De tijd is rijp en de plaats is rijp, en alle Chinese bedrijven voor elektrische voertuigen zijn bezet. China lijkt het centrum van de elektrische auto-industrie ter wereld te zijn geworden.
Als uw eenheid in Duitsland niet over oplaadpalen beschikt, moet u er misschien zelf een kopen. voor de deur. We discussiëren echter altijd over waarom zoveel uitstekende Duitse autobedrijven geen Tesla kunnen maken, en het is niet moeilijk om nu de redenen te vinden.
In 2014 publiceerde professor Lienkamp van de Technische Universiteit van München een nieuw boek ‘Status of Electrical Mobility 2014’, dat gratis en open is voor de samenleving, en zei: ‘Hoewel elektrische voertuigen verschillende gebreken hebben, heb ik nog nooit een auto gezien die beschikt al over een elektrische mobiliteit. De bestuurder van de auto keert terug naar de omhelzing van de traditionele auto. Zelfs de meest voorkomende elektrische auto brengt je rijplezier, dat ongeëvenaard is door een benzineauto.” Zo'n auto kan er echt voor zorgen dat de autobezitter niet meer verlengt. Terug in de armen van traditionele auto's gooien?
Zoals we allemaal weten, is het hart van een elektrisch voertuig de batterij.
Voor een gewoon elektrisch voertuig bedraagt het energieverbruik per 100 kilometer volgens de Europese standaardtest ongeveer 17 kWh, dat wil zeggen 17 kWh. Dr. Thomas Pesce bestudeerde het energieverbruik van compacte voertuigen onder de optimale configuratie. Zonder rekening te houden met de kosten bedraagt het optimale energieverbruik per 100 kilometer, verkregen door gebruik te maken van de bestaande beschikbare technologie, iets meer dan 15 kWh. Dit betekent dat op de korte termijn, als we proberen het energieverbruik te verminderen door de efficiëntie van de auto zelf te optimaliseren, zelfs zonder rekening te houden met de extra kosten, het energiebesparingseffect relatief klein is.
Neem het 85 kWh-batterijpakket van Tesla als voorbeeld. De nominale rijafstand bedraagt 500 km. Als het energieverbruik door verschillende inspanningen wordt teruggebracht tot 15 kWh/100 km, kan de rijafstand worden vergroot tot 560 km. Daarom kan worden gezegd dat de levensduur van de batterij van de auto evenredig is met de capaciteit van het batterijpakket, en dat de proportionele coëfficiënt relatief vast is. Vanuit dit oogpunt is het gebruik van batterijen met een hogere energiedichtheid (zowel energie Wh/kg per gewichtseenheid als energie Wh/L per volume-eenheid moeten in aanmerking worden genomen) van groot belang om de prestaties van elektrische voertuigen te verbeteren, omdat in Bij elektrische voertuigen neemt de accu een groot deel van het totale gewicht in beslag.
Allerlei soorten lithium-ionbatterijen zijn de meest verwachte en meest gebruikte batterijen. De lithiumbatterijen die in auto's worden gebruikt, omvatten voornamelijk een ternaire nikkel-kobalt-lithium-manganaatbatterij (NCM), een nikkel-kobalt-lithiumaluminaatbatterij (NCA) en een lithium-ijzerfosfaatbatterij (LPF).
1. Nikkel-kobalt-lithium-manganaat ternaire batterij NCMwordt door veel elektrische voertuigen in het buitenland gebruikt vanwege de lage warmteproductie, de relatief goede stabiliteit, de lange levensduur en de energiedichtheid van 150-220 Wh/kg.
2. NCA nikkel-kobalt-aluminaat-lithiumbatterij
Tesla gebruikt deze batterij. De energiedichtheid is hoog, namelijk 200-260 Wh/kg, en zal naar verwachting binnenkort 300 Wh/kg bereiken. Het grootste probleem is dat momenteel alleen Panasonic deze batterij kan produceren, de prijs hoog is en de veiligheid het slechtst is van de drie lithiumbatterijen, waarvoor een krachtig warmteafvoer- en batterijbeheersysteem vereist is.
3. LPF-lithiumijzerfosfaatbatterij Laten we tenslotte eens kijken naar de LPF-batterij die het meest wordt gebruikt in huishoudelijke elektrische voertuigen. Het grootste nadeel van dit type batterij is dat de energiedichtheid erg laag is, namelijk slechts 100-120Wh/kg. Daarnaast heeft LPF ook een hoge zelfontlading. Niets van dit alles is gewenst door EV-makers. De wijdverbreide acceptatie van LPF in China lijkt meer op een compromis van binnenlandse fabrikanten voor dure batterijbeheer- en koelsystemen. LPF-batterijen hebben een zeer hoge stabiliteit en veiligheid en kunnen een stabiele werking garanderen, zelfs met slechte batterijbeheersystemen en een langere levensduur van de batterij. Een ander voordeel van deze functie is dat sommige LPF-batterijen een extreem hoge ontlaadvermogensdichtheid hebben, wat de dynamische prestaties van het voertuig kan verbeteren. Bovendien is de prijs van LPF-batterijen relatief laag, dus geschikt voor de huidige low-end en lage prijsstrategie van huishoudelijke elektrische voertuigen. Maar of het zich krachtig zal ontwikkelen als de batterijtechnologie van de toekomst, het is nog een vraagteken.
