Motoren
Welke type motor in electrische auto's
 
Root server » TechTalk » Electriciteit » Motoren » Electrische auto's
Welke type motor wordt er in electrische auto's gebruikt? De electrische auto's zijn recnet, en toch hebben we een hele evolutie meegemaakt.
-

-

Electrische auto's


Starten van een gelijkstroommotor met een rheostaat.
In moderne motoren wordt de rheostaat door een electronische module vervangen.


Gelijkstroommotor


Gelijkstroommotor, let op het collector en de borstels rechts


Asynchrone motor


Magnetische weerstand motor reluctantiemotor)
Bij iedere stap draait de motor 15°


Synchrone motor

Gelijkstroommotor

Er bestonden al electrische auto's in de jaren 1970. Ze hadden tractie loodbatterijen en een beperkte aktieradius. Ze werden op universiteitscampussen en hospitalen gebruikt voor de lokale verplaatsingen. Het was toen al de mode van ecologisch te denken, zeker op universiteiten (remember flower power en mai soixante-huit).

De gelijkstroommotor is in feite een universele motor waarvan men beide wikkelingen apart kan bekrachtigen (anker en stator). Men was toen verplicht dergelijke motoren te gebruiken, want er bestonden geen efficiente systemen om gelijkspanning om te zetten in wisselspanning. De gelijkspanningsmotor had toen veel voordelen zodat die bijvoorbeeld ook in trams gebruikt werd.

De gelijkstroommotor heeft een aantal voordelen; een hoog koppel bij een laag toerental en een rendement dat redelijk goed is. Het is gemakkelijk het vermogen te regelen, daarom waren de grote motoren die in de industrie gebruikt werden gelijkstroommotoren. Bij de kooiliften in steenkoolmijnen moest de motor zowel snel kunnen draaien (om de kooien snel naar een diepte van 1000 meter te brengen), maar moest ook de kooi op een paar centimeter nauwkeurig kunnen positionneren.

Het vermogen werd toen geregeld door Ward Leonard systemen, maar een dergelijk zwaar systeem is niet nodig bij voertuigen. Men gebruikte een rheostaat om het koppel te beperken bij het aanlopen (een rheostaat is een grote weerstand met aftakkingen). Een dergelijk systeem werd ook gebruikt in de eerste electrische auto's.

Met de moderne electronica is het mogelijk het vermogen nauwkeurig te regelen zonder verliezen in de rheostaat. De module is een schakelende voeding met een hoog rendement. De eerste moderne electrische auto's gebruikten gelijkspanningsmotoren omdat de techniek goed op punt was.

Maar dergelijke motoren hebben koolborstels die regelmatig vervangen moeten worden. Men heeft het verversen van de olie vervangen door het vervangen van de koolborstels, wat toch geen verbetering is. En als men de olie borstels niet op tijd liet vervangen, dan moest de volledige electrische motor vervangen worden wegens beschadiging van de collector.

Asynchrone motoren

Toen Tesla zijn eerste electrische wagen op de markt bracht, gebruikte hij een asynchrone motor (induktiemotor of kooiankermotor). Nikola Tesla heeft de induktiemotor uitgevonden in 1887 (maar heeft nooit voor Elon Musk gewerkt).

Van alle bestaande types motoren (en met de toen bestaande technieken) was dit de beste motor. Er is geen onderhoud nodig, en als de lagers vervangen moeten worden, dan is de auto al lang versleten. De asynchrone motor wordt veelvuldig in de industrie gebruikt.

Met de huidige frekwentieomvormers kan de motor gevoed worden vanaf een gelijkspanningsbron zonder al te grote verliezen. Met de frekwentieomvormer kunnen ook de meest storende nadelen van de motor beperkt worden (laag aanloopkoppel en hoge aanloopstromen).

Maar de kooiankermotor heeft ook een nadeel, dat is zijn slip ten opzichte van de frekwentie. Het is de slip die voor de verliezen zorgt. De verliezen treden op in het anker. De rotor is in feite het secundair van een transfo met kortgesloten wikkelingen. Als de motor synchroon draait met de netspanning, dan ontstaat er geen spanning in de secundaire wikkeling, en dus ook geen verlies. Hoe hoger de belasting, hoe groter de slip, en dus ook de verliezen.

