Over het ontwerpen van motoren voor elektrische Semi Trucks

Het ontwerpen van motoren voor elektrische semi-trucks is meer dan alleen het verwisselen van een dieselmotor voor een elektrische; het is een compleet nieuwe manier van denken over de kern van deze krachtige trucks. In dit artikel leid ik je door de belangrijke ontwerpkeuzes, de problemen waarmee we te maken hebben en de nieuwe oplossingen die leiden tot een groenere toekomst in de scheepvaart. We bekijken alles van koppelbehoeften tot goedkope productie, zodat u een compleet beeld krijgt van wat er nodig is om de volgende generatie commerciële voertuigen aan te drijven.

Hoe denk je anders over vermogen voor een zwaar voertuig?

Als we het hebben over vermogen in een standaard dieseltruck, richten we ons vaak op paardenkracht en het vermogen van de motor om zware ladingen over lange afstanden te trekken. Bij een elektrisch voertuig verandert het onderwerp echter. Het gaat niet alleen om ruw vermogen, maar ook om slimme vermogensafgifte. Een elektromotor levert onmiddellijk vermogen vanuit stilstand, wat een groot voordeel is voor een volgeladen semi-truck die snel in beweging moet komen. Deze onmiddellijke acceleratie verandert het rijgevoel en maakt hem efficiënter in stop-and-go verkeer. Het ontwerp van moderne elektrische aandrijflijnen zorgt voor een constant en gelijkmatig vermogen over een breed snelheidsbereik. Dit betekent dat het voertuig zelfs op steile hellingen de snelweg kan bereiken en daar kan blijven, iets wat moeilijk kan zijn voor een normale dieseltruck.

De nieuwe manier van denken over vermogen heeft ook betrekking op de manier waarop het hele voertuig is gebouwd. Zonder een grote dieselmotor is er meer open ruimte en een betere balans van het gewicht van het voertuig. Dit kan leiden tot betere rijeigenschappen en stabiliteit. Ook kan de krachtbron, het accupakket, in het chassis worden ingebouwd. Dit verlaagt het zwaartepunt van het voertuig en zorgt ervoor dat het minder snel omrolt. Het gesprek over vermogen in zware voertuigen gaat niet langer alleen over het vermogen van de motor in kW, maar over hoe de hele elektrische aandrijflijn samenwerkt om slimmer, sneller en efficiënter te presteren. Deze complete systeembenadering is wat de moderne elektrische truck echt anders maakt dan oudere trucks.

Wat is de beste aandrijflijnconfiguratie voor elektrische vrachtwagens?

Mijn ervaring is dat er geen standaardopstelling is voor de aandrijflijn van elke elektrische truck. De beste opzet hangt sterk af van waar de truck voor gebruikt gaat worden. De belangrijkste opstellingen die we vandaag de dag zien zijn de centrale directe aandrijving en de steeds vaker voorkomende assen met elektrische aandrijving, of e-assen. De centrale aandrijving wordt vaak gezien als een goedkopere manier om bestaande vrachtwagenplatformen elektrisch te maken. Bij deze opzet wordt de dieselmotor vervangen door een grote elektromotor die verbonden is met een transmissie en aandrijfas, net als bij een normaal voertuig. Hoewel deze methode de overstap naar elektrisch eenvoudiger kan maken, kan het zijn dat de ruimte- en energiebesparingen van een elektrische aandrijflijn niet volledig worden benut.

De e-as daarentegen is een meer alles-in-één oplossing. Hier bevinden de elektromotor, vermogenselektronica en soms zelfs een versnellingsbak zich allemaal direct op de as. Deze opstelling maakt een lange aandrijfas overbodig, wat het gewicht vermindert, het aandrijfsysteem korter maakt en de werking van het hele systeem verbetert. De bespaarde ruimte kan worden gebruikt voor meer accucapaciteit, wat het rijbereik zou kunnen vergroten. We zien ook steeds meer sets met twee motoren, die een betere vermogensafgifte en betere prestaties bij zware ladingen bieden. De keuze tussen deze opstellingen betekent een afweging maken tussen ontwikkelingskosten, hoe moeilijk het is om te bouwen en het gewenste prestatieniveau en de efficiëntie voor dat specifieke voertuig.

Kan een elektromotor echt het hoge koppel van een dieselmotor evenaren?

Dit is een vraag die ik vaak krijg en het antwoord is volmondig ja. In feite kan een elektromotor vaak beter koppel leveren dan een dieselmotor. Het belangrijkste verschil is hoe ze koppel creëren. Een dieselmotor moet een bepaald toerental (RPM) bereiken om het hoogste koppel te produceren. Een elektromotor levert echter meteen zijn maximumkoppel, vanuit stilstand. Dit onmiddellijke hoge koppel is een enorm voordeel voor zwaar gebruik. Stel je een volgeladen semi-truck voor op een steile helling; het geweldige vermogen om te starten en te besturen door maximale draaikracht op de wielen uit te oefenen vanuit stilstand is verbazingwekkend.