Hoe groot moet de accu van een gemiddelde elektrische auto zijn? Is het een accupakket met duizenden Tesla-accu’s in serie en parallel, of een accupakket gebouwd met een paar grote accu’s van BYD? Dit is een onderzoeksvraag en er is momenteel geen definitief antwoord. Alleen de kenmerken van het batterijpakket bestaande uit grote cellen en kleine cellen worden hier geïntroduceerd.
Wanneer de batterij klein is, zal het totale warmtedissipatieoppervlak van de batterij relatief groot zijn en kan de temperatuur van het gehele batterijpakket effectief worden geregeld door middel van een redelijk warmtedissipatieontwerp om te voorkomen dat de hoge temperatuur versnelt en afbreuk doet aan de batterij. levensduur van de batterij. Over het algemeen zal het vermogen en de energiedichtheid van batterijen met een kleinere afzonderlijke capaciteit hoger zijn. Ten slotte, en nog belangrijker, in het algemeen geldt: hoe minder energie een enkele batterij heeft, hoe hoger de veiligheid van het hele voertuig. Een batterijpakket dat bestaat uit een groot aantal kleine cellen, zelfs als een enkele cel uitvalt, zal dit niet al te veel problemen veroorzaken. Maar als er een probleem is in een batterij met een grote capaciteit, is het veiligheidsrisico veel groter. Daarom hebben grote cellen meer beveiligingsapparaten nodig, wat de energiedichtheid van het batterijpakket dat uit grote cellen bestaat verder vermindert.
Bij de oplossing van Tesla zijn de nadelen echter ook duidelijk. Duizenden batterijen vereisen een uiterst complex batterijbeheersysteem, en de extra kosten kunnen niet worden onderschat. Het BMS (Battery Management System) dat wordt gebruikt op de Volkswagen E-Golf, een submodule die twaalf batterijen kan beheren, kost $ 17. Volgens de schatting van het aantal batterijen dat Tesla gebruikt, bedragen de kosten van Tesla's investering in BMS, zelfs als de kosten van zelfontwikkelde BMS laag zijn, meer dan 5.000 dollar, wat neerkomt op meer dan 5% van de kosten van het BMS. hele voertuig. Vanuit dit oogpunt kan niet worden gezegd dat een grote batterij niet goed is. In het geval dat de prijs van BMS niet significant is verlaagd, moet de grootte van het accupakket worden bepaald op basis van de positionering van de auto.
Als een andere kerntechnologie in elektrische voertuigen wordt de motor vaak het middelpunt van de discussie, vooral Tesla's motor ter grootte van een watermeloen met sportwagenprestaties, die zelfs nog verbazingwekkender zijn (het piekvermogen van de Model S-motor kan meer dan 300 kW bereiken. koppel is 600 Nm, en het piekvermogen ligt dicht bij het vermogen van een enkele motor van een hogesnelheids-EMU). Sommige onderzoekers in de Duitse auto-industrie gaven het volgende commentaar:
Tesla gebruikt bijna niets behalve conventionele componenten (aluminium behuizing,asynchrone motor voor voortstuwing, conventionele chassistechnologie met luchtvering, ESP en een conventioneel remsysteem met elektrische vacuümpomp, laptopcellen etc.)
Tesla gebruikt alle conventionele onderdelen, aluminium carrosserie, asynchrone motoren, conventionele autostructuur, remsysteem en laptopbatterij enz.
De enige echte innovatie ligt in de technologie die de batterij met elkaar verbindtcellen, die verbindingsdraden gebruiken die Tesla heeft gepatenteerd, evenals een batterijmanagementsysteem dat “over the air” kan worden uitgezonden, wat betekent dat devoertuig hoeft niet langer naar een werkplaats te rijden om software-updates te ontvangen.
De enige geniale uitvinding van Tesla is de omgang met de batterij. Ze gebruiken een speciale batterijkabel en een BMS dat directe draadloze netwerken mogelijk maakt zonder terug te hoeven naar de fabriek om de software bij te werken.
