Techniek – E-drives
In de autobusiness begint het al redelijk ingeburgerd te raken, maar in de motorwereld kan het nog wel even duren voor de elektrische aandrijving zich nadrukkelijker begint te manifesteren. Wat is inmiddels de stand van de techniek en waarom stappen de grote motorfabrikanten nog niet echt vol overgave in deze technologie? Een overzicht.
Het waren een paar moedige Duitsers, die de eerste elektrische tweewieler op de straat brachten. De Solo Electra zorgde namelijk in 1972 al voor de nodige opschudding. In totaal liepen er 1.600 van deze machientjes van de band in de fabriek in de omgeving van Stuttgart. Helaas bleken zowel de beide loodaccu’s als de ongeregelde vrachtwagen-startmotor van Bosch niet voldoende om het ding steeds op betrouwbare wijze aan de praat te krijgen. Ondergetekende is zelf eigenaar van zo’n Solo Electra en kan er wat dat betreft over meepraten. Het apparaat kan alleen worden aan- of uitgeschakeld, dus of 0,7 pk of niets. De actieradius bedraagt ongeveer tien kilometer en bergop raakt de Solo snel oververhit, waarna ‘ie er simpelweg mee ophoudt. Dat doen moderne elektrische aandrijvingen natuurlijk veel beter, sommige zelfs beter dan een verbrandingsmotor.
Tegenwoordig worden elektrische voertuigen aangedreven door borstelloze permanent-magneet driefasige-synchroonmotoren. Daarbij draait een van magneten voorziene rotor binnen het stilstaande gedeelte van motor – de stator – dat is voorzien van wikkelingen. Die rotor wordt door gelijkstroom opgewekte magneetvelden in de stator synchroon ‘meegetrokken’; vandaar dus de benaming synchroonmotor.
Duidelijk is dat die wikkelingen in de stator (dunne, om een kern gewikkelde koperdraden) een forse stroomsterkte aan moeten kunnen om een krachtig magneetveld en daarmee een hoog koppel te genereren. Het grote voordeel van een elektromotor is daarbij echter dat je die stroomsterkte (gemeten in Ampères) uiterst fijn kunt regelen. Met andere woorden: je kunt het motorvermogen subliem bepalen. En het maximum koppel is bij zo’n elektromotor in feite al vanaf de eerste omwenteling beschikbaar, waar een verbrandingsmotor toch op toeren moet komen en pas vanaf circa 1.500 toeren ‘rijdbaar’ is.
Bovendien is een elektromotor, omdat de rotor op slechts twee lagers draait, bijzonder efficiënt. De beteren zetten bijvoorbeeld 90 procent van de energie om in koppel! De beste verbrandingsmotoren komen maar tot 40 procent. En dat zien we ook terug bij de koeling: bij een verbrandingsmotor wordt het merendeel van de energie in de brandstof omgezet in (nutteloze) hitte: tot wel 60% gaat zo verloren als heet uitlaatgas of in het koelsysteem. De meeste elektrische motoren in motorfietsen zijn weliswaar ook voorzien van vloeistofkoeling, maar er hoeft maar weinig hitte ‘afgevoerd’ te worden en er kunnen dus relatief kleine radiateurs gemonteerd worden. Heel anders dus dan bij een verbrandingsmotor, waar een veelvoud aan koelend vermogen nodig is. Dat verklaart de enorme radiateur op hypersportieve motoren.
Bij een elektro-motorfiets ontstaat die hitte vooral daar waar sprake is van grote stroomsterktes. Denk maar even aan het snoer van een straalkacheltje, of van een frituurpan, dat ook altijd warm wordt als het apparaat aanstaat, en er dus ‘vermogen’ gevraagd wordt. Bij een elektromotor zal de stator dus warm worden door de stroom in de wikkelingen, als er vermogen gevraagd wordt. Daarnaast ontstaat er ook hitte in het onderdeel waar het uiteindelijke vermogen geregeld wordt (waar dus wordt bepaald hoeveel stroom er door de wikkelingen wordt gestuurd), en in de accu zelf die die stroom moet leveren. Door al deze verliezen gaat dus ook bij een elektromotor rendement verloren, waardoor de totale efficiëntie van een elektromotor op ongeveer 80 procent, of soms ook minder, uitkomt. En bij lage temperaturen gaat de efficiëntie nog verder omlaag; bij gebruik rond of zelfs onder het vriespunt loopt de capaciteit van de accucellen flink terug.
Voor die accu – zeg maar de benzinetank van een elektromotorfiets – worden hoofdzakelijk lithium-ion-cellen gebruikt. Deze slaan de stroom op zeer efficiënte wijze op en houden het ook makkelijk 1.000 of meer laadcycli vol. De spanning per cel bedraagt 3,6 volt; voor het gebruik in een motorfiets is een spanning van minimaal 130 tot wel 300 volt nodig om de elektromotor zo efficiënt mogelijk te laten zijn, en tegelijkertijd de stroomsterkte binnen de perken te houden. Om tot dat hoge voltage te komen worden die cellen op een bepaalde manier gekoppeld. Probleem is echter dat de cellen niet tegen teveel spanning tijdens het laden kunnen, dus voor het opladen van de accucellen moet een speciale laadstrategie worden gebruikt, met ingenieuze elektronica om die laadstroom voor elke cel te optimaliseren. Daarnaast beperkt de thermische belasting bij het laden de mogelijke laadstroom en daarmee dus ook de laadtijd. Vandaar dat de accu’s dus ook altijd gekoeld worden. Bij het laden hebben de luchtgekoelde accumulatoren het dan ook zwaarder dan het vloeistofgekoelde accupakket, dat beter op een constante temperatuur gehouden kan worden.
De accucapaciteiten liggen bij elektrische motorfietsen tussen 3,9 kWh (de KTM Freeride-e) tot 15,5 kWh (Harley-Davidson LiveWire). De Energica Moto-E racer moet naar verluidt zelfs meer dan 20 kWh in zijn zware accu kunnen opslaan. De modernste accu’s kunnen ongeveer 0,2 kWh per kilo gewicht kwijt. Voor benzine is die energiebuffer ongeveer 11,1 kWh per kilo, dus 55 keer zoveel als een moderne accu. En daarmee komen we bij de grootste uitdaging voor elektrische motorfietsen: de accucapaciteit moet de komende tijd flink omhoog om de actieradius te vergroten en tot een aanvaardbaar niveau te komen zodat je ook op een elektro-motorfiets probleemloos een leuke dagtoer zou kunnen maken zonder opladen onderweg of zonder het gevaar te stranden onderweg met een lege accu. Aan de andere kant moet het gewicht van de accu bij een grotere capaciteit niet mee stijgen. Maar de ontwikkeling is momenteel in volle gang; tussen de Solo en de Zero zit immers al 47 jaar tijdsverschil!