Tesla gebruikt de warmte die ontwikkeld wordt om de batterijen op te warmen (de batterijen hebben een hoger rendement bij een temperatuur van ongeveer 40°), maar het blijft een verliespost. De verliezen zijn niet te groot en worden als acceptabel aangezien in de industrie, maar in een electrische auto met beperkte aktieradius moet men het onderste uit de kan halen.

Een asysnchrone motor is ook redelijk groot voor een bepaald vermogen. Hier ook speelt dit geen rol voor de industrie, maar wel voor electrische auto's.

Synchrone motoren

Om de verliezen sterk te beperken moet de motor synchroon lopen met de voeding. De meest gebruikte motortype is de synchrone motor, waarbij het anker uitgerust is met permanente magneten. De koperen kooi bestaat nog steeds om het starten te vergemakkelijken, maar in normaal bedrijf draait de motor synchroon en loopt er geen stroom door de kooi.

Synchrone motoren worden door bepaalde autofabrikanten gebruikt. Er is een slimme sturing nodig om de motor synchroon te laten lopen.

De motor heeft echter krachtige magneten nodig die uit een neodymiumlegering bestaan. Neodymium is een zeldzaam metaal, waardoor de kost van de motor sterk kan oplopen. Tesla heeft enkele modellen uitgerust met een synchrone motor met permanente magneten, maar is dan overgestapt op iets beters. Eventueel kan men de magneten vervangen door electromagneten, maar dan moet men een manier vinden om de stroom naar de rotor te brengen, en moet men dus sleepringen gebruiken.

De motor die door de laatste Teslamodellen gebruikt wordt is de reluctantiemotor. De reluctantie kan men vertalen door magnetische weerstand, maar er bestaat geen goede nederlandse naam voor dit type motor (neen, het is niet "tegenzin motor" zoals je op bepaalde sites kan lezen, sites die machinaal vertaald werden om meer bezoekers aan te trekken).

Een reluctantiemotor moet een zeer kleine luchtspleet hebben, maar dit is een zuiver produktietechnisch probleem, en als die van de baan is kan de motor zeer goedkoop gemaakt worden.

De reluctantiemotor is in feite de moderne versie van de stappenmotor. Een derglijke motor heeft een duidelijke stappenwerking (sterk variërend koppel tussen de vertandingen), die in deze toepassing enkel vermeden kon worden door een wisselspanning met een speciale golfvorm te gebruiken. De electronikan moet constant de motorpositie kennen.

Een stappenmotor (zelfs in Teslaversie) heeft een beperkt toerental, maar dit is geen probleem, in tegendeel, want de motor kan direct met de wielen verbonden worden. De motor heeft een hoog koppel op lage toerentallen.

In vergelijking met een asynchrone motor heeft een synchrone motor een rendement dat 6% hoger ligt. Ondanks dit voordeel wordt de motor niet veelvuldig gebruikt in de industrie. Maar een auto met een aktieradius van 300km kan dan 316 km afleggen met een synchrone motor in plaats van een asynchrone motor.

In de Tesla voertuigen worden hybride synchrone motoren gebruikt (reluctantie en magneten) om de werking te verbeteren. Regeneratief remmen is echter moeilijker te implementeren met een reluctantiemotor.

Tesla

Men kan moeilijk spreken van electrische auto's zonder het te hebben over Tesla, want zonder Tesla zouden er nu nog altijd geen electrische auto's rondrijden.

De traditionele autobouwers zijn zeer conservatief. Het zijn grote, lompe gevallen die al eeuwen bestaan en ontstaan zijn uit fusies. Er is geen echte concurrentie tussen de merken, iedere fabrikant kent de winstmarges van de andere bouwers en niemand zal een prijzenoorlog willen starten.


Dat zou niet meer mogelijk moeten zijn eind 2019!