Om je een idee te geven van de cijfers: sommige moderne elektrische semi-trucks hebben een zeer hoog koppel dat hun dieselversies evenaart of zelfs overtreft. Opstellingen met twee motoren kunnen bijvoorbeeld een piekkoppel leveren van tienduizenden pound-feet. Dankzij dit hoge koppel kunnen elektrische trucks snel accelereren, zelfs als ze een volle lading vervoeren. De uitdaging voor ingenieurs is niet alleen het verkrijgen van een hoog koppel, maar ook het goed regelen ervan om ervoor te zorgen dat banden en andere onderdelen lang meegaan. Het ontwerp van de controller en het hele aandrijflijnmanagementsysteem is de sleutel tot het soepel en goed regelen van deze enorme hoeveelheid vermogen.

Hoe verbeteren we regeneratieve remsystemen voor zwaar gebruik?

Regeneratief remmen is een van de grootste voordelen van een elektrische aandrijflijn, vooral voor een zwaar voertuig. In een normale vrachtwagen wordt, wanneer de bestuurder op de rem trapt, de bewegende energie van het voertuig door de remmen omgezet in warmte en gaat in principe verloren. Bij regeneratief remmen werkt de elektromotor echter omgekeerd, als een generator. Dit proces vertraagt het voertuig en zet tegelijkertijd de bewegende energie terug om in elektrische energie, die vervolgens wordt opgeslagen in de batterij. Dit terugwinnen van energie kan de afstand die een elektrische vrachtwagen kan afleggen aanzienlijk vergroten. Sommige studies suggereren dat het ongeveer 20% meer bereik kan toevoegen voor een voertuig van 40 ton dat regionale leveringen doet.

Het verbeteren van regeneratief remmen in zware voertuigen vereist een slimme combinatie van de elektromotor, de controller en het reguliere frictieremsysteem. Het systeem moet de twee remtypes soepel combineren om de bestuurder een stabiele en betrouwbare remwerking te geven. Geavanceerde elektronische remsystemen controleren zaken als de snelheid van het voertuig en de stuurhoek om de remkracht slim te verdelen tussen de regeneratieve en mechanische systemen. Het doel is om de meeste energie terug te krijgen zonder de veiligheid of het rijgedrag van de auto in gevaar te brengen. Ook kan de bestuurder vaak zelf instellen hoe sterk de regeneratieve rem is, waardoor hij kan aanpassen hoe het remmen aanvoelt voor de specifieke rijsituatie en wat hij prettig vindt. Goed gebruik van regeneratief remmen bespaart niet alleen energie, maar vermindert ook de slijtage van de normale remonderdelen, wat lagere reparatiekosten gedurende de levensduur van het voertuig betekent.

Wat zijn de belangrijkste problemen bij het koelen van elektrische vrachtwagenmotoren?

Het is erg belangrijk om een goed thermisch beheer te hebben in het ontwerp van een elektromotor voor een zwaar voertuig. Deze motoren worden onder grote druk gezet, werken lange uren met zware belastingen, wat veel warmte creëert. Als deze warmte niet goed wordt afgevoerd, kan dit tot veel problemen leiden, zoals een lager rendement, onderdelen die te snel verouderen en zelfs het uitvallen van de motor. Een sterk koelsysteem is nodig om ervoor te zorgen dat de elektrische aandrijflijn duurzaam en betrouwbaar is. Het grootste probleem is het ontwerpen van een koelsysteem dat goed werkt en klein is, zonder te veel gewicht of moeite aan het voertuig toe te voegen.

Er zijn twee belangrijke manieren om elektromotoren te koelen: luchtkoeling en vloeistofkoeling. Luchtkoeling is eenvoudiger en goedkoper, maar misschien niet genoeg voor het hoge vermogen dat een zware vrachtwagen nodig heeft. Vloeistofkoeling, waarbij een koelvloeistof door paden in de motorbehuizing wordt geleid, is meestal beter in het verwijderen van warmte. Veel moderne elektrische vrachtwagenmotoren maken gebruik van geavanceerde vloeistofkoelsystemen, waarbij soms zelfs olie rechtstreeks op de heetste onderdelen wordt gespoten om ze op de beste temperatuur te houden. Het thermisch beheersysteem gaat vaak verder dan alleen de motor en wordt aangesloten op de koelsystemen voor de batterij en vermogenselektronica om een complete koeloplossing voor het hele voertuig te creëren. Deze gekoppelde aanpak maakt slim warmtebeheer mogelijk, waarbij afvalwarmte van het ene onderdeel kan worden gebruikt om een ander onderdeel op te warmen, waardoor het hele systeem beter werkt.

