf blue-e-motion zet verder ook de kinetische energie in elektriciteit om (recuperatie). De elektromotor van 80 kg, de versnellingsbak en het differentieel vormen het hart van de aandrijving. Het energiemanagement wordt toevertrouwd aan een uiterst performante pulsomvormer, die samen met de DC/DC-omvormer van het 12V-boordnet en de lader in het systeem geïntegreerd is.
28
Opbouw Golf blue-e-motion Hoogspanninsaccu’s
Vermogenselektronica
Stopcontact
Stopcontact
Accumanagementsysteem
Elektromotor
Hoogspanningsleiding
Informatiebronnen voor dit bericht (tenzij anders aangegeven): -V olkswagen Service Training, Selbststudienprogramm 499, “Grundlagen der elektrischen Antriebe im Automobil” -V iaVision, Volkswagen Group, Nachrichten aus der mobilen Zukunft, Nr. 02 - März 2011, “Startklar, der E-Antrieb kommt ins Rollen” - ViaVision, Volkswagen Group, Nachrichten aus der mobilen Zukunft, Nr. 05 - September 2011, “Motoren, wie das Auto in Fahrt kommt”
29
