Eindwerk Middelbaar Hybride en Elektrisc

Vrije Technische Scholen

Hybride en

elektrische wagens

Matthias Bekaert

Hybride en elektrische wagens

2


3

Vrije Technische Scholen

Hybride en

elektrische wagens Is dit de toekomst?

Matthias Bekaert 2012-2013

6e technische Industriële Wetenschappen

M. De Wilde, M. Van Vlaenderen, M. Desmyter


4

Voorwoord

Beste lezer,

Ik heb als onderwerp van mijn Geïntegreerde Proef (GIP) elektrische en hybride wagens gekozen.

Omdat de huidige milieuproblemen mij erg interesseren en ik er iets aan wil veranderen. Iets anders

wat mijn interesse altijd opwekt zijn mooie auto’s. Daarom wou ik deze twee zaken combineren.

Ik zou graag mijn mentoren, meneer Desmyter en meneer Van Vlaenderen bedanken, omdat ze mij

hebben bijgestaan met raad en daad bij het maken van dit werk. Verder wil ik alle mensen bedanken

die mij hebben geholpen met het verzamelen van informatie.

Ook meneer De Wilde zou ik graag bedanken voor het controleren van mijn Franse PowerPoint

presentatie. Tenslotte zou ik graag mijn ouders en mevrouw Nimmegeers bedanken, die zich hebben

opgeofferd als proeflezers.

Matthias Bekaert

6TIW, VTS


5

Inhoud Voorwoord .............................................................................................................................................. 4

Inleiding. Elektrisch of hybride: wat wordt de toekomst? ...................................................................... 9

1. De geschiedenis ................................................................................................................................. 10

1. a. De geschiedenis van de elektrische wagen ............................................................................... 10

1. b. De geschiedenis van de hybride wagen .................................................................................... 13

2. Verschil tussen een hybride en een elektrische wagen .................................................................... 14

3. Wat is een elektrische wagen? .......................................................................................................... 15

3. a. Werking van een elektrische wagen. ......................................................................................... 15

3. a. 1. Wat is het verschil tussen elektrische wagens en andere wagens. ................................... 15

3. a. 2. Oplaadmanieren van elektrische wagens. ......................................................................... 15

3. a. 3. Oplaadtijden ...................................................................................................................... 16

3. a. 4. Soorten accu’s.................................................................................................................... 16

3. a. 5. Vergelijking van de accu’s .................................................................................................. 16

3. a. 6. Werking van de elektromotor ........................................................................................... 17

3. a. 7. Verschillende elektromotoren ........................................................................................... 17

3.a.8. Overzicht elektromotoren per model ................................................................................. 21

3. b. Voordelen van elektrische wagens ............................................................................................ 23

3. b. 1. Milieu ................................................................................................................................. 23

3. b. 2. Onuitputbaar ..................................................................................................................... 24

3. b. 3. Goedkope ‘brandstof’ ........................................................................................................ 25

3.c. Nadelen van elektrische wagens ................................................................................................ 26

3.c.1. Kostprijs batterij .................................................................................................................. 26

3.c.2. Oplaadtijd ............................................................................................................................ 26

3.c.3. Beperkte actieradius ............................................................................................................ 27

3.d. Kosten elektrische wagen .......................................................................................................... 28

3.d.1. Aanschafprijs ....................................................................................................................... 28

3.d.2. Kostprijs verbruik ................................................................................................................ 28

3.d.3. Subsidies .............................................................................................................................. 29

3.d.4. Onderhoud en herstellingswerken ...................................................................................... 30

3.d.5. Verzekering .......................................................................................................................... 30

3.d.6. Conclusie ............................................................................................................................. 31

4. Wat is een hybride wagen? ............................................................................................................... 33

4.a. Hoe werkt een hybride wagen? ................................................................................................. 33


6

4.a.1. Wat verstaan we onder een hybride wagen? ..................................................................... 33

4.a.2. Verschillende types hybride wagens ................................................................................... 33

4.b. Voordelen van hybride wagens .................................................................................................. 38

4.b.1. Voordelen van de serie hybride .......................................................................................... 38

4.b.2. Voordelen van de parallel hybride ...................................................................................... 38

4.b.3. Voordelen gecombineerd hybride ...................................................................................... 38

4.c. Nadelen van hybride wagens ..................................................................................................... 39

4.c.1. Nadelen van de serie hybride .............................................................................................. 39

4.c.2. Nadelen van de parallel hybride .......................................................................................... 39

4.c.3. Nadelen van de gecombineerde hybride ............................................................................ 39

5. Bespreking Toyota Prius 2 ................................................................................................................. 40

5.a. Inleiding ...................................................................................................................................... 40

5.a.1. Gegevens Toyota Prius THS type 2 ...................................................................................... 40

5.b. HV ECU........................................................................................................................................ 41

5.b.1. Systeembewaking ................................................................................................................ 43

5.b.2. Uitschakel controle .............................................................................................................. 43

5.b.3. Bergopwaartse assistent ..................................................................................................... 43

5.b.4. Motor tractie controle......................................................................................................... 44

5.b.5. Algemeen Relais Systeem (System Main Relay, SMR) ........................................................ 47

5.c. Motor ECU controle .................................................................................................................... 49

5.d. De accu’s..................................................................................................................................... 50

5.e. Vermogen regeleenheid ............................................................................................................. 52

5.e.1. De spanningsverhoging converter of boost converter ........................................................ 52

5.e.2. De inverter ........................................................................................................................... 52

5.e.3. De DC/DC converter ............................................................................................................ 52

5.f. De benzinemotor ........................................................................................................................ 54

5.f.1. Werking van de benzine motor ............................................................................................ 54

5.f.2. Het (p,V)-diagram ................................................................................................................. 56

5.f.3. Verhouding tussen thermisch rendement en de compressieverhouding ........................... 60

5.f.4. Prius motor ........................................................................................................................... 62

5.g. Permanente magneet synchrone motor (PMSM) ...................................................................... 69

5.g.1. Permanente magneet synchrone motor versus klassieke DC motor .................................. 69

5.g.2. Permanente magneet synchrone motor versus inductiemotor .......................................... 69

5.g.3. Borstelloze motoren ............................................................................................................ 69


7

5.g.4. Werking ............................................................................................................................... 70

5.g.5. Specificaties van de generator en de elektromotor ............................................................ 70

6. Veiligheid bij het werken aan elektrische voertuigen. ...................................................................... 71

6.a. Veiligheidsvoorschriften. ............................................................................................................ 71

6.a.1. Niveau 1. .............................................................................................................................. 71

6.a.2. Niveau 2 ............................................................................................................................... 72

6.a.3. Niveau 3 ............................................................................................................................... 73

7. SWOT-analyse .................................................................................................................................... 74

7.a. SWOT-analyse voor elektrische wagens ..................................................................................... 74

7.a.1. Strength, sterkte .................................................................................................................. 74

