Variabele transmissie maakt elektrische auto’s beter
De ene versnelling die veel elektrische auto’s hebben, stelt beperkingen aan het ontwerp en gebruik. Aan de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelde Caiyang Wei, samen met ingenieurs van Bosch, een methode om de aandrijflijn van toekomstige elektrische auto's met een continue variabele transmissie (CVT) te optimaliseren. Zo'n CVT kan elektrische auto's zuiniger maken en de rijprestaties verbeteren.
De meeste elektrische auto’s die nu op de markt zijn, hebben maar één versnelling. Ze hebben een vaste transmissie die het vermogen van de elektromotor op de wielen overbrengt.
Sterke punt is dat dit een eenvoudig ontwerp is. Het nadeel is dat het ook een compromis is. Bij lage snelheden moet het voertuig vlot kunnen optrekken, en zeker op een helling is daarvoor een groot koppel (twee krachten die samen iets laten ronddraaien) nodig. Dat leidt tot een groter en zwaarder ontwerp van de elektromotor, wat ten koste gaat van de rijprestaties.
Ook gebruikt een forsere elektromotor natuurlijk meer elektriciteit dan een kleine. Dit vertaalt zich in een kleinere actieradius van de wagen ofwel een groter accupakket om dit probleem op te lossen. Maar daar wordt de auto onder aan de streep duurder van.
Variabele transmissie
De oplossing hiervoor is een variabele transmissie, zo laat Wei in zijn promotieonderzoek zien, een overbrenging die zich aanpast naar gelang de auto vanuit stilstand moet optrekken, een helling oprijdt of enkel op een bepaalde constante snelheid rijdt. ‘De variabele transmissie past zich aan om op elk moment het ideale koppel te leveren aan de wielen’, zegt Theo Hofman, universitair hoofddocent aan de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU Eindhoven, en promotor van Wei.
DAF'je
Het idee van een variabele overbrenging (transmissie) is allerminst nieuw. Het is in Nederland vooral bekend uit de DAF’jes, die in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw heel populair waren. Daarvoor hadden de gebroeders Van Doorne een systeem bedacht – continu variabele transmissie (CVT), oftewel het 'pientere pookje' – dat werkt met twee pulleys (conische katrollen van metaal), waar een duwband omheen loopt, eerst van rubber, veel later van metalen schakeltjes.
‘Die pulleys hebben een soort kegelvorm, een variabele diameter. Dus door ze in axiale richting wat te verplaatsen, is te regelen dat de duwband over een andere diameter loopt. Zo is de overbrenging te variëren’, legt Hofman uit.
Azië
Zo’n CVT zit tegenwoordig in behoorlijk wat gewone (niet-elektrische) auto’s, met name in Azië. De variabele transmissie maakt het mogelijk om het toerental (omwentelingen per minuut) en het koppel van de motor van de auto automatisch en traploos aan te passen aan de snelheid. Zo wordt steeds een optimaal evenwicht gezocht tussen efficiëntie en prestaties.
Model
Van Doorne’s Transmissie in Tilburg werd in 2009 overgenomen door het Duitse bedrijf Bosch, en dat is precies het bedrijf waarmee Wei nu samenwerkte. Met data van Bosch heeft Wei de prestaties van verschillende componenten van de aandrijflijn gemodelleerd.
Met dat model sloeg hij aan het rekenen om te kijken wat een CVT voor een elektrische auto aan winst kon opleveren. Belangrijkste conclusie is dus dat de auto met een kleinere elektromotor toe kan. Het accupakket kan dan ook kleiner en de auto wordt voor de eigenaar goedkoper in gebruik. Het gaat hier om enkele procenten. 'Dat lijkt misschien weinig, maar enkele procenten besparen op de aandrijflijn is voor een autobouwer pure winst', zegt Hofman.
Om te laten zien dat het principe (een CVT in een elektrische auto) kan werken, bouwde Bosch Transmission Technology een elektrische Volkswagen Golf met een continu variabele transmissie erin (zie foto boven dit artikel).
Grotere actieradius
Een andere manier om de CVT te benutten, is dat je hetzelfde batterijpakket in een elektrische auto houdt, waarbij de CVT dan zorgt voor een grotere actieradius van die auto (die immers zuiniger rijdt), een belangrijk verkoopargument bij elektrische auto’s.
Ook deed Wei in zijn promotieonderzoek een analyse van de warmtehuishouding in de elektrische testauto. Warmteontwikkeling is een nogal belangrijk onderwerp bij elektromotoren, zegt Hofman. ‘Als je “gas geeft” (van gas of benzine is uiteraard geen sprake, maar het gaspedaal vraagt om een acceleratie van de auto, red.) dan gaat er een flinke stroom door de spoelen van de elektromotor. Dat gaat goed, totdat die te heet worden en dan kun je even geen “gas” meer bij geven; de eerste Tesla’s hadden hier last van. CVT geeft – ook hier – de flexibiliteit om te zorgen dat de elektromotor minder heet wordt.’
Aandrijflijn van Bosch
Bosch introduceert een compact CVT-ontwerp voor elektrische voertuigen: CVT4EV (continuous variable transmission for electric vehicle). Dat is nog geen commercieel verkrijgbaar product, maar het bedrijf overweegt de optimaliseringsmethode die Wei heeft bedacht, te gaan gebruiken om het ontwerp van toekomstige CVT-systemen voor elektrische voertuigen verder te verbeteren.
‘Er gebeurt veel in de automobielsector rond elektrische voertuigen. In het begin waren bijna alle elektrische auto’s aangedreven door single-transmission, maar nu zien we steeds meer varianten verschijnen met ook meer versnellingen’, zegt Hofman. ‘Het belangrijkste is dat die bedrijven elektromotor en transmissie samen optimaliseren. Het is echt één systeem.’
Beeldmateriaal Bosch
