Selv om en elbil har langt mindre komplisert drivverk enn en bil med forbrenningsmotor, er det en mengde avansert elektronikk involvert. (Bilde: Pagécran/Groupe Renault)
Lading av elbil. (Bilde: Pagécran/Groupe Renault)
Viklinker i statoren til Renaults R240-motor under produksjon. (Bilde: Antoine La Rocca/Groupe Renault)
En stator under produksjon. (Bilde: Antoine La Rocca/Groupe Renault)

HVORDAN VIRKER: ELBIL-MOTOREN

Slik virker elbil-motoren

En av fordelene med en elbil er at fremdriftssystemet har langt færre komponenter og bevegelige deler sammenlignet med biler med forbrenningsmotor.

I prinsippet er det ikke snakk om annet enn å føre strøm fra et batteri til en elektromotor som dreier hjulene og setter bilen i bevegelse.

Til sammenligning er en bensinmotor en rimelig komplisert affære hvor man må pumpe en brennbar væske gjennom rør, og sprute den inn i en sylinder hvor den skal blandes med luft, komprimeres og settes fyr på.

I beste fall ligger virkningsgraden til en bensinmotor på 30 prosent. Det betyr at 70 prosent av energien du tilfører, forsvinner ut i varme. Eller sett på en annen måte: Fyller du bensin for 500 kroner, forsvinner 350 kroner ut i ingenting.

Dieselmotorer har i beste fall 50 prosent virkningsgrad. Disse tallene gjelder imidlertid bare på et visst turtall. I praksis er virkningsgraden lavere for bensin- og dieselmotorer.

Batteri
I mange elbiler er batteripakken montert i dørken. I så godt som alle tilfeller brukes litiumionebatterier. Pagécran/Groupe Renault
En elmotor kan på sin side ha mer enn 90 prosent virkningsgrad. Det betyr dog ikke at du får utnyttet mesteparten av energien i en elbil.

Her forsvinner nemlig en del energi i forskjellige ledd, så virkningsgraden er i praksis et sted mellom i verste fall 60 prosent, og i beste fall 85 prosent.

En elbil består kort sagt av batteriet, en del kraftelektronikk, og en elller flere motorer som driver hjulene.

Nøyaktig hvordan det er bygget opp varierer fra bil til bil, men prinsippet er grovt sett det samme for alle.

Batteriet

Batteripakken består av flere hundre enkeltceller på rundt 3,7 volt. Disse er koblet slik at batteriet har en spenning på rundt 400 volt. Hvor mye strøm batteriet klarer å levere, er en av faktorene som bestemmer hvor stor effekt du kan ta ut av motoren.

Et eksempel på dette er Tesla Model S P85D, hvor motorene på for- og bakakslingene til sammen har en ytelse på 691 hestekrefter, men batteriet kan ikke levere så mye effekt.

Batteriet i elbilen er i nesten alle tilfeller basert på litiumioneceller. Det er variasjoner i batterikjemien innenfor denne batteritypen, som gjør at de kan ha litt forskjellige kvaliteter.

Batteriene utvikles med tiden slik at de får høyere energitetthet. Da kan man lagre mer energi på et mindre område, noe som gjør bilene lettere.

Alternativt kan man utvide batterikapasiteten.

Kraftelektronikkmodulen i Renaults R240-motor.
Kraftelektronikkmodulen i Renaults R240-motor. Pagécran/Groupe Renault

Kraftelektronikkmodulen

Strømmen fra batteriet er ikke koblet direkte til motoren. Mellom disse to komponentene er det avansert kraftelektronikk som passer på at strømmen går dit den skal, med riktig frekvens og så videre.

Denne delen av «motoren» er enten en eller flere moduler, eller én integrert enhet. I bildet over, hentet fra Renalts R240-motor, er alt integrert i én enhet.

Kraftelektronikkmodulen består grovt sett av tre komponenter: Kontroller (eller «datamaskin»), vekselretter og en DC-til-DC-omformer.

Ha i bakhodet at det som foregår i disse komponentene egentlig er en del mer komplisert enn denne forenklede beskrivelsen. Det er også variasjoner i forskjellig design.

Når du trykker på gasspedalen, som i praksis er et potensiometer, forteller posisjonen kontrolleren hva du ønsker skal skje. Kontrolleren angir så hva vekselretteren skal gjøre.

Vekselretteren forsyner motoren med strøm, men siden motoren i de aller fleste tilfeller er en trefase vekselstrømmotor, og batteriet leverer likestrøm, må strømmen omformes før den forsynes til motoren.

