Elektrische versnellingen om de prestaties van toekomstige EV's te verhogen
De huidige elektrische voertuigen maken bijna uitsluitend gebruik van permanente magneetmotoren, omdat deze een hoge vermogensdichtheid en een uitstekend rendement hebben. Een nadeel van hun permanente magneten is echter dat hun magnetische flux niet kan worden aangepast. Met zo'n vaste magnetische flux is het koppel van de motor ongeveer evenredig met de stroom, terwijl de motorspanning evenredig is met de snelheid. Dit artikel bespreekt hoe we in ons onderzoek naar modulaire aandrijflijnen een standaard elektrische motoraandrijving omvormen tot een elektrische versnelling.
Lage snelheid, hoog koppel
Bij lage snelheden is er geen probleem: de geïnduceerde spanning in de motorwikkeling is veel lager dan de spanning die de tractieomvormer kan leveren op basis van zijn accuspanning. De rest van de geleverde spanning kan worden gebruikt om de gewenste stromen in de motorwikkeling te krijgen en zo een voldoende hoog koppel te bereiken. Zo'n werkpunt met lage snelheid en hoog koppel is typisch voor een acceleratie vanuit stilstand.
Hoog toerental, laag koppel
Bij een bepaalde snelheid wordt de geïnduceerde spanning in de motorwikkeling gelijk aan de maximale spanning die de tractieomvormer kan leveren. Dit stelt een limiet aan de maximumsnelheid. Om snelheden boven deze limiet te bereiken, moet het magnetische veld in de motor worden verkleind. Dit kan worden gedaan door zogenaamde veldverzwakking: de motorstromen kunnen een tegengesteld veld creëren dat het veld van de permanente magneten gedeeltelijk compenseert. De snelheid kan dan verder worden verhoogd, maar ten koste van een aanzienlijk lager haalbaar koppel: de stroom die wordt gebruikt voor veldverzwakking kan niet meer worden gebruikt voor koppelproductie. Dit werkgebied komt echter meestal overeen met rijden met een bijna constante snelheid op de snelweg, dus de sterke vermindering van het beschikbare motorkoppel is geen probleem.
Wat veldverzwakking wel ongewenst maakt, is dat de transistors in de frequentieregelaar aanzienlijk groter moeten zijn om de veldverzwakkingsstromen te geleiden. De extra stromen in de motorwikkeling leiden ook tot extra verliezen, waardoor het rijbereik van het voertuig afneemt. Deze twee beperkingen worden aangepakt door de elektrische versnelling die we in een ander SBO-onderzoeksproject hebben bestudeerd.
Dynamische herconfiguratie van de motorwikkeling
De enige vereiste om een elektrische versnelling te maken van een standaard elektromotoraandrijving, is dat de fasewikkelingen van de elektromotor moeten worden verdeeld in meerdere identieke delen. Behalve dit hoeven er geen aanpassingen aan de elektromotoraandrijving te worden gedaan. Met andere woorden, de specificaties zoals maximum koppel en nominaal vermogen van de motor veranderen niet.
Hoe werkt een elektrische versnelling? Bij lage snelheid zijn er geen problemen. Net als bij de originele motor kunnen de afzonderlijke delen van de motorwikkeling in serie worden geschakeld. De spanning van de omvormer is voldoende hoog in vergelijking met de geïnduceerde spanning, zodat een voldoende hoge stroom in de motorwikkelingen kan worden gerealiseerd. Deze elektrische stroom stroomt door alle wikkelingen, zodat het maximale motorkoppel wordt geleverd.
Bij hoge snelheid overschrijdt de geïnduceerde spanning in de in serie geschakelde wikkelingen echter de spanning van de regelaar. Door de motorwikkelingen parallel te schakelen, kan de geïnduceerde spanning van de fasewikkeling worden verlaagd. Daardoor kunnen we het snelheidsbereik vergroten. Maar omdat de stroom van de omvormer nu over parallelle takken wordt verdeeld, neemt het maximaal leverbare koppel van de motor af. Zoals eerder vermeld, is dit echter geen probleem voor een elektrische voertuigtoepassing.
Verder onderzoek
In het Horizon Europe vervolgproject HighScape, waar onze consortiumpartner Bluways ook bij betrokken is, onderzoeken we momenteel hoe de elektrische aandrijving gecombineerd kan worden met een acculader aan boord. De herconfiguratieschakelaars, de motorwikkeling en de omvormer worden in beide functionaliteiten hergebruikt. Omdat de motorwikkeling wordt hergebruikt als filter in de on-board lader, is de grote uitdaging het verwijderen van het motorkoppel tijdens het laden.