In feite is de asynchrone motor met hoge vermogensdichtheid van Tesla niet zo nieuw. In Tesla's vroegste Roadster-model worden de producten van het Taiwanese Tomita Electric gebruikt, en de parameters verschillen niet veel van de parameters aangekondigd door Model S. In het huidige onderzoek hebben wetenschappers in binnen- en buitenland ontwerpen voor goedkope, krachtige motoren die snel in productie kunnen worden genomen. Als je dus naar dit vakgebied kijkt, vermijd dan de mythische Tesla – de motoren van Tesla zijn goed genoeg, maar niet zo goed dat niemand anders ze kan bouwen.
Van de vele motortypen die gewoonlijk in elektrische voertuigen worden gebruikt, zijn voornamelijk asynchrone motoren (ook wel inductiemotoren genoemd), extern bekrachtigde synchrone motoren, synchrone motoren met permanente magneet en hybride synchrone motoren. Degenen die geloven dat de eerste drie motoren enige kennis over elektrische voertuigen hebben, zullen enkele basisconcepten hebben. Asynchrone motoren hebben lage kosten en hoge betrouwbaarheid, synchrone motoren met permanente magneet hebben een hoge vermogensdichtheid en efficiëntie, kleine afmetingen maar hoge prijzen, en complexe sectiecontrole met hoge snelheid. .
U heeft misschien minder gehoord over hybride synchrone motoren, maar de laatste tijd zijn veel Europese motorleveranciers begonnen met het leveren van dergelijke motoren. De vermogensdichtheid en efficiëntie zijn zeer hoog en het overbelastingsvermogen is sterk, maar de controle is niet moeilijk, wat zeer geschikt is voor elektrische voertuigen.
Er is niets bijzonders aan deze motor. Vergeleken met de synchrone motor met permanente magneet, voegt de rotor naast de permanente magneten ook een bekrachtigingswikkeling toe, vergelijkbaar met de traditionele synchrone motor. Een dergelijke motor heeft niet alleen de hoge vermogensdichtheid die door de permanente magneet wordt veroorzaakt, maar kan ook het magnetische veld aanpassen aan de behoeften via de bekrachtigingswikkeling, die gemakkelijk bij elke snelheidssectie kan worden geregeld. Een typisch voorbeeld is de motor uit de HSM1-serie, geproduceerd door BRUSA in Zwitserland. De karakteristieke curve van HSM1-10.18.22 is zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Het maximale vermogen is 220 kW en het maximale koppel is 460 Nm, maar het volume is slechts 24 liter (30 cm in diameter en 34 cm lang) en weegt ongeveer 76 kg. De vermogensdichtheid en koppeldichtheid zijn in principe vergelijkbaar met de producten van Tesla. Natuurlijk is de prijs niet goedkoop. Deze motor is voorzien van een frequentieomvormer en de prijs ligt rond de 11.000 euro.
Voor de vraag naar elektrische voertuigen is de accumulatie van motortechnologie volwassen genoeg. Wat momenteel ontbreekt is een motor die specifiek is ontworpen voor elektrische voertuigen, en niet de technologie om zo’n motor te maken. Er wordt aangenomen dat met de geleidelijke volwassenheid en ontwikkeling van de markt motoren met een hoge vermogensdichtheid steeds populairder zullen worden en dat de prijs steeds dichter bij de mensen zal komen te staan.
Voor de vraag naar elektrische voertuigen is er momenteel alleen een tekort aan motoren die speciaal zijn ontworpen voor elektrische voertuigen. Er wordt aangenomen dat met de geleidelijke volwassenheid en ontwikkeling van de markt motoren met een hoge vermogensdichtheid steeds populairder zullen worden en dat de prijs steeds dichter bij de mensen zal komen te staan.
Het onderzoek naar elektrische voertuigen moet terug naar de essentie. De essentie van elektrische voertuigen is veilig en betaalbaar transport, niet een laboratorium voor mobiele technologie, en het hoeft niet noodzakelijkerwijs gebruik te maken van de meest geavanceerde en modieuze technologie. Uiteindelijk moet het worden gepland en ontworpen in overeenstemming met de behoeften van de regio.
De opkomst van Tesla heeft mensen laten zien dat de toekomst aan elektrische voertuigen moet liggen. Hoe de toekomstige elektrische voertuigen eruit zullen zien en welke positie China in de toekomst in de elektrische voertuigindustrie zal innemen, is nog onbekend. Dit is ook de charme van industrieel werk: in tegenstelling tot de natuurwetenschappen vereist zelfs het onvermijdelijke resultaat dat wordt aangegeven door de wetten van de sociale wetenschappen dat mensen dit bereiken door moeizaam onderzoek en inspanning!
(Auteur: promovendus in de techniek van elektrische voertuigen aan de Technische Universiteit van München)
Posttijd: 24 maart 2022