De traditionele autobouwers produceren wel electrische auto's, maar eerder omdat het moet van Europa, niet om ze ook effektief te verkopen. Het onderzoek wordt uitbesteed, zodat men nog meer tijd verliest en er geen optimalisatie kan gebeuren (de warmte van de motor die bijvoorbeeld gebruikt wordt om de batterijen op te warmen bij de eerste Tesla's met inductiemotor).

De autobouwers assembleren voertuigen die van verschillende fabrieken komen. Het dashboard van fabriek A, de motor van fabriek B, de zetels van fabriek C, enz. Enkel de motor en de overbrenging wordt nog in huis gemaakt, alle andere delen worden door fabrieken gemaakt die aan alle fabrikanten leveren. Daardoor duurt de ontwikkeling van een nieuw model ook zo lang: alle fabrieken moeten op elkaar afgestemd worden.

Om op te brengen moet de research naar een motor met een lagere uitstoot over honderdduizend voertuigen verdeeld kunnen worden. Dat is terloops ook de reden waarom electrische auto's zo duur zijn: de technologie evolueert op dit ogenblik zo snel dat het onderzoek naar een betere motortype niet teruggewonnen kan worden met de huidige marges.

Tesla is van nul begonnen en heeft geen ballast moeten meesleuren. Bij een traditionele autobouwer heb je een afdeling "motor", een afdeling "carosserie", een afdeling "electriciteit", enz. Bij Tesla gebeurt al het onderzoek in huis zonder dat er scheidingswanden zijn tussen de verschillende afdelingen. Zo is het mogelijk verbeteringen aan te brengen door het produkt "automobiel" in zijn geheel te behandelen.

Tesla heeft virtueel 10 jaar voorsprong op de concurrentie. Ik heb het over een virtuele voorsprong, want de technieken kunnen in een jaar overgenomen worden. Maar is er ook een wil om te evolueren? De automobielbranche is een oude tak van de industrie met regelmatige inkomsten. Willen de grote merken echt iets nieuws lanceren? Het beste voorbeeld is Toyota met zijn hybride wagens: het blijven auto's met een verbrandingsmotor, men kan hoogstens een paar kilometer electrisch rijden.

In Europa is de markt van de zuivere electrische auto nog heel beperkt, maar is de laatste jaren sterk aan het groeien. En die groei gebeurt ten koste van de traditionele auto met verbrandingsmotor. Er zijn merken die de brui zien hangen (zoals Volkswagen die ferm aan het investeren is in electrische auto's) en andere merken die de "uitstootrechten" van Tesla opkopen. Ik kan het je vertellen: binnen 10 jaar zal de Fiatgroep niet meer bestaan.

Maar er is één element die roet in het eten kan gooien. Terwijl je gewoon overal benzine kan tanken met je bankkaart, heb je een laadpas nodig om electrisch te tanken. Wat een rare situatie is dat? Dat zal in ieder geval niet de doorbraak van de electrische auto's bevorderen.

De mensen zijn bang dat de autonomie van hun voertuig onvoldoende is, en dit systeem zal die vrees niet weghalen. Je batterij is bijna leeg, je komt aan bij een vrij laadstation en bingo! je hebt de verkeerde laadpas en je kan niet verder. In het algemeen heb je drie verschillende laadpassen nodig om met een gerust hart door de Benelux te toeren.

Het laden thuis kost je ongeveer 0.2€ per kW, bij een laadpunt tot driemaal meer (maar je kan wel aan een hogere snelheid laden). Vooral de laadpalen bij tanksstations langs de autosnelweg zijn bijzonder duur (en hier geldt geen maximumprijs, een uitbater kan in theorie om het even hoeveel vragen. Vaak betaal je een prijs per kW + een laadstartbijdrage en soms nog een extra bedrag per kwartier. Ik ken geen tankstations (zelfs niet langs de autosnelweg) die een extra bijdrage vragen om het pistool te mogen gebruiken. Bij bepaalde kaartverdelers moet je vooraf een bedrag op je kaart storten vooraleer je kan tanken.

Een standaard electrische auto verbruikt 15kW per 100km (90km/u), wat de kostprijs op 3€ per 100km brengt bij thuislading. Laden met een stopkontact is traag, je haalt ongeveer een bereik van 15km per uur laden.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-