Her testes en totrinns el-drivlinje skal gi elbiler med bedre rekkevidde

[Redaksjonen.]

Her testes en totrinns el-drivlinje skal gi elbiler med bedre rekkevidde

[Ketill Jacobsen]

Artikkelen etterlater flere spørsmål enn den gir svar på. Hvor mye mindre forbruk vil en slik løsning gi i snitt? Hvor mye vil den koste ekstra (i forhold til dagens ett gir? Hvor mye ekstra vekt? Hvordan skjer girskifte, automatisk eller manuelt, med en knapp? Hva med levetiden (Tesla hadde store problemer med sine togirs Roadstere)?

 

Mange fine artikler i TU, men typisk så utelates det vi er mest interessert, slikt som økonomi!

[oophus]

Meh, 1 gir holder, og er mer driftsikkert. Om man slenger på mer, så koster det mer på sikt med verksteds-kostnader. 

[NorsknRev]

Girkasse høres ut som fin idé, fossilbiler har hatt det i alle år. Det reduserer motorslitasje og gir deg høyt tilgjengelig dreimoment i alle situasjoner. 

[1P4XZQB7]

Nei, bare nei. Er godt fornøyd med 140km/t som toppfart. Ingen flere servickrevende (vekslende) girkasser med tilhørende koblinger, takk. 

 

Som nevnt her på forumet så mange ganger før (selv om det begynner bli en stund siden sist) – effekt [kW] er og blir dreiemoment [Nm] ganger turtall [Hz eller RPM.]

 

Disse tre målene lever følgelig ikke hver for seg, de er avhengig av hverandre. Det interessante tallet for dette drivverket fra GKN er derfor 120kW, ikke hvor mange fantazillioner Newtonmeter dreiemoment der er på utgangen av reduksjonsgiret. 

 

Det er effekten ene og alene som gjør arbeidet, ikke dreiemomentet. Selv om det fortsatt er [overskudd på] dreiemoment som gir opphav til akselerasjon. Sistnevnte er ikke annet som en omskrevet versjon av Newtons andre lov, der kraft (~dreiemoment) er lik masse ganger akselerasjon. Derifra kan vi regne ut nødvendig effekt.

 

For en gitt hastighet går der uansett med en viss effekt – og dermed dreiemoment – bare til å overvinne tapet og opprettholde hastigheten. Dette er arbeid som utføres, i kW, og med det tilhørende dreiemoment, i Nm, sin rolle i dette. Legges mer dreiemoment i potten som dette, ja så akselererer kjøretøyet. Men overskytende dreiemoment utfører i seg selv intet arbeid før hastigheten faktisk øker.  Der dette arbeidet er gitt som økning i kjøretøyets kinetiske energi, per tidsenhet.

 

Igjen – for nye lesere – så er dreiemomentet invers proporsjonalt med turtallet, for en gitt konstant effekt (flat effektkurve.) Som igjen betyr at dreiemomentet må øke dramatisk med synkende turtall, for å kunne opprettholde samme effekt.

 

Nettopp dette leverer fremdriftsmotorer i elbil. Dvs, på et eller annet lavt turtall møter også disse motorene veggen, der strømbegrensningen slår inn og dreiemomentet med det slutter øke. I stedet forblir dreiemomentet konstant videre ned til null turtall. Ved null turtall er da også effekten ut på akslingen null, selv om dreiemomentet er konstant. (Nei, dette bryter ikke kravet om energikonservering – kravet etterleves.) 

 

 

Denne oppførselen kan ikke forbrenningsmotorer skilte med – de fungerer ikke engang nede på null turtall. Faktisk oppviser gjerne forbrenningsmotorer synkende dreiemoment med synkende turtall – det motsatte av hva man ønsker seg. Forbrenningsmotorer er følgelig avhengig av vekslende girkasse. For elektromotorer er derimot vekslende girkasse bare en pest og en plage. 

 

 

En girkasse preserverer alltid momentbalansen – dreiemoment ganger turtall inn er lik dreiemoment ganger turtall ut.