7.a.2. Weakness, zwakte ............................................................................................................... 75

7.a.3. Opportunities, opportuniteiten ........................................................................................... 75

7.a.4. Threats, bedreigingen .......................................................................................................... 75

7.b. SWOT-analyse voor hybride wagens .......................................................................................... 76

7.b.1. Strength, sterkte .................................................................................................................. 76

7.b.2. Weakness, zwakte ............................................................................................................... 76

7.b.3. Opportunities, opportuniteiten........................................................................................... 76

7.b.4. Threats, bedreigingen ......................................................................................................... 76

7.c. SWOT-analyse: conclusie ............................................................................................................ 77

Besluit .................................................................................................................................................... 78

Bijlagen .................................................................................................................................................. 79

Bijlage 1: Eerste praktische proef ...................................................................................................... 79

Benodigdheden ............................................................................................................................. 79

Bouwplan ....................................................................................................................................... 79

Werking ......................................................................................................................................... 81

Bijlage 2: Bespreking planetair tandwielstelsel ................................................................................. 82

Planetair tandwielstelsel in de Prius ............................................................................................. 82

Overbrengingsverhouding in het planetair tandwielstelsel .......................................................... 84

Bijlage 3: De batterij .......................................................................................................................... 96

Inleiding ......................................................................................................................................... 96

Redoxreacties en elektrochemie ................................................................................................... 96

Principe van een batterij ............................................................................................................... 97

Batterijen en brandstofcellen ...................................................................................................... 100

Hoe werkt een herlaadbare batterij? .......................................................................................... 101


8

De lithium ion batterij (Li-ion) ..................................................................................................... 102

De lood batterij............................................................................................................................ 103

De nickel-methaalhybride batterij (NiMH) .................................................................................. 104

Bijlage 4: Tweede praktische proef ................................................................................................. 105

Benodigdheden ........................................................................................................................... 105

Bouwplan ..................................................................................................................................... 105

Bijlage 5: Derde praktische proef .................................................................................................... 106

Systeem ....................................................................................................................................... 106

Opbouw telegram........................................................................................................................ 106

DATA-overdracht ......................................................................................................................... 107

CAN-Gateway .............................................................................................................................. 108

Metingen ..................................................................................................................................... 108

Overzicht figuren ................................................................................................................................. 113

Overzicht tabellen ............................................................................................................................... 115

Bronnen ............................................................................................................................................... 116

Websites .......................................................................................................................................... 116

Bedrijven ......................................................................................................................................... 116

Magazines ........................................................................................................................................ 116

Boeken ............................................................................................................................................. 116

Cursussen ........................................................................................................................................ 116

Eindwerken ...................................................................................................................................... 117


9

Inleiding. Elektrisch of hybride: wat wordt de toekomst?

De 100% elektrische wagen, die zijn energie van uit het stopcontact haalt, heeft verre van de markt

veroverd. Volgens de cijfers van Febiac werden tijdens de eerste helft van 2012 welgeteld 428

elektrische auto’s ingeschreven. In deze cijfers zijn de verkoopsresultaten van de Opel Ampera en

Chevrolet Volt niet opgenomen, omdat deze technisch identieke GM-producten over een benzine-

motor als ‘range-extender’ beschikken om tijdens het rijden elektriciteit op te wekken.

Van alle 100% elektrische voertuigen werd slechts een beperkt aantal exemplaren aan particulieren

verkocht. De grootste interesse kwam van bedrijven, die hierin een ideaal transportmiddel voor korte

verplaatsingen zien.

De hybride wagen ging tijdens dezelfde periode 2559 keer over de toonbank. Dat is nog altijd minder

dan 0,1% van de verkoop. Is hierdoor de elektrische en hybride wagen ten dode opgeschreven?

Helemaal niet, dat is wat ik heb onderzocht in dit werk.

Ik heb het geluk gehad om bij verschillende bedrijven informatie te verkrijgen die ze normaal gezien

niet met derden delen.

In het volgende werkstuk vindt u informatie over de werking van elektrische en hybride wagens, met

elk hun voor- en nadelen. Om dan ten slotte te concluderen dat er nog werk aan de winkel is, maar

dat deze wagens waarschijnlijk niet meer uit de markt zijn weg te slaan.


10

1. De geschiedenis

1. a. De geschiedenis van de elektrische wagen

Figuur 1: De geschiedenis van de elektrische wagen.

De geschiedenis van de elektrische auto begint reeds in 1835. Toen ontwierp de Nederlander

Sibrandus Stratingh een eerste elektrische auto op schaal. Hetzelfde jaar nog bouwt Thomas

Davenport de eerste echte elektrische wagen. De ontwikkeling van een door een batterij gevoede

elektrische wagen liep gedurende de 19e eeuw parallel met die van de stoomauto. Einde 19e eeuw

doken de eerste elektrische personenwagens op. Toen was er nog maar nauwelijks sprake van

commerciële benzinewagens. Er waren op dat moment twee type wagens die veel werden gebruikt:

de stoomauto en de elektrische auto. De bloei van de elektrische auto bleef zelfs niet beperkt tot het

Europese vasteland, toen het ‘centrum’ van de wereld. Vanaf 1890 werd de elektrische auto steeds

meer gebruikt op het Amerikaanse continent. Begin 20e eeuw was het hoogtepunt van de

Amerikaanse elektrische wagen.

Figuur 2: De elektrische wagen omstreeks 1903.


11

De massaproductie van de benzinewagen van Henry Ford riep de opgang van de elektrische wagen

een halt toe. Hoewel de benzinewagen een minder veilige wagen was, en is, werd deze steeds

populairder. Tegen 1910 was de elektrische wagen zelfs al volledig uit de markt verdrukt. De

reikwijdte van de elektrische wagen was te beperkt. Het opladen van de batterij was nog moeilijker

dan nu, omdat de bevoorrading van het elektrische net niet goed was uitgebouwd. Ook de kostprijs

van de benzinewagen speelde een rol in de ondergang van de elektrische wagen. De benzinewagen

kostte slechts een derde van een elektrische, en de brandstofprijs was dankzij de ontdekking van

omvangrijke olievelden in Texas ook gekelderd. Nog een voordeel voor de verbrandingsmotor is de

uitvinding van de elektronische starter, want dat maakte de benzinemotor aanzienlijk veiliger. De

elektromotor evolueerde in tegenstelling tot de brandstofmotor zeer traag. Er werd slechts aandacht

geschonken aan elektrische voertuigen (EV’s) gedurende periodes van brandstoftekort, zoals WOII en

de oliecrisis van de jaren ’70. Eind van de 20e eeuw kwam de elektrische wagen weer op, vooral in

Californië (US). Het Californische ‘Zero Emission Vehicle (ZEV) Mandate’ verplichtte alle

autoconstructeurs om wagens te ontwerpen en op de markt te brengen die geen uitstoot

produceren. General Motors ontwierp de populaire accugebaseerde EV1. Grootschalige productie

kwam er echter nooit, doordat het ZEV mandaat afzwakte. De Californische regering kwam onder

druk te staan door de olie- en automobielindustrie, dit betekende eveneens het einde voor de EV1.