En DC-til-DC-omformer, som trapper opp spenningen fra batteriet, forsyner da vekselretteren med strøm. Denne vekselretteren «hakker opp» strømmen, og snur polariteten i en bestemt frekvens.

Siden det skal leveres tre faser, eller veldig enkelt sagt strøm over tre ledninger samtidig, og polariteten kontinuerlig skal skifte i en bestemt frekvens, brukes transistorer (IBGT - Insulated Gate Bi-Polar Transistors) til oppgaven.

En ferdig produsert Renault R240-motor.
En ferdig produsert Renault R240-motor. Antoine La Rocca/Groupe Renault
Kort sagt bestemmes hastigheten og dreiemomentet til motoren ved at spenning, strøm, frekvens og amplitude justeres av vekselretteren.

En prosessor og programvare i kraftelektronikkmodulen bestemmer hvordan dette reguleres, slik at kjøreopplevelsen skal oppleves behagelig.

IBGT-transistorene har også den funksjonen at de kan reversere jobben. Dermed brukes vekselretteren også til å likerette strøm som regenereres av motoren når du bremser. Mer om det litt senere.

Disse komponentene genererer en hel del varme, og må derfor kjøles. Denne kjølingen må være svært effektiv, ettersom mesteparten av varmen utvikles i de relativt små transistorene.

Om virkningsgraden er 95 prosent i disse komponentene, og effekten er 100 kilowatt, vil tross alt 5 kilowatt gjøres om til varme. I mange moderne biler gjenvinnes denne varmen og brukes delvis til å varme opp bilen.

Dette er uansett et relativt komplisert stykke kraftelektronikk som må styres av programvare. Kraftelektronikkmodulen inneholder også alle andre komponenter som holder styr på strøm og spenning, inkludert overstrømsvern, filtrere for å sikre jevn spenning fra batteriet, filtre for å redusere overharmoniske svingninger, og annet.

Kraftelektronikkmodulen inneholder som regel også en DC-til-DC-omformer som trapper ned spenning til 12 volt, slik at blybatteri kan lades og forsyne lys, radio og annet med strøm.

Denne fjerner behovet for en dynamo, som biler med forbrenningsmotor er avhenig av.

Elbilmotor
Når elbilen lades, går strømmen via en ombordlader, og videre til batteriet. Pagécran/Groupe Renault

Lader

Alle elbiler har lader integrert, en såkalt ombordlader. I praksis er det slik at du kobler strøm til laderen i bilen, og ikke bilen til en lader.

Unntaket er når du hurtiglader med likestrøm, for eksempel en Chademo-hurtiglader, en CCS-hurtiglader eller en Tesla Supercharger.

Da kobles selve laderen til bilen, og forsyner batteriet med strøm mer eller mindre direkte. Dette går ikke via ombordladeren.

I alle tilfeller du benytter vekselstrøm til å lade bilen, brukes ombordladeren.

Hvor raskt den kan lade, kommer an på hvordan den er spesifisert. Størst kapasitet har ombordladeren i eldre modeller av Renault Zoe, som kan håndtere 43 kilowatt.

Tesla Model S og nyere utgaver av Renault Zoe har en ombordlader som tar inntil 22 kilowatt.

Nissan Leaf og de fleste andre biler har ombordladere som kan ta lavere effekter, gjerne inntil 7,2 kilowatt.

Ombordladeren likeretter strømmen, og mater denne til batteriet. Laderen er noen ganger i kraftelektronikkmodulen, og andre ganger en frittstående komponent i bilen.

Gir

En elbil trenger ingen vanlig girkasse. Når du setter den i revers, bytter man bare om to av fasene til motoren.

I de fleste tilfeller kan motoren rotere med en del over 10 000 omdreininger per minutt, noe den tåler fint. Dermed er det ikke behov for gir.

De fleste elbiler har imidlertid et reduksjonsgir og en differensial – men ikke nødvendigvis.

Det er for eksempel mulig å lage en bil med to elmotorer på samme aksling, som driver hvert sitt hjul. Da vil det ikke være behov for en differensial.

En differensial er kort sagt en utvekslingsmekanisme som fordeler dreiemoment fra én aksel til to. Det sørger for at hjulet innerst i en sving går litt saktere enn hjulet ytterst. Om bilen ikke har dette, vil det være nærmest umulig å svinge.

Reduksjonsgirets oppgave er å sørge for at hastigheten til hjulene er litt lavere enn hastigheten ut fra motoren.