 

Når så også effekt er lik dreiemoment ganger turtall, så kan vi ikke overraskede direkte avlede at en girkasse samtidig preserverer effektbalansen – effekt inn er lik effekt ut. En optimal girkasse vil derfor til enhver tid omsette gjeldende omdreiningshastighet på hjulene til nettopp det ene turtallet på motoren der motoren yter sin største effekt. Noe som for så vidt bare kan oppnås med kontinuerlig variabelt utvekslingsforhold, og dertil med 'uendelig' dynamisk område. 

 

Men når dreiemoment ganger turtall (og dermed effekten) mye godt er konstant for elektromotoren, over et vidt turtallsområde, ja så ser vi at girkasse ikke hjelper. Man oppnår bare bytte dreiemoment for turtall (på elektromotor,) men ender opp med nøyaktig samme dreiemoment (og effekt) ut på hulene. MED UNNTAK av det nederste turtallområdet, der elektromotoren er strømbegrenset og følgelig i stedet oppviser konstant dreiemoment mot turtall. Innenfor akkurat dette turtallsområdet hjelper en girkasse. Og dette er da også grunnen til at elbiler som regel har et fast reduksjonsgir.

 

Merk at jeg ikke har kommentert muligheten for at elektromotoren er mer effektiv (kW ut på akslingen vs. kW inn fra batteriet) på noen turtall som andre. Dette kan girkasser potensielt hjelpe på, men typisk ikke mye. 

 

 

Understående er i denne sammenheng bare en litt interessant kurve over beregnet effektbehov for å akselerere en (elektrisk) motorsykkel:

 

Endret 23. mars 2019 av 1P4XZQB7

[Ketill Jacobsen]

Nei, bare nei. Er godt fornøyd med 140km/t som toppfart - ingen flere servickrevende (vekslende) girkasser med tilhørende koblinger, takk. 

....

Fin gjennomgang Jeg ville understreket at effektiviteten på elmotoren (virkningsgraden) ligger på ca 95% fra null omdreininger og opp til maks, fra null last til full last på hvert turrtall (altså også like effektiv under akselrasjon). Bensinmotorer er svært forskjellig fra elmotororer. I utgangspunktet burde dreimomentkurven være horisontal for en bensinmotor (mest mulig horisontal kurve for en bensinsugemotor er et tegn på kvalitet). Se figur med effekt og dreiemoment (torque). I tillegg synker virkningsgraden kraftig med lavere last. En bensinmotor er mest effektiv ved midlere turtall (maks moment) og full last. Dieselmotorer har liknende karakteristikk (spinngal momentkurve a la sveitsiske alper).

Endret 7. mars 2019 av Hårek
Fjernet stooort sitat

[J-Å]

En god beskrivelse av 1P4XZQB7. Det jeg kan tilføye er at raske elbiler allerede har hjulmoment opp mot "adhesive limit", altså at de er på grensen til å spinne på alle hjul. Da hjelper det ikke å gire ned for å øke dreiemomentet på hjulene mer ved lave hastigheter. Men et "overdrive" gir for behagelig og energieffektiv cruising kan være relevant.

 

For forbrenningsmotoren er situasjonen noe bedre enn det kurvene til 1P4XZQB7 beskriver. Årsaken er at det fra stående start er mulig ved å slure på clutchen, eller ved å benytte en hydraulisk momentomformer, å holde motoren på turtallet for maks dreiemoment, inntil en når den hastigheten som tilsvarer det turtallet på 1. gir.

Endret 7. mars 2019 av J-Å

[bojangles]

Girkasse høres ut som fin idé, fossilbiler har hatt det i alle år. Det reduserer motorslitasje og gir deg høyt tilgjengelig dreimoment i alle situasjoner.

Ja gjør det nå egentlig det? Det er jo en grunn til fossilbiler har girkasser. Det er på grunn av dreiemoment/effekt kurven. Lite moment på lavt turtall og maks dreiemoment kommer før maks effekt i turtallsregisteret. Da trenger man girkasser. Men selv med over 100 år med girkasser så er jo girkaser notorisk kompliserte å få til å holde i hele bilens levetid. Og problemet øker i takt med effekt og dreiemoment. Feks sterke dieselmotorer med masse moment og høy max effekt knekker raskt girkasser om de brukes hardt.