Figuur 3: EV1 kende zijn absoluut hoogtepunt in 1996, vandaag is hij helemaal verdwenen.

Vandaag de dag groeit de belangstelling voor elektrische wagens echter opnieuw. De voornaamste

redenen hiervoor zijn te zoeken in de stijgende prijs van de aardolie en het groeiende besef dat de

CO2-uitstoot van verbrandingsmotoren bijdraagt tot de opwarming van de aarde. Al Gore schudde in

2005 met zijn documentaire ‘An Inconvenient Truth’ de wereld wakker.

Op verschillende vlakken gebeurt onderzoek naar alternatieven voor de huidige personenwagens:

batterijgevoede elektrische voertuigen, plug-in hybride wagens en brandstofcelvoertuigen (FCV: Fuel

Cell Vehicles). Begin 21e eeuw maakte het Witte Huis, na veel lobbywerk van de autoconstructeurs,

geld vrij voor onderzoek naar FCV. Het is echter nog wachten op grootschalige productie hiervan.

Van de batterijgevoede elektrische voertuigen (BEV) zijn daarentegen reeds verschillende modellen

op de markt. De eerste echte bekende was de Tesla Roadster in 2006. Dit is een elektrische


12

sportwagen. De beperkte oplage (er zijn er maar 2300 van gemaakt) en het prijskaartje dat aan deze

wagen hangt (zo’n 90 000$ voor de goedkoopste versie), zorgen voor geen grote doorbraak.

Figuur 4: Tesla Roadster: een hoog performante elektrische sportwagen.

Hoe vreemd het ook lijkt, de elektrische wagens hebben hun nieuwe doorbraak ook deels te danken

aan de huidige wereldcrisis. Deze crisis treft naast de financiële instellingen vooral de

autofabrikanten (GM, Chrysler, Ford etc.). Barack Obama heeft in 2009 dan ook enkel nog maar

financiële steun gegeven aan deze bedrijven als ze zich toespitsten op de wagen van de toekomst,

wat voor velen de BEV is. Hierdoor hebben we de dag van vandaag een redelijk groot aanbod aan

elektrische wagens. Zo is er de Z.E. (zero emission) reeks van Renault, de i-Miev van Mitsubishi

enzovoort. De elektrische wagen is dus terug van weggeweest.

Weetje: In 1898 bouwde de Belg Camille Jenatzy 'La jamais Contente', een elektrische wagen en

tevens de eerste wagen die sneller reed dan 100 km/uur. Het halen van deze fenomenale grens heeft

waarschijnlijk ook te maken met de aerodynamische vorm van de wagen.

Figuur 5: La Jamais Contente met Camille Jenatzy.


13

1. b. De geschiedenis van de hybride wagen

De hybride wagen werd door Ferdinand Porsche uitgevonden in 1899. Ludwig Lohner gaf hem toen

de opdracht om een auto te ontwerpen die veel langer kon rijden, en veel zachter reed. Deze auto

werd de Lohner Porsche genoemd. Ongeveer tegelijkertijd werd er in België een vrij geavanceerde

wagen op de markt gebracht door Henri Pieper. Deze wagen valt qua werking zeer goed te

vergelijken met de hedendaagse serie hybride auto’s.

Figuur 6: De Toyota Prius zorgde voor een doorbraak van hybride wagens.

De hybride auto kende pas in 1997 een grote doorbraak. Dit omdat Toyota de Prius op de markt

bracht. 2 jaar later volgde Honda met zijn Insight. De laatste tijd neemt de verkoop van hybride

auto’s sterk toe, terwijl er in de rest van de auto-industrie een ware recessie is. In 2007 bijvoorbeeld

ging de Prius 1 miljoen keer over de toonbank, terwijl dat in 2009 er al ruim 2 miljoen waren. Dit is

voornamelijk te verklaren door de stijgende olieprijzen.


14

2. Verschil tussen een hybride en een elektrische wagen

Er zijn al heel veel verschillen tussen elektrische wagens onderling en hybride wagens onderling.

Daarom beperk ik mij hier tot de meest voorkomende vorm van beiden, en ga ik dieper in op de

eigen verschillen in hun eigen hoofdstuk.

De meest voorkomende vorm van hybride motoren is de combinatie tussen een verbrandingsmotor

en een elektromotor die wordt aangedreven door een accu van grotere capaciteit. Het accu wordt

aangedreven door de verbrandingsmotor.

Er zijn ook verschillende soorten elektrische wagens, maar de meest verkochte is de ‘plug-in’. Deze

wordt aangedreven door een elektromotor en een batterij met grote capaciteit. Bij deze wagens

wordt de accu opgeladen met behulp van het elektriciteitsnet. Vandaar ook de naam, men plugt als

het ware de auto in het elektriciteitsnet.

Eigenschappen Hybride wagen Elektrische wagen

Aandrijfmethode Verbrandingsmotor

Elektromotor + accu met redelijke

capaciteit

Elektromotor + accu met grote

capaciteit

Oplaadmethode Verbrandingsmotor door te tanken

Accu door de verbrandingsmotor/remmen

Accu aansluiten op

elektriciteitsnet

Remmen

CO2 uitstoot Laag Geen

Tabel 1: Vergelijking tussen een hybride en een elektrische auto.


15

3. Wat is een elektrische wagen?

3. a. Werking van een elektrische wagen.

3. a. 1. Wat is het verschil tussen elektrische wagens en andere wagens.

De meest gebruikte wagens zijn nog steeds de wagens met een verbrandingsmotoren. Bij deze

motoren maakt men ook nog een onderscheid tussen benzinemotoren, dieselmotoren, lpgmotoren,

enz.

In elektrische wagens werkt men niet met verbrandingsmotoren, maar met elektromotoren. Deze

motoren worden aangedreven door accu’s.

Natuurlijk bestaan er nog verschillende elektrische wagens, zoals men ook de wagen op zonne-

energie kent, maar deze bespreek ik bondig in het onderdeel over de verschillende soorten

elektrische auto’s.

3. a. 2. Oplaadmanieren van elektrische wagens.

De batterijen van een elektrische auto moeten regelmatig opgeladen worden. Dit kan op

verschillende manieren gebeuren. Onder andere door de elektrische wagen thuis in het stopcontact

te stoppen. Dit is wel de langst durende oplaadwijze.

Een andere manier om de accu op te laden is om de auto aan te sluiten op een openbare laadpaal,

ook wel snellader genoemd. Deze zijn nog niet zo wijdverspreid waardoor het niet zo interessant is.

Sommige fabrikanten leveren zo’n laadpaal bij de auto, al dan niet tegen betaling.

