Elbilen – med effektivitet under huven
Om det enbart handlade om estetik skulle en elmotor ha svårt att konkurrera med elegansen hos en sexcylindrig bensinmotor. Eftersom elmotorn i grund och botten består av en kapsel med magneter, koppartråd och en axel – är potentialen för en storstilad uppvisning ganska begränsad. Elmotorer måste istället imponera med sina inre egenskaper. Och det har dem gott om.
– En av den elektriska motorns stora fördelar är effektiviteten med vilken den omvandlar energi till mekanisk drivkraft. Speciellt i stadstrafik slår den en förbränningsmotor med enkelhet, säger Andreas Richter, ingenjör vid DEKRA Competence Center for Electromobility.
Tekniskt sett finns det ingen anledning att inte använda en elbil för korta ärenden. Till skillnad från en förbränningsmotor har elbilen inga problem med kallstarter och slitage. Som Andreas Richter förklarar har elmotorer mycket hög verkningsgrad, som kan överstiga 90 procent. Det mesta av denna energi används för att köra. Balansen för förbränningsmotorer är mycket sämre, i staden kan verkningsgraden vara mindre än tio procent, medan den blir effektivare inom intervallet 25 till 40 procent vid medel till hög belastning. Resterande del av energin går förlorad som oanvänd värme.
Elbil eller tvättmaskin? Motorns grundstruktur är densamma
Elmotorer är en teknik som har testats och beprövats i en mängd olika tillämpningar i många decennier. Därför skiljer sig inte den grundläggande konstruktionen av motorn i en elbil nämnvärt från den i en tvättmaskin. Växelströmsmotorer används i de flesta fall, eller mer exakt; trefasmotorer. Detta innebär att växelströmmen strömmar till motorns hölje via tre separata ledare, eller faser.
Inuti elmotorn finns två huvudaktörer, statorn och rotorn, som genom samverkan mellan elektriska och magnetiska krafter omvandlar energin från batteriet till mekanisk kraft för framdrift. Statorn är i grund och botten befälet inne i höljet och ansvarar för kraft och verkningsgrad. Rotorn är i sin tur monterad för rotation inuti den cylindriska statorn och är förenad med en stålaxel för kraftöverföring. Samverkan mellan de två börjar i det ögonblicket fordonet startas.
Samspel av magnetiska krafter får motoraxeln att rotera
Under eldrift strömmar växelströmmen till spolarna i statorn via anslutningarna på motorns hölje. Dessa genererar sedan kontinuerligt ett nytt magnetfält med korta periodiska intervall. Men magnetfälten vid olika spolar genereras alltid med en tidsförskjutning från varandra vilket utvecklar det så kallade roterande fältet inne i statorn. Men hur uppstår rotorernas rotationsrörelse? Det beror på den elektriska motorstrukturen.
I synkronmotorer genererar rotorer sina egna magnetfält. Här används magneter med ett permanent magnetiskt fält, detta kallas för en permanentmagnet-synkronmotor, PSM. Rotorn kan dock också göras till en elektromagnet med hjälp av likström och då kallas systemet för en likströmsstyrd synkronmotor, FSM. I båda fallen interagerar statorns och rotorns magnetfält genom dragningskraft och avstötning av sina poler. Detta producerar en rotationsrörelse där rotorn roterar synkroniserat med statorns roterande fält.
I asynkrona motorer tillämpas en annan princip. Här har rotorn vanligtvis varken magneter eller sin egen strömförsörjning. Istället framkallar det roterande fältet från statorn ström i ledarstängerna i rotorn, som sedan bygger upp ett magnetfält. I detta system roterar rotorn alltid något långsammare än stators roterande fält, därav namnet ”asynkron” motor. Denna design anses vara särskilt robust och utmärker sig med hög stabilitet vid höga hastigheter. Synkrona motorer erbjuder däremot fördelar när det gäller effekttäthet och effektivitet.
Kraftelektronik styr strömförsörjningshanteringen
En utmaning för motortillverkare är att matcha fordonet och kraftenheten med önskad körprofil. Detta kan vara enklare för en kompakt bil än för en SUV med mycket bredare användningsområde. I båda fallen är dock kraftelektronik en nyckelkomponent i drivkonceptet eftersom den, bland annat, är ansvarig för hanteringen av motorförsörjningen.
Om fordonet ska accelerera, bestämmer kraftelektroniken exempelvis hur mycket extra energi som behövs baserat på gaspedalens position. Eftersom batteriet bara avger likström måste elektroniken leverera strömmen i rätt form, styrka och frekvens. I fallet med regenerering tar den istället på sig uppgiften att omvandla bromsenergi till elektrisk energi med likström in i batteriet. Dessutom övervakar kraftelektroniken motorhastigheten och effekten konstant. Elektroniken känner till battericellernas tillstånd och kommunicerar med laddstationerna under laddning.
Elmotorns prestanda blir tydlig på vägen
Personer som använder en elbil för ren stadskörning kan i regel vara nöjda med mindre kraft. Även med en nominellt svagare motor är snabb körning i stadstrafik fullt möjlig.
– Det beror på att en elmotors maximala vridmoment nästan är helt tillgängligt redan vid acceleration från stillastående, fortsätter Andreas Richter.
Vid motorvägskörning tar dock en mindre elmotors framdrift förr eller senare slut. Den når också sitt maximala vridmoment över hela sitt tillgängliga varvtalsområde, men enbart tills den har nått maximal effekt. Vid detta tillfälle minskar accelerationen avsevärt. Om man värdesätter höga hastigheter eller dynamiska omkörningar är det möjligt genom elmotorer med högre effekt och fler hästkrafter.
Växellådan – en viktig komponent i drivlinan
För att säkerställa att den mekaniska kraften når hjulen på bästa möjliga sätt fungerar växellådan som en tredje aktör tillsammans med motorn och kraftelektroniken. Till skillnad från en förbränningsmotor finns det i en elmotor ingen anledning att växla för att hålla vridmoment och kraft i det optimala hastighetsområdet, eftersom den levererar sin kraft över ett bredare hastighetsområde.
Ändå har elbilar också en växellåda ombord. Det beror på att rotoraxeln kan rotera med enormt höga hastigheter. Drivaxeln för överföring av den mekaniska kraften till hjulen måste dock rotera mycket långsammare. För att uppnå det förlitar sig biltillverkare vanligtvis på en enstegsväxellåda som minskar hastigheten, det finns dock utrymme för utformningen av växellådan.
Porsche Taycan har exempelvis en tvåstegs växellåda som möjliggör maximal acceleration och höga topphastigheter. Andra prestandabilar skulle också kunna dra nytta av en tvåstegsväxellåda. Fordonsleverantören ZF tror att det här kan förbättra effektiviteten för den elektriska drivlinan med fem procent. I praktiken skulle det innebära en ökning av räckvidden.