 

En elmotor har jo i utgangspunktet en veldig brei moment/effekt kurve. Og siden moment kommer umiddelbart så kan motorene dreves slik gjennom diff at de stort sett jobber aller mest i de turtallsområdene motoren trives best i. Og akkurat det kan jo variere fra type elmotor. Tesla viste jo verden at vi klarer oss uten girkasser i el-biler. Skal man nå vurdere en totrinnskasse så bør fordele være svært store før de overskygger evt. problemer med levetid på kasse, samt økt servicebehov, oljeskift på kasse etc. For oss nordmenn er nok gjerne fordelen med 2 motorer på hver sin aksel uten girboks det som gir mest verdi. Vi får sårt tiltrengt 4wd, torque vectoring og slipper girbokser.

Artikkelen er jo også helt fraværende med noe data av betydning. Hvor mye øker kjørelengden? Hvor mye øker kostnadene? Hva med levetid? Servicebehov? Oljeskift intervaller?

 

Enn så lenge så tenker jeg vi klarer oss uten girbokser i elbiler. En kan dreve om etter behov etter motor og før drivhjul og den måten er billig, driftssikker(!) og ikke særlig kompleks.

 

Når det kommer til toppfart så er det jo slik at jo mer farten øker i en elbil jo mer spiser det av batteriet å opprettholde farten. Slik feks Tesla har løst dette med noe begrenset toppfart og mer akselerasjon er jo et fantastisk gøyalt kompromiss. Nord om 130 ish km/t så stuper rekkevidden kraftig på elbiler per kjørte mil kontra om du kjørte i 120 ish.

Endret 7. mars 2019 av bojangles

[NorsknRev]

Alle glemmer én sak: bilbransjens evige jag etter å pushe teknologi vi ikke har bruk for, og som må vedlikeholdes. Det foreløpige høydepunktet er et elektrisk drevet svinghjul. det

[SpecialWeirdo101]

Foreløpig er den enkleste måten å øke rekkevidden på elbil å bruke stort batteri og liten motor.

Det er sikkert noen her som kan regne ut rekkevidden på for eksempel leaf eller zoe hvis vi putter in det største tesla batteriet ?

[Ketill Jacobsen]

Foreløpig er den enkleste måten å øke rekkevidden på elbil å bruke stort batteri og liten motor.

Det er sikkert noen her som kan regne ut rekkevidden på for eksempel leaf eller zoe hvis vi putter in det største tesla batteriet ?

 

Liten motor betyr omtrent ingenting. Se det som er skrevet tidligere!

[1P4XZQB7]

Jeg ville understreket at effektiviteten på elmotoren (virkningsgraden) ligger på ca 95% fra null omdreininger og opp til maks, fra null last til full last på hvert turtall (altså også like effektiv under akselrasjon). Bensinmotorer er svært forskjellig fra elmotorer. 

 

Beklager, men dette er bare ikke korrekt.

 

I ytterste konsekvens kan man legge inn fullt pådrag ved null turtall i en elbil. Motorstyringen vil som allerede nevnt gå i strømbegrensning samtidig som maksimalt dreiemoment produseres. Men så lenge motoren har null turtall, så produserer den per definisjon heller ingen effekt/arbeide på akslingen (bare dreiemoment.)

 

All strømmen som mater motoren går følgelig rett i varmetap. Effektiviteten er da (også per definisjon) lik null. Merk at det er mulig å ha dreiemoment uten tap - tenk forspent brekkjern. Eller to permanentmagneter. Men en elektromotor kan ikke produsere dreiemoment uten strøm.

 

"Efficiency map of Prius 2010 machine, dc-link voltage = 650 V, maximum current density = 26.8 Arms/mm^2"

 

I utgangspunktet burde dreiemomentkurven være horisontal for en bensinmotor (mest mulig horisontal kurve for en bensinsugemotor er et tegn på kvalitet). Dieselmotorer har liknende karakteristikk (spinngal momentkurve a la sveitsiske alper).

 

Hva som faktisk er optimal kurveform er åpen for debatt. Selv anser jeg elektromotorens kurve der dreiemomentet er omvendt proporsjonalt med turtallet som optimalt, da det resulterer i flat (konstant, horisontal) effektkurve. 