Som regel er differensial og reduksjonsgir kombinert i samme enhet.

Utvidet oversikt over hovedkomponentene i Renaults R240-motor.
Utvidet oversikt over hovedkomponentene i Renaults R240-motor. Pagécran/Groupe Renault

Motor

De fleste elbiler benytter en trefase vekselstrømsmotor. En av grunnene til dette er at de egner seg bedre til å regenerere strøm, ettersom det ikke krever så mye komplisert elektronikk.

Den samme elektronikken som forsyner motoren med strøm, kan også forsyne batteriet med strøm fra motoren.

Det finnes imidlertid en rekke forskjellige motorer, og alle elbiler er ikke like på dette feltet. Prinsippet er likevel det samme.

Motoren består av en stator og en rotor.

Statoren er en hul sylinder rotoren er plassert inni. Statoren består av spoler som skaper elektromagnetiske felt.

Rotoren har en permanent magnet eller en elektromagnet, som vil forsøke å rette seg mot de magnetiske feltene.

Spenningen over spolene i statoren vil pulsere med de tre fasene som leveres fra vekselretteren, slik at magnetfeltet beveger seg rundt statoren.

Da beveger rotoren seg, og bilen går fremover. Så lenge magnetfeltene flytter seg, vil rotoren fortsette å rotere, ettersom den trekkes i samme retning og hastighet som magnetfeltet.

Fra produksjon av stator til Renaults R240-motor.
Fra produksjon av stator til Renaults R240-motor. Antoine La Rocca/Groupe Renault

Regenerering

Når du regenererer strøm, skjer det samme, bare motsatt.

Magnetfeltet i statoren vil henge etter rotoren, noe som fører til at den «dytter» mot magnetfeltet.

Magnetfeltet i rotoren induserer strøm i spolene i statoren, som så føres tilbake til vekselretteren, og deretter tilbake til batteriet. Siden det krever energi å bevege rotoren i statoren, vil bilen bremse opp når dette skjer.

Felles for all regenerering er at motoren må generere en viss spenning før batteriet kan lades.

Jo raskere motoren roterer, jo mer strøm lager den. Når det regenereres strøm, skapes et negativt dreiemoment som vil forsøke å bremse opp rotasjonen.

Hvordan motoren er konstruert vil avgjøre hvordan regenereringen fungerer. Noen biler, som Nissan Leaf, har en permanent magnet i rotoren. Dette kalles en PMAC-motor.

Her justeres regenereringen via vekselretteren, og bestemmes ved å variere magnetfeltet i statoren avhengig av posisjonen til rotoren.

Skjematisk fremstilling av en asynkron trefasemotor.
Skjematisk fremstilling av en asynkron trefasemotor. Svjo, CC-SA3.0
Hvor mye som skal regenereres kan dermed kontrolleres presist.

Det er viktig å ha kontroll på dette, ettersom bilen ikke har mulighet for å kvitte seg med denne energien andre steder enn til batteriet. Om batteriet er nær fullt eller fullt, kan det ikke ta imot mer strøm, eller mindre strøm.

Andre biler, som Renault Zoe og Tesla Model S, har varianter av induksjonsmotorer.

Her er det en elektromagnet i rotoren, men prinsippet er grovt sett det samme.

Under last induseres en spenning i elektromagneten i rotoren, eller den mates direkte med strøm slik at den oppmagnetiseres. Dermed roterer den.

Når en induksjonsmotor skal regenerere, kan magnetfeltet i rotoren justeres direkte eller via statoren avhengig av design, slik at man oppnår det samme.

Sparer litt her og litt der

Regenerering kan skje med en gang du slipper gasspedalen, ettersom rotasjon i motoren kan indusere en spenning.

Om batteriet er nær fulladet, vil bilen heller rulle, som om du har satt «giret» i fri.

Hvor effektiv regenerering er, er et enkelt regnestykke:

Et kjøretøy på 1500 kg som bremser opp til full stans fra 100 kilometer i timen regenererer 0,16 kilowattimer, forutsatt at virkningsgraden er 100 prosent, og man ikke regner inn vind- og rullemotstand. I praksis er effektiviteten åpenbart langt lavere enn dette. 

Om strømprisen du ladet bilen med er 65 øre pr kilowattime, sparer du altså ti øre på regenereringen. Og det er altså under helt ideelle forhold.

Kilder: Metricmind.com, Cantron.com, Teslamotors.com, IEEE.org, Fraunhofer.de, Widmer et al., eetimes.com

Få med deg «Nordic EV Summit 2017» den 7. februar 2017.