Tesla is op dit moment ook als eerste mini windturbines aan het testen om de auto op te laden. Deze

windturbines worden ingebouwd onder de motorkap, en door de wind die men gebruikt voor het

koelen van de motor draaien deze turbines rond. Deze turbines zullen waarschijnlijk voor het eerst

gebruikt worden in hun model x.


16

3. a. 3. Oplaadtijden

Er zijn grote oplaadtijdverschillen tussen de verschillende oplaadmethodes, maar ook tussen de

merken onderling.

Hieronder ziet u een overzichtje van verschillende oplaadtijden met de bijhorende methode en het

bijhorende model. Natuurlijk zijn deze oplaadtijden afhankelijk van het aantal Ampère dat er naar de

accu vloeit.

Model Methode Oplaadtijd

Peugeot ION Elektriciteitsnet 6 tot 9 uur

Mitsubishi i-Miev Elektriciteitsnet 6 tot 8 uur

Mitsubishi i-Miev Snellader Ongeveer 30 minuten (80%)

Volvo C30 Elektriciteitsnet 12u (bij 10A)

Tesla Roadster, Model S Superlader 30 minuten

Tesla Roadster, Model S Elektriciteitsnet 6 tot 8 uur

BMW i3 Elektriciteitsnet 6 uur

Renault Fluence Z.E. Elektriciteitsnet 6 tot 8 uur

Tabel 2: Overzicht van de verschillende oplaadtijden.

3. a. 4. Soorten accu’s1

Alle accu’s die op het moment van schrijven in elektrische wagens worden gebruikt, zijn lithium-ion

batterijen. Ze verschillen dus enkel in hun voltage en in hun batterij energie (kWh). Dit laatste maakt

vooral het verschil in kostprijs van de batterij.

3. a. 5. Vergelijking van de accu’s

In de tabel hieronder vindt u een overzicht van verschillende accu’s voor elektrische wagens.

Model Accu type kWh

Peugeot ION 34B19L(S)

Mitsubishi i-Miev Lithium ion 400V 16

Volvo C30 Lithium ion 400V 23,1

Tesla Roadster Lithium ion 380V 85

BMW i3 Lithium ion 400V 42,6

Renault Fluence Z.E. Lithium ion 400V 22

Tabel 3: Overzicht van verschillende accu's met bijhorende kostprijs en hun kWh.

1 Bijlage 3 geeft meer informatie over de werking van de accu’s en specifiek lithium ion batterijen.


17

Zoals uit de tabel hier boven duidelijk blijkt, is de batterij van de Tesla Roadster verruit de beste. De

Roadster is dan ook een sportwagen die al gauw € 100 000 kost. Door zijn krachtige motor trekt de

Roadster sneller op dan een Ferrari F40.

In de tabel hierboven wordt de eenheid kWh gebruikt. Deze eenheid staat voor het aantal Watt dat

verbruikt wordt per uur.

3. a. 6. Werking van de elektromotor

Het spreekt vanzelf dat een elektrische wagen niet met een verbrandingsmotor wordt aa gedreven

maar met een elektromotor. Daarom wordt hieronder de werking van de elektromotor verklaard.

De elektromotoren die men in elektrische wagens plaatst, werken altijd op basis van magnetisme.

Binnen deze groep van elektromotoren, maakt men dan nog het onderscheid tussen wisselstroom

(AC) en gelijkstroom (DC) motoren. Er is nog een derde groep de universeelmotor (AC/DC). Deze

wordt niet gebruikt bij elektrische voertuigen vandaar dat we deze hier dan ook niet bespreken.

Algemeen

Het omzetten van elektrische energie naar mechanische energie wordt gedaan door middel van

magnetisme. Door de elektrische energie wordt een magnetisch veld gecreëerd, waardoor een spoel

wordt aangetrokken en gaat bewegen of roteren.

3. a. 7. Verschillende elektromotoren

Permanent magneet gelijkstroommotor

De permanent magneet gelijkstroommotor (PMDC) werd eind 19e eeuw het meest gebruikt in

elektrische wagens. De werking wordt op de afbeelding hieronder voorgesteld. De PMDC bestaat uit

een stator en een rotor. De stator is het niet bewegende deel van de motor, en de rotor, ook wel

anker genaamd, het bewegende of roterende deel. De stator is een koker met een magneet (1) met

noord- en zuidpool. De rotor moet rond kunnen draaien in de stator waarbij op de afbeelding de

bronzen staaf de wikkelingen, of de spoel (2) voorstelt. (Hier is er maar één wikkeling getekend voor

de duidelijkheid, maar in echte motoren gebruikt men veel meer wikkelingen.) Spoelen zijn

uitstulpsels van de rotor, bestaande uit koperdraad, waardoor deze magnetisch worden als er stroom

door de koperdraad gaat lopen.

In figuur 3.1 stelt (3) het sleepcontact voor, dat de stroomkabels van de stroombron (4) verbindt met

de spoel.


18

Figuur 7: De onderdelen van de elektromotor.

Wanneer de noordpool van de stator tegen de noordpool van de rotor ligt, en er wordt stroom op de

rotor gezet, zal de rotor magnetisch worden en gaan draaien (de noordpool van de rotor wil naar de

zuidpool van de stator en andersom omdat gelijke polen elkaar afstoten). Wanneer de noordpool van

de rotor bij de zuidpool van de stator is gekomen – de rotor heeft inmiddels dus een halve

omwenteling gemaakt - zal de stroom binnen de rotor omgedraaid moeten worden: de noordpool

van de stator is eerst aangetrokken door de zuidpool van de stator, maar zal veranderen in een

zuidpool en zal nu worden afgestoten tot deze gedraaid is naar de noordpool van de stator. Na deze

halve cirkel draait de stroom weer om en op die manier maakt de rotor een draaiende beweging.

Maar vermits we het hier hebben over een permanent magneet gelijkstroommotor moet de

gelijkstroom worden omgezet in wisselstroom. Dit gebeurt door middel van een collector met

borstels. De collector is gemaakt van koper, de borstels van grafiet.

Er bestaan ook permanente magneet gelijkstroommotoren zonder borstels, maar omdat deze niet

werden gebruikt in elektrische wagens, worden deze hier niet besproken.


19

Synchroonmotor (AC)

Dit type motor lijkt op de borstelloze permanent magneet gelijkstroommotor, ook hier bevat de

rotor permanente magneten en de stator spoelen. Het verschil is echter dat deze motor alleen werkt

op wisselspanning waardoor de synchroonmotor ook geen sensor/transistor of borstels nodig heeft.

De stroomrichting draait namelijk automatisch al om. Omdat de stator de wisselende richting van het

magneetveld precies volgt, loopt de motor synchroon met de frequentie van de wisselspanning.

Vandaar de naam.