 

Akkurat dette emulerer i begrenset grad (suge-)dieselmotorer, da dreiemomentet til disse tradisjonelt når topp på et lavt turtall, for så falle nær omvendt proporsjonalt med økende turtall. Dette lar dieselmotoren oppnå nær flat effektkurve over et videre turtallsområde. (Men ikke i nærheten av så vidt som elektromotorens - elektromotorer begynner på null og gir seg ikke før opp under 20.000 RPM.) En egenskap som igjen gir opphav til dieselens rykte for å være seig - den leverer samme effekt noenlunde uavhengig av turtall. Dette varierer selvsagt mye fra motor til motor. 

 

 

"The power (blue line) and torque (red line) curves of the diesel engine."

 

Til gjengjeld har diesel et høyere effektivt roterende treghetsmoment som bensinmotorer, noe som hindrer den fra å spinne opp turtallet like fort. Men kongen på den haugen er uten tvil igjen elektromotoren. 

Endret 7. mars 2019 av 1P4XZQB7

[J-Å]

Hva som faktisk er optimal kurveform er åpen for debatt. Selv anser jeg elektromotorens kurve der dreiemomentet er omvendt proporsjonalt med turtallet som optimalt, da det resulterer i flat (konstant, horisontal) effektkurve.

PÅ lave turtall representerer en elektromotor en veldig lav impedans, så typisk vil enten batteriet eller vekselretteren sette en grense for strømmen, og dermed for momentet. Og det er greit nok, for en optimal dreiemomentkurve for akselerasjon er vel helt flat fra 0 til toppfart, og ligger på det momentet som såvidt gir hjulspinn under best tenkelige forhold.

 

Merk forøvrig at Tesla kuttet ut girkasse for lenge siden. De raskeste bilene deres har akselerasjon opp mot 1g, og klarer 250 km/t uten girkasse. Det holder vel for de fleste.

 

 

2. Transmission

The first version of the Tesla Roadster featured a two-speed transmission, the first gear for quick starts (0 to 60 miles per hour in under four seconds) and the second gear for top speeds (over 120 miles per hour). But problems with that transmission delayed production. Thanks to a redesigned motor and higher-performance transistors that deliver more power, it has been replaced by a single-speed transmission.

Endret 7. mars 2019 av J-Å

[Simen1]

 

"Efficiency map of Prius 2010 machine, dc-link voltage = 650 V, maximum current density = 26.8 Arms/mm^2"

Interessant kurve. Det ser ut til at virknignsgraden er høyest nettopp når man trenger den mest, ved normal motorveihastighet og middels pådrag. Hvis man absolutt skal øke rekkevidden ved lave hastigheter så ser vi at det ikke er noe kjempepotensial å hente ut. Men man kan kanskje forvente 10-20% økt rekkevidde i beste fall?

 

Noen elbiler har to motorer. Hvis disse gires ulikt så kan man balansere pådraget mellom de to motorene for å maksimere virkningsgraden. Ved fult pådrag brukes begge motorene. Jeg har en magefølelse for at det er nettopp noe slikt Tesla skal gjøre med Roadster 2020 (3 motorer) og Semi (4 motorer?).

[Jens Kr. Kirkebø]

Som regel er det batteriet som begrenser akselerasjon og dreiemoment, ikke motoren. Når en Tesla klarer 0-100 på godt under 3 sekunder uten girkasse ser jeg ikke helt behovet

 

Ang. rekkevidde så blir den nok betydelig bedre ved å bruke de pengene girkassen koster på litt større batteri isteden

[avo]

Dette er nok spennende teknologi for bilbransjen.

De trenger sårt å innføre en del flere komponenter med service og vedlikeholdsbehov, så de har noe å leve av.

 

Hva gjelder effektivitetskurver etc - En Prius er vel ikke helt det rette å se på - kan ikke noen skremme opp slike data for en Teslamotor?

[1P4XZQB7]

Hva gjelder effektivitetskurver etc - En Prius er vel ikke helt det rette å se på - kan ikke noen skremme opp slike data for en Teslamotor?