Is een transmissie met meerdere versnellingen nodig voor moderne elektrische vrachtwagens?

De noodzaak van een transmissie in een moderne elektrische truck is een onderwerp dat nog steeds besproken en verbeterd wordt. In tegenstelling tot een dieselmotor, die een klein bereik heeft waar hij het beste werkt, werkt een elektromotor goed bij veel verschillende snelheden. Dit heeft ertoe geleid dat sommige bedrijven kiezen voor een versnellingsbak met één versnelling, wat de aandrijflijn eenvoudiger kan maken en met minder mechanische onderdelen. Een ontwerp met één versnelling kan goed werken voor veel toepassingen, vooral voor rijden in steden met veel stops en starts.

Voor zware vrachtwagens die in veel verschillende omstandigheden werken, van draaien met lage snelheid tot rijden met hoge snelheid op de snelweg, kan een transmissie met meerdere versnellingen echter grote voordelen bieden. Een 2-versnellingsbak of zelfs een versnellingsbak met meerdere versnellingen kan helpen om de elektromotor in zijn meest efficiënte bereik te laten werken. Dit kan het totale energieverbruik verlagen en de actieradius vergroten. Het kan ook de prestaties verbeteren, met meer koppel voor het starten op steile hellingen en een betere efficiëntie bij kruissnelheden. De beslissing om een transmissie met meerdere versnellingen toe te voegen, komt neer op een zorgvuldige planning om de beste prestaties uit de hele aandrijflijn te halen voor de specifieke taak, waarbij de voordelen van een betere efficiëntie en prestaties worden afgewogen tegen de extra moeilijkheden en kosten van een complexere versnellingsbak.

Hoe wordt de as veranderd voor elektrische aandrijflijnen?

De as, een basisonderdeel van elk voertuig, verandert op een grote manier met nieuwe elektrische aandrijflijnen. In een normale truck is de as een eenvoudig onderdeel dat alleen kracht van de aandrijfas naar de wielen stuurt. In een elektrische truck wordt de as echter een slim en actief onderdeel van het aandrijfsysteem. De grootste verandering hier is de e-as, die, zoals ik al zei, de elektromotor, vermogenselektronica en overbrenging allemaal samenbrengt in de as-eenheid. Deze alles-in-één opstelling heeft veel goede punten, zoals minder gewicht, betere efficiëntie en een kleiner ontwerp dat nuttige ruimte vrijmaakt op het chassis van het voertuig.

De e-as kan ook op verschillende manieren worden ingesteld. Meerdere e-assen kunnen bijvoorbeeld samen worden gebruikt voor vierwielaandrijving en betere grip. Dit is vooral handig voor zware vrachtwagens die onder zware omstandigheden werken. De elektronische besturing van de e-as maakt ook geavanceerde functies mogelijk zoals torque vectoring, waarbij het vermogen dat naar elk wiel wordt gestuurd afzonderlijk kan worden geregeld om de stabiliteit en het rijgedrag te verbeteren. We zien ook nieuwe aandrijfsystemen waarbij elke kant van de as zijn eigen vermogenseenheid heeft, wat een nog nauwkeurigere controle mogelijk maakt en de mogelijkheid om 100% van de energie terug te winnen tijdens regeneratief remmen. Deze nieuwe manier van denken over de as maakt de volgende generatie krachtige, efficiënte en milieuvriendelijke zware voertuigen mogelijk.

Wat maakt een elektrische motor een goede waarde voor een bedrijfsvoertuig?

Hoewel de initiële kosten van een elektrische truck hoger kunnen zijn dan die van een vergelijkbare dieseltruck, zijn de totale kosten na verloop van tijd vaak veel beter. Dit is een heel belangrijk punt dat ik altijd maak als ik het over elektrische commerciële voertuigen heb. Er zijn verschillende dingen die ervoor zorgen dat een elektrische motor en de hele elektrische aandrijflijn een goede waarde zijn. Het belangrijkste is de lagere kostprijs van elektriciteit in vergelijking met diesel per gereden kilometer. Dit kan leiden tot grote brandstofbesparingen gedurende de levensduur van het voertuig.

Bovendien heeft een elektrische aandrijflijn veel minder bewegende onderdelen dan een dieselmotor en de bijbehorende systemen. Dit betekent veel lagere reparatiekosten. Er is geen olieverversing, geen complexe uitlaatsystemen en minder slijtage aan onderdelen zoals het remsysteem, dankzij regeneratief remmen. Naarmate de batterij- en elektromotortechnologie beter wordt en er meer worden gemaakt, zullen de startkosten van elektrische trucks naar verwachting dalen, waardoor ze een nog betere financiële keuze worden. Beloningen en belastingvoordelen van de overheid voor de aanschaf van elektrische voertuigen en oplaadstations kunnen ook helpen om de startkosten te betalen. Als je naar al deze punten kijkt, is het duidelijk dat voor veel commerciële toepassingen een elektrisch voertuig aangedreven door een rendabele elektromotor op de lange termijn een goede financiële beslissing kan zijn.