Als de motor te zwaar belast wordt, kan de rotor de wisselingen van de wisselspanning niet meer

aan, raakt als het ware 'de tel kwijt' en zal stil blijven staan.

Het voordeel van de synchroonmotor is dat die compacter is dan de PMDC, maar vermits batterijen

gelijkstroom produceren, heeft men bij het gebruik van een synchroonmotor ook een omvormer

nodig die de gelijkstroom omzet naar wisselstroom. Maar deze motor is zoveel compacter dan de

PMDC dat men tegenwoordig enkel nog maar deze motoren gebruikt in elektrische wagens.

Men gebruikt in elektrische wagens wel nog verschillende types synchroonmotoren. Met dit type

bedoelt men hoeveel synchroonmotoren er worden gebruikt en om welke as aan te drijven.


20

1 synchroonmotor

Dit is de meest voorkomende vorm in elektrische wagens. Men gebruikt 1 batterijpakket dat ook

maar 1 motor voorziet van stroom. Deze motor kan zowel de vooras als de achteras aandrijven. Deze

laatste is wel de meest algemene.

Figuur 8: Principeschema van een elektrische wagen met één synchroonmotor

De accu is met 2 draden verbonden met de omvormer omdat de accu gelijkspanning levert. De

omvormer is met 3 draden verbonden met de elektromotor, omdat de omvormer de gelijkspanning

omzet naar een driefasige synchroonmotor.

Figuur 9: Motor Mitsubishi i-Miev.


21

4 synchroonmotoren

Bij dit type van elektrische wagens gebruikt men 4 synchroonmotoren die elk 1 wiel aandrijven. Men

blijft wel met 1 batterijpakket werken.

Figuur 10: Principeschema van een elektrische wagen met vier synchroonmotoren

3.a.8. Overzicht elektromotoren per model

Model Maximumkoppel

Mitsubishi iMiev 180 Nm

Renault Fluence Z.E. 226 Nm

Tabel 4: Overzicht van enkele modellen met het maximumkoppel van hun elektromotor.

In de bovenstaande tabel vindt u het maximum koppel van enkele elektrische motoren. Het

maximum koppel wordt als volgt uitgerekend.

Het maximumkoppel is een kracht die inwerkt op een punt, vermenigvuldigd met de afstand van

deze kracht tot het punt.

We krijgen dus:

MPF=F•r

Waarbij: MPF = moment tegenover het punt P (Nm)

F = kracht (N)

r = loodrechte afstand van punt P tot kracht F (m)


22

Vermits we F en r kunnen voorstellen als een drie dimensionale vector krijgen we:

MPF=��MPF�x² + �MPF�y² + �MPF�z²

Met: (MPF)x = ry•Fz-rz•Fy

(MPF)y = rz•Fx-rx•Fz

(MPF)z = rx•Fy-ry•Fx

Waarbij : r = loodrechte afstand van de kracht op de genoemde as (x, y, z) tot het punt P (m)

F = de kracht op de genoemde as (x, y, z) (Nm)

Daaruit volgt dat (MPF)(x, y, z) = het moment tegenover de genoemde as (Nm).

MPF is hieruit de logische samenstelling van alle momenten ten opzichte van het punt P met behulp

van Pythagoras.


23

3. b. Voordelen van elektrische wagens

3. b. 1. Milieu

Steeds vaker wordt er gezegd dat de aarde opwarmt, onder andere door dat we veel te veel met de

auto rijden. Als men dit zegt doelt men niet op elektrische wagens maar op wagens met een

verbrandingsmotor. Deze zijn op verschillende manieren slecht voor het milieu.

a. CO2

Auto’s met verbrandingsmotoren stoten veel CO2 uit. Een gezinswagen zoals een Opel Astra die

20 000 km rijdt, stoot meer dan 3 ton CO2 uit. Dit terwijl een elektrische wagen geen CO2- uitstoot

heeft. CO2 is mee verantwoordelijk voor de opwarming van de aarde.

We onderscheiden 3 verschillende classificaties in wagens met een verbrandingsmotor, om aan te

duiden hoeveel gram CO2 ze uitstoten.

Klasse A tot 150 gram/km

Klasse B tot 175 gram/km

Klasse C tot 250 gram/km

b. Roet

Dieselmotoren stoten heel veel roet uit. Daarom dat ze in België ook verplicht een roetfilter moeten

hebben. Deze roetfilter houdt een deel roet tegen, en zorgt ervoor dat het roet dat de roetfilter

passeert aanzienlijk kleinere deeltjes zijn. En het roet dat toch in de atmosfeer terechtkomt

vermindert de luchtkwaliteit aanzienlijk.


24

c. Fijn stof

Verbrandingsmotoren stoten heel wat fijn stof uit. Dit fijn stof ademen we in, waardoor dat in onze

longen terecht komt. Dit is dan weer de oorzaak voor veel longziekten en veroorzaakt soms ook

hartinfarcten, waardoor de levensverwachting daalt. Vlaanderen, het zuiden van Nederland en het

Ruhrgebied zijn trouwens de plaatsen waar het meeste stof in de lucht hangt van heel Europa. We

doen maar net beter dan steden zoals Hong Kong.

Figuur 11: Verspreiding van het fijn stof in Europa in µg/m³

3. b. 2. Onuitputbaar

Eenmaal de elektriciteit die op het net zit 100% groen is, zal elektriciteit onuitputbaar zijn. Dit in

tegenstelling met de olievoorraden die steeds krimpen.

Figuur 12: Overzicht van het krimpen van de olievoorraden met een voorspelling tot 2050.

De verticale as duidt het aantal miljoen kubieke meter olie aan dat er (vermoedelijk) in de bodem zit.

De horizontale as duidt het jaartal aan van de schatting, dit met een prognose tot 2050.


25

3. b. 3. Goedkope ‘brandstof’

In vergelijking met benzine en diesel is elektriciteit spotgoedkoop. Een gezinswagen zoals de Opel

Astra gebruikt al vlug 5 à 6 liter benzine of diesel per 100 km. En dat kost dus al vlug 8 à 9 euro. Dat

terwijl 100 km elektrisch rijden nog geen 2 euro kost. Een elektrische auto die dus 20 000 km per jaar

rijdt, bespaart dus gemakkelijk 1200 euro per jaar.

Een dieselwagen heeft een energiewaarde van 10 290 kcal.

Een elektrische wagen heeft daarentegen een energiewaarde van ongeveer 15 kW.

En vermits 1 kcal/kg = 0,0012 kW heeft een dieselwagen een energiewaarde van 12,348 kW. Dus

eigenlijk is de energiewaarde van een elektrische wagen hoger dan die van een dieselwagen.


26

3.c. Nadelen van elektrische wagens

3.c.1. Kostprijs batterij

Probleem

Batterijen voor elektrische wagens kosten veel in vergelijking met de rest van de wagen. Deze

kostprijs wordt veroorzaakt doordat de gebruikte accu’s lithium ion batterijen zijn. Batterijen zijn op

zich al duur, maar lithium ion batterijen zijn nog een stuk duurder.

Mogelijke oplossingen

Een mogelijke oplossing voor dit systeem zou het zogenaamde ‘leasen’ van batterijen kunnen zijn.

Dan huurt de eigenaar van een wagen de batterij van de constructeur. Daardoor betaalt men in het

begin niet zo veel voor de wagen, maar betaalt men elke maand een bepaald bedrag aan de

autoconstructeur. Dan betaalt de eigenaar voor de batterij in plaats van voor de benzine of diesel. Er

zijn al enkele distributeurs die dat zo aanpakken, maar nog niet in België. Renault is bezig met het

opstarten van zo’n systeem. Dat systeem zou samen worden gelanceerd met het ‘Click and Drive

System’ (zie verder).

3.c.2. Oplaadtijd

Probleem

Batterijen hebben veel tijd nodig om te herladen, terwijl de tank van een wagen met een

verbrandingsmotor op minder dan een kwartier gevuld is.


De beste oplossing is ongetwijfeld het ‘Click and Drive System’ van Renault. Dit systeem houdt in dat

eigenaars van een elektrische Renault het batterijpakket van hun wagen niet kopen, maar huren.

Buiten de gewone oplaadmethodes, zoals opladen via het net, bestaat er nog een andere manier.

Hierbij laadt men de batterij in de wagen niet op, maar klikt men de lege batterij uit het voertuig en

stopt men er een volle batterij voor in de plaats. Op vijf minuten worden de batterijen gewisseld en

kan de eigenaar verder rijden. Dit heeft drie grote voordelen. Ten eerste betaalt men niet voor de

batterij, men huurt ze slechts. Het tweede voordeel is dat de eigenaar geen last heeft van de lange

oplaadtijden van de batterijen. En het derde voordeel is misschien wel het belangrijkste, de

actieradius wordt hierdoor niet verlengd, maar het wordt wel mogelijk om op één dag meer dan 800

km af te leggen. Wat de aantrekkelijkheid van elektrische wagens verhoogt, omdat mensen er nu ook

mee op reis kunnen gaan.

Maar zoals bij alle vernieuwingen moeten er eerst wagens gekocht worden vooraleer er zwaar wordt

geïnvesteerd in de oplaadmethoden. Maar de consumenten gaan pas tot kopen overgaan indien er

makkelijk met een wagen gereden kan worden. Wat wilt zeggen dat er eerst ‘Click and Drive’ stations

zouden moeten komen.


27

3.c.3. Beperkte actieradius

Probleem

Door het rendement van het batterijpakket hebben elektrische wagens maar een beperkte

actieradius. Wat inhoudt dat elektrische wagens maar een beperkt aantal kilometers kunnen rijden

(150 tot 800 km, afhankelijk van model) alvorens de batterij te moeten herladen.


Indien men er in zou slagen de actieradius van elektrische wagens te vergroten, worden de

elektrische wagens een stuk aantrekkelijker om te kopen. Maar om de actieradius te verhogen, moet

ook het rendement van de batterij verhoogd worden, en dat is niet zo eenvoudig.

Ook hier is de beste oplossing het ‘Click and Drive System’. De actieradius wordt weliswaar niet

vergroot, maar de auto kan wel meer kilometers afleggen zonder te wachten tot de batterij is

opgeladen. Dit is hetzelfde systeem als met het tanken bij een auto met verbrandingsmotor.

Vermits uit de bovenste drie problemen kunnen worden opgelost door het ‘Click and Drive System’ is

dit volgens mij verruit de beste oplossing en is deze methode degene die de komende jaren volop zal

gebruikt worden om elektrisch rijden interessanter te maken voor het grote publiek.

Figuur 13: Click and Drive station aan de luchthaven van Schiphol.


28

3.d. Kosten elektrische wagen2

3.d.1. Aanschafprijs

Elektrische wagens zijn duurder dan brandstofwagens. Voor wagens in dezelfde categorie is dat toch

al snel 10 000 euro. Deze hoge kostprijs wordt veroorzaakt door de dure batterij, maar ook door de

nieuwe technologie. De onderzoekskosten van deze compleet nieuwe aandrijflijnen moeten de

volgende jaren terugverdiend worden. Ook is de productie van elektrische auto's nog niet op

hetzelfde niveau als wagens met een verbrandingsmotor. Een aantal autoconstructeurs probeert de

impact hiervan te verminderen door elektrische wagens en conventionele wagens op dezelfde lijn te

produceren.

3.d.2. Kostprijs verbruik

Elektriciteit is goedkoper dan olie. Zo betaalden we in 2012 meer dan € 1,50 voor een liter benzine,

voor een kWh groene stroom betaalden we € 0,18 tijdens de daluren. Dat zijn natuurlijk niet de enige

voorwaarden om een goede vergelijking te maken. Hieronder staan de belangrijkste vergelijkingen

opgesomd.

• Ons gevoel zegt dat we over vijf jaar waarschijnlijk meer dan 2 euro per liter diesel gaan

moeten betalen. Maar zelfs als we slechts met de inflatie rekening houden, zal de kloof

tussen olie en elektriciteit enkel nog maar vergroten. Bij een inflatie van 2 % stijgt de prijs

van elektriciteit met 0,05 euro per 100 km, en de dieselprijs zal met 0,15 euro per 100 km

stijgen.

• Voor bedrijven is elektriciteit 100% fiscaal aftrekbaar, brandstof 75%.

• Grote bedrijven kunnen kortingen krijgen op elektriciteit, maar niet op olie. Dit wordt ook

steeds meer mogelijk voor kleine bedrijven en particulieren door middel van bepaalde

groepsaankopen.

• Men kan voor elektriciteit een vast tarief laten bepalen voor 1 tot 3 jaar, dat is niet mogelijk

voor brandstof.

2 De gegevens die in dit hoofdstuk gebruikt zijn, zijn degene die eind 2012 geldig waren. Sommigen hiervan zijn

ondertussen al veranderd, waardoor elektrisch rijden fiscaal al een stuk minder interessant is tegen over 2012.


29

3.d.3. Subsidies

3.d.3.1. Ondernemingen

• De fiscale aftrekbaarheid van wagens wordt bepaald door hun CO2-uitstoot. Elektrische

wagens zijn 120% fiscaal aftrekbaar. Plug-in hybriden zijn maximaal 100% aftrekbaar en de

milieuvriendelijkste brandstofwagens zijn maximaal 90% aftrekbaar.

• De CO2-bijdrage, officieel de solidariteitsbijdrage die ondernemingen moeten betalen

wanneer een werknemer de bedrijfswagen ook privé gebruikt, is sterk CO2-gebonden.

Elektrische wagens betaalden in 2012 24,25 euro/maand. Een brandstofauto kan, afhankelijk

van het type, tientallen euro’s per maand duurder zijn.