Du skal ikke kimse av Prius sin(e) elektromotor(er.) Det har gått med mange års (amerikansk) forskning og utvikling på å ta fram en slik hybrid reluktansmotor med innbakte permanentmagneter. Motortypen er notorisk vanskelig å regulere (motorstyring.).

 

Retorisk spørsmål - hvilken motor tror du sto modell for Tesla sin nye, høyeffektive hybridmotor i Modell 3?

[Ketill Jacobsen]

 

Jeg ville understreket at effektiviteten på elmotoren (virkningsgraden) ligger på ca 95% fra null omdreininger og opp til maks, fra null last til full last på hvert turtall (altså også like effektiv under akselrasjon). Bensinmotorer er svært forskjellig fra elmotorer. 

 

Beklager, men dette er bare ikke korrekt.

 

I ytterste konsekvens kan man legge inn fullt pådrag ved null turtall i en elbil. Motorstyringen vil som allerede nevnt gå i strømbegrensning samtidig som maksimalt dreiemoment produseres. Men så lenge motoren har null turtall, så produserer den per definisjon heller ingen effekt/arbeide på akslingen (bare dreiemoment.)

 

All strømmen som mater motoren går følgelig rett i varmetap. Effektiviteten er da (også per definisjon) lik null. Merk at det er mulig å ha dreiemoment uten tap - tenk forspent brekkjern. Eller to permanentmagneter. Men en elektromotor kan ikke produsere dreiemoment uten strøm.

 

"Efficiency map of Prius 2010 machine, dc-link voltage = 650 V, maximum current density = 26.8 Arms/mm^2"

 

I utgangspunktet burde dreiemomentkurven være horisontal for en bensinmotor (mest mulig horisontal kurve for en bensinsugemotor er et tegn på kvalitet). Dieselmotorer har liknende karakteristikk (spinngal momentkurve a la sveitsiske alper).

 

Hva som faktisk er optimal kurveform er åpen for debatt. Selv anser jeg elektromotorens kurve der dreiemomentet er omvendt proporsjonalt med turtallet som optimalt, da det resulterer i flat (konstant, horisontal) effektkurve. 

 

Akkurat dette emulerer i begrenset grad (suge-)dieselmotorer, da dreiemomentet til disse tradisjonelt når topp på et lavt turtall, for så falle nær omvendt proporsjonalt med økende turtall. Dette lar dieselmotoren oppnå nær flat effektkurve over et videre turtallsområde. (Men ikke i nærheten av så vidt som elektromotorens - elektromotorer begynner på null og gir seg ikke før opp under 20.000 RPM.) En egenskap som igjen gir opphav til dieselens rykte for å være seig - den leverer samme effekt noenlunde uavhengig av turtall. Dette varierer selvsagt mye fra motor til motor. 

 

 

"The power (blue line) and torque (red line) curves of the diesel engine."

 

Til gjengjeld har diesel et høyere effektivt roterende treghetsmoment som bensinmotorer, noe som hindrer den fra å spinne opp turtallet like fort. Men kongen på den haugen er uten tvil igjen elektromotoren. 

Her er du som er litt på viddene! Din figur for Prius-motoren viser at virkningsgraden er 80% fra ca 3,6% av maksturtall til maks 96%. Jeg tok utgangspunkt i både turtall og ytelse og da må en se på arealet av figuren. Da ser en at virkningsgraden har et snitt på ca 94%.

 

Motoren operer kun innen det fargede området. Ved 200 o/min er maksmoment ca 50 NM. Effekten er da 1,1 kW. Virkningsgraden er her ca 70% og tapet her blir herved 0,33 kW (som blir til varme). Maks tap har en der dreiemomentet er maks og begynner å synke. Tapet er ca 81 kW (motorens makseffekt) x (100%-88,3%) = 9,5 kW (ved maks akselerasjon ved ca 33 km/t, eller opp en bratt bakke). Tap er altså maksimalt i området 0 til 9,5 kW. Det virker som at 1P4XZQB7 tror at tap er proporsjonalt med momentet!