Hoe verbeteren we de sterkte en betrouwbaarheid van systemen voor zware elektrische voertuigen?

Voor elk commercieel voertuig zijn duurzaamheid en betrouwbaarheid must-haves. Als een truck niet werkt, verdient hij geen geld, dus deze zware trucks zijn gebouwd om miljoenen kilometers hard te werken. Bij het ontwerpen van systemen voor zware elektrische voertuigen is het heel belangrijk dat ze sterk zijn. Dit begint met de elektromotor zelf. Motoren voor zwaar gebruik moeten worden ontworpen voor een lange levensduur, in staat zijn om te gaan met hoge koppelbehoeften en het constante schudden in de echte wereld. Het gebruik van hoogwaardige materialen en zware tests zijn nodig om een lange levensduur van de motor te garanderen.

Naast de motor moet elk onderdeel in de elektrische aandrijflijn, van het batterijpakket tot de controller en de e-as, sterk zijn. Dit houdt ook in dat er onderdelen moeten worden ontworpen die bestand zijn tegen extreme temperaturen, natheid en stof. Het accumanagementsysteem heeft een belangrijke taak in het beschermen van het batterijpakket, het duurste onderdeel van de EV, door het stoppen van overladen, leeglopen en oververhitting. De manier waarop de verschillende systemen samenwerken is ook belangrijk voor de betrouwbaarheid. Een goed ontworpen beheersysteem zorgt ervoor dat alle onderdelen soepel samenwerken, waardoor onderdelen niet te vroeg kapot gaan. Naarmate de technologie beter wordt, zien we een grotere focus op het ontwerpen van systemen voor zware elektrische voertuigen met dezelfde kracht en duurzaamheid die de industrie verwacht van hun dieseltrucks.

Wat doet een geavanceerde controller in een elektrische aandrijflijn?

Als de elektromotor het hart van de elektrische truck is, dan is de controller het brein. Deze geavanceerde elektronische eenheid regelt hoe de energie door de hele aandrijflijn stroomt. Het neemt signalen van de bestuurder op, zoals hoe ver het gaspedaal wordt ingedrukt, en zet deze om in exacte instructies voor de elektromotor. De controller bepaalt hoeveel koppel de motor moet leveren, hoe dit moet gebeuren en wanneer er regeneratief geremd moet worden. Het is de sleutel tot de beste balans tussen prestaties, efficiëntie en rijgemak.

De controller doet veel meer dan alleen de motor aansturen. Hij praat ook met het batterijbeheersysteem om het oplaadniveau en de gezondheid van de batterij te controleren. De controller speelt een belangrijke rol bij het thermisch beheer en zorgt ervoor dat zowel de motor als de accu binnen hun optimale temperatuurbereik blijven. In voertuigen met meer dan één motor of een e-as is de controller ook verantwoordelijk voor het sturen van koppel tussen de wielen om de grip en stabiliteit te verbeteren. De software die op de controller draait, wordt voortdurend verbeterd om de efficiëntie te verhogen en nieuwe functies toe te voegen. Kortom, de controller is wat de aandrijflijn alles laat doen wat mogelijk is, waardoor het een zeer belangrijk onderdeel is in het ontwerp van elk modern elektrisch voertuig.

Samenvatting van de belangrijkste punten

• Elektromotoren geven een onmiddellijk koppel, wat zorgt voor een betere acceleratie en betere prestaties voor zware vrachtwagens.
• E-assystemen, waarbij de motor en andere onderdelen in de as worden gecombineerd, worden steeds gebruikelijker omdat ze efficiënt zijn en ruimte besparen.
• Regeneratief remmen kan de actieradius aanzienlijk vergroten en de remslijtage verminderen door bewegende energie terug te zetten in elektriciteit.
• Goed thermisch beheer is van vitaal belang voor de lange levensduur en betrouwbaarheid van elektromotoren voor zwaar gebruik.
• Hoewel een versnellingsbak met één versnelling voldoende kan zijn, kan een versnellingsbak met meerdere versnellingen de efficiëntie en prestaties in meer rijsituaties verbeteren.
• De totale kosten van een elektrische truck kunnen lager zijn dan die van een dieseltruck door besparingen op brandstof en reparaties.
• Een geavanceerde controller fungeert als het brein van de elektrische aandrijflijn, beheert de energie en verbetert de prestaties.