• In Vlaanderen zijn er daar en boven nog eens bijkomende subsidies voor KMO’s die ze krijgen

bij aankoop van elektrische wagens en laadstations. Deze premie is afhankelijk van de

milieuscans, milieumanagementsystemen en ISO-certificaten die de onderneming kan

voorleggen.

• Voor zelfstandigen is een extra subsidie mogelijk bij aankoop van een elektrische wagen.

• Men voorziet voor elektrische wagens een verhoogde investeringsaftrek van 13,5% van de

aankoopprijs.

3.d.3.2. Bedrijfswagens

Wanneer een werknemer een bedrijfswagen ter beschikking krijgt, betaalt hij hierop een belasting

omdat hij gebruik maakt van extra legale voordelen. Deze belasting wordt bepaald op basis van de

forfaitair geraamde waarde. Dit wordt bepaald door de CO2-uitstoot en de nieuwwaarde van het

voertuig. De eigenaar van een elektrische wagen die € 20 000 kost betaalt ongeveer 1200 euro per

jaar. Een werknemer met een wagen van € 20 000 die 130 g CO2 per km uitstoot betaalt 1543,80

euro.

3.d.3.3. Particuliere wagens

• Als natuurlijk rechtspersoon kan men 30% van de aankoopprijs van de belastingen aftrekken,

met een maximum van 9190 euro. Deze maatregel geldt voor personen wagens en wagens

voor dubbel gebruik (bv. Kangoo Maxi Z.E.). Deze maatregel gold wel slechts tot 31 december

2012.

• Personen die in Wallonië wonen maken aanspraak op een extra Ecobonus van 3500 euro.

Deze subsidie is cumuleerbaar met de bovengenoemde belastingsvermindering.

• Als particulier ontvangt men een belastingsvermindering van 40% op de installatie van een

laadstation in de buitenlucht. Met een maximum van 250 euro.


30

3.d.4. Onderhoud en herstellingswerken

De kosten voor herstellingswerken aan elektrische wagens zijn veel kleiner dan die van conventionele

wagens of hybride wagens, omdat er veel minder elementen in de aandrijflijn zitten. Mechanische

componenten worden ook veel zwaarder belast dan elektrische componenten. Daar en boven wordt

het remsysteem bij elektrische wagens minder belast door gebruik te maken van regeneratief

remmen.

3.d.5. Verzekering

De kosten voor de autoverzekering zijn even duur voor zowel elektrische wagens als hybriden als

wagens met een verbrandingsmotor. De kostprijs van de verzekering wordt namelijk bepaald door

een hele hoop andere factoren: het profiel van de bestuurder, het aantal schadevrije jaren (de

bonus/malus), de aanschafprijs van de wagen, de dekking voor inzittenden en de geografische

dekking. Vermits de aanschafprijs van de wagen wel van de belang is, is het goedkoper om de batterij

van de wagen te leasen, daardoor gaat de kostprijs naar beneden.


31

3.d.6. Conclusie

Voor de conclusie werd onderstaand scenario gebruikt. Hieronder vergelijkt men 2 bestelwagens en

2 personenauto’s.

• Auto’s: 25 000 km/jaar, afschrijving op 3 jaar, BA-verzekering, pechverhelping Benelux.

• Afnemer: KMO, privé/zakelijk gebruik, geen milieucertificaat.

• Investering: Aankoop en verkoop, zonder lening, met een inflatie van 2%.

• Energieprijzen: 0,15 €/kWh, 1,5 €/liter diesel.

Figuur 14: Vergelijking kosten bestelwagens

Hieruit blijkt dat de totale kosten voor de werkgever per maand € 39 euro bedragen. Dit houdt in dat

er na 5 jaar € 2340 euro bespaard is. Voor de werknemer is een elektrische wagen zelfs nog veel

interessanter. Daar bespaart men per maand € 157. Na 12 maand bespaart men dus € 1884. Dit is

toch een mooie eindejaarsbonus.


32

Figuur 15: Vergelijking kosten personenwagens

Uit de bovenstaande figuur blijkt dat de werkgever hier € 47 euro per maand bespaart, na 5 jaar

betekent dit een besparing van € 2820 euro per wagen. De werknemer bespaart per maand € 93. De

‘eindejaarsbonus’ bedraagt hier dan € 1116.


33

4. Wat is een hybride wagen?

4.a. Hoe werkt een hybride wagen?

4.a.1. Wat verstaan we onder een hybride wagen?

De term hybride wagens is heel ruim. Onder hybride wagens verstaat men eigenlijk elke wagen die

twee of meer manieren gebruikt om in beweging te geraken en te blijven. Er zijn verschillende

soorten hybriden, maar de wagens die hier besproken worden, zijn wagens die een elektromotor

combineren met een verbrandingsmotor. Deze verbrandingsmotor wordt gevoed door benzine of

door diesel.

4.a.2. Verschillende types hybride wagens

Men onderscheidt drie soorten hybride wagens op vlak van de manier waarop ze zijn gebouwd. Men

kan hybriden ook onderverdelen in de mate van de hybridisatiegraad.

Onderverdeling op bouwmanier

Serie hybride

In een serie hybride drijft de verbrandingsmotor niet de wielen aan, maar een elektrische generator.

Deze elektrische generator laadt de batterij van het voertuig op, maar drijft ook de elektromotor aan.

Dus dit wil zeggen dat de elektrische motor de enige motor is die de wielen aandrijft.

Figuur 16: Schema van serie hybride wagen.

Serie hybriden worden geassisteerd door ultracondensatoren of een vliegwiel. Zo’n vliegwiel is een

ronddraaiend wiel dat gekoppeld is aan de motor (elektromotor of verbrandingsmotor) en het wiel is

in staat om energie op te nemen en bij te houden. Deze vliegwielen leveren de bijgehouden energie

tijdens het versnellen van het voertuig. Tijdens het remmen nemen ze dan weer overbodige energie

op. Deze energie zou anders tijdens het remmen verloren gaan. Nu kan het hybride voertuig de

energie halen uit het vliegwiel of de condensator, wanneer dit gewenst is.


34

Sommige voertuigen gebruiken in plaats van één grote elektromotor voor elk wiel een aparte

elektromotor. Dit systeem heeft voordelen en nadelen.

Nadelen Voordelen

Massa neemt toe.

Vermindert de rijprestaties.

Vereenvoudigde aandrijving.

Vloer kan lager liggen, handig voor bussen.

Tabel 5: Nadelen en voordelen van motorische integratie in de wielen.

Indien er gesproken wordt van een brandstofcel hybride is dat altijd een hybride met serie

configuratie. De verbrandingsmotor is hier vervangen door een brandstofcel.

Parallel hybride

Bij een parallel hybride worden de wielen zowel door de elektromotor als de verbrandingsmotor

mechanisch aangedreven. De elektromotor en verbrandingsmotor leveren niet constant dezelfde

prestaties. Het kan zijn dat de elektromotor alleen aan het werken is of dat de verbrandingsmotor

alleen de wielen aandrijft. Doordat de koppels van de verbrandingsmotor en de elektromotor elkaar

aanvullen in het parallel mechanisme, vangt de elektromotor de ongunstige pieken en dalen van de

verbrandingsmotor. Dit houdt in dat de elektromotor de verbrandingsmotor helpt of bijspringt indien

nodig. Een mooi voorbeeld hiervan is het accelereren van de wagen. Wanneer de elektromotor op

dat moment de verbrandingsmotor helpt, zal deze laatste niet zo hard hoeven te werken. Dit leidt tot

minder verbruik en minder uitstoot.

Een andere functie van de elektromotor in het parallel hybride systeem is het regenereren van

elektriciteit. Wanneer de wagen remt, gaat de elektromotor functioneren als generator. Dit komt

omdat dan de wielen niet meer worden aangedreven en dus deze energie kan gestopt worden in het

opwekken van elektriciteit, waarmee het batterijpakket kan worden opgeladen.

Figuur 17: Schema van parallel hybride wagen.


35

Gecombineerde hybride

Dit hybride systeem is, zoals de naam al zegt, een combinatie van een serie en een parallel hybride.

Er is een dubbele verbinding, zowel mechanisch als elektrisch, tussen de motor en de aandrijfas. In

de aandrijving zit een planetair tandwielstelsel3 verwerkt. De aandrijving van de wielen kan door dit

systeem zowel mechanisch als elektrisch of als een combinatie van beiden gebeuren.

Bij klassieke wagens is een grote motor nodig om te kunnen accelereren vanuit stilstand dan de

motor die nodig is bij het rijden met constante snelheid. De oorzaak hiervan is het koppel. Het koppel

is namelijk minimaal bij lagere toerentallen. Daardoor kan men voor gecombineerde hybride

voertuigen een kleinere, en uiterst efficiënte motor gebruiken. Bij het accelereren en de lagere

snelheden werkt dit systeem als een serie hybride systeem. Maar bij hogere snelheden neemt de

verbrandingsmotor het compleet over omdat dan een serie systeem minder interessant wordt. Een

gecombineerde hybride is wel duurder dan een parallel of serie hybride, maar dit komt omdat het

een mechanisch power split systeem (het planetair tandwielstelsel) bevat.

Figuur 18: Schema van gecombineerde hybride wagen.

Een mooi voorbeeld van de gecombineerde hybride wagen is de Toyota Prius. Deze wordt dan ook in

de rest van dit werk als voorbeeld gebruikt.

3 Zie bijlage 2 voor meer informatie over het planetair tandwielstelsel


36

Onderverdeling op hybridisatiegraad

Parallelle en gecombineerde hybride wagens kunnen ook worden ingedeeld naarmate de graad van

de hybridisatiegraad toeneemt.

Figuur 19: Verschillende maten van hybridisatie

Mild hybride

Bij gebruik van deze technologie wordt de verbrandingsmotor uitgeschakeld indien men de motor

stationair laat draaien. Vanaf het moment dat de gaspedaal wordt ingeduwd zal de

verbrandingsmotor opnieuw starten en zal de wagen optrekken.

Medium hybride

Bij een wagen met een medium hybride aandrijving wordt de elektrische motor enkel gebruikt bij het

accelereren, het vertrekken en het rijden tegen hoge snelheid. De elektromotor kan worden

vergeleken met een opgevoerde startmotor die dienst doet als een start/stop systeem. Wanneer de

wagen stilstaat werkt de verbrandingsmotor niet en bij het optrekken wordt de elektromotor

ingeschakeld en de brandstofinspuiting uitgeschakeld. Nadat de wagen een continue snelheid heeft

bereikt, wordt de elektromotor automatisch uitgeschakeld. Een mild hybride kan niet zuiver

elektrisch rijden.

Strong hybride

Bij dit type hybride wagens worden de verbrandingsmotor en de elektrische motor optimaal

gekoppeld, waardoor het energieverbruik drastisch daalt. Het systeem is zo geregeld dat de

elektromotor de voortstuwing regelt tijdens het optrekken en de verbrandingsmotor deze

voortstuwing overneemt bij een bepaalde snelheid. Bij het remmen wordt de overschot aan energie

omgeleid en opgeslagen in de batterij. De strong hybride kan korte afstanden afleggen door enkel de

elektromotor te gebruiken.


37

Plug-in hybride

Het grote verschil met de overige hybriden is dat het batterijpakket van deze wagen kan worden

opgeladen via het stopcontact. Het batterijpakket in deze wagen is aanzienlijk groter, waardoor er

ook langere afstanden puur elektrisch kunnen gereden worden. Dit type wagen is de combinatie

tussen een hybride wagen en een elektrische wagen.


38

4.b. Voordelen van hybride wagens

4.b.1. Voordelen van de serie hybride

• Er is geen mechanische verbinding tussen de verbrandingsmotor en de wielen, wat inhoudt

dat de verbrandingsmotor op zowat elke plaats in de wagen kan worden gemonteerd.

• Er zijn geen mechanische overbrengingselementen (versnellingsbak, aandrijfassen),

waardoor aparte elektrische wielmotoren eenvoudig kunnen worden gebruikt.

• De verbrandingsmotor kan werken in een smal toerentalbereik, zelfs wanneer de auto

versnelt.

4.b.2. Voordelen van de parallel hybride

• Hoog totaal rendement bij lange afstanden.

• In vergelijking met serie hybride voertuigen, moet de elektromotor minder krachtig

ontworpen worden omdat de elektromotor hier enkel helpt bij de aandrijving, en er dus niet

alleen voor moet instaan.

• De elektromotor helpt de verbrandingsmotor bij het versnellen, wat de uitstoot beperkt.

4.b.3. Voordelen gecombineerd hybride

Vermits de gecombineerde hybride de serie en parallel hybride combineert, combineert hij ook hun

voordelen.


39

4.c. Nadelen van hybride wagens

4.c.1. Nadelen van de serie hybride

• Doordat de verbrandingsmotor, de generator en de elektromotor op maat van het voertuig

moeten worden gemaakt om de volledige kracht van het voertuig te verkrijgen, wordt de

aandrijving al snel heel duur.

• Het vermogen van de verbrandingsmotor moet zowel de generator als de elektrische motor

doen werken. Tijdens lange afstanden aan een constante snelheid, zoals de autostrade, is het

totale rendement veel kleiner dan de gewone overbrenging van de verbrandingsmotor,

vanwege de vele energieomzettingen.

4.c.2. Nadelen van de parallel hybride

• Vrij ingewikkeld systeem.

• De verbrandingsmotor werkt niet tijdens een klein of constant toerental, waardoor het

rendement daalt tijdens een lage rotatiesnelheid.