 

Om en plasserer en varmeovn på 10 kW midt i Priusmotoren og kjører i bratt bakke i en time ved 33 km/t, skjønner en at motoren sliter (smelter). Dette kan skje ved en ekstremt lang og bratt bakke, eller med et tungt slep! Kjøleanlegg for bensin og dieselmotorer klarer å kvitte seg med mange ganger så mye effekt kontinuerlig.

 

Den viste effekt/dreiemomentkurven er for en tyngre lastebil. Der vektlegges en flatest mulig dreiemomentkurve for å gjøre motoren mest mulig fleksibel. Forløpet for en personbilmotor er typisk annerledes med bratt kurve opp og deretter fortsetter den ganske bratt ned igjen (som et alpefjell). Kurvens forløp kan til en viss grad styres av turboens(enes) karakteristikk. En bensinmotor med turbo har i motsetning til dieselen et nært flatt forløp fra 2000 til 4000 o/min (typisk).

[SpecialWeirdo101]

 

Foreløpig er den enkleste måten å øke rekkevidden på elbil å bruke stort batteri og liten motor.

Det er sikkert noen her som kan regne ut rekkevidden på for eksempel leaf eller zoe hvis vi putter in det største tesla batteriet ?

 

Liten motor betyr omtrent ingenting. Se det som er skrevet tidligere!

Beklager hvis jeg var "utydelig", jeg er ikke ingeniør, bare pensjonert mekaniker ?

Jeg mente selvfølgelig "motor med lav effekt og ett batteri med høy effekt".

Nå vil sikkert noen protestere igjen, men etter alt jeg har lært så er det vel slik?

Ta et eksempel, du er ute å går tur, på natta, med lommelykt.

Lommelykta har en pære som bruker 100 watt og batteriet blir tomt før du kommer halvveis.

Kvelden etter er du ute å går igjen, med samme lommelykt men med en pære som bruker bare 10 watt. Du har fremdeles lys nok til å gå hjem, og batteriet holder lenger ..

Eller er dette feil??

Hvis dette er feil så kunne jo alle elbiler ha 500 kw motor?

 

Beklager hvis jeg stiller dumme spørsmål...

[1P4XZQB7]

Din figur for Prius-motoren viser at virkningsgraden er 80% fra ca 3,6% av maksturtall til maks 96%. Jeg tok utgangspunkt i både turtall og ytelse og da må en se på arealet av figuren. Da ser en at virkningsgraden har et snitt på ca 94%.

Noenlunde korrekt, om enn med en vel optimistisk midling. Resultatet er i alle tilfelle på ingen måte ≥95% effektivitet over absolutt hele området, slik du hevdet. Og Priusmotoren er på sin side en meget effektiv topologi fremdriftmotor.

 

Motoren operer kun innen det fargede området. Ved 200 o/min er maksmoment ca 50 NM.

 

Nei, det er innenfor det farvede området testlaboratoriet har vært i stand til å fremskaffe tilstrekkelig korrekte målinger til komfortabelt kunne presentere dem i sin rapport. Priusmotoren yter som de fleste andre fremdriftsmotorer mer eller mindre konstant dreiemoment under strømbegrensning, helt ned til null turtall. I dette tilfelle fortsetter dreiemomentet på ~230Nm helt ned til null turtall.

 

Ved lave turtall gir bare ikke standard dynamometer måleresultat man kan sette lit til. Da trengs i stedet langt mer kompliserte testbenker, i ytterste konsekvens en variant av kalorimeter.

 

 

Effekten er da 1,1 kW. Virkningsgraden er her ca 70% og tapet her blir herved 0,33 kW (som blir til varme).

 

Jeg viste til faktisk innrapportert effektivitet for Priusmotoren over hele det meste av arbeidsområdet, i kurve form. Der store deler av arbeidsområdet er markert med godt under din fremstilling av universiell effektivitet på mer som 95%.

 

I tillegg presenterte jeg et anekdotisk bevis for at effektiviteten ved fullt pådrag (faktisk ved ethvert pådrag større som null) ved null turtall definisjonsmessig må være null.

 

Dette er ren fysikk og gjelder alle fremdriftsmotorer. Igjen, anekdoten gjelder ved null turtall og bare der.

Endret 10. mars 2019 av 1P4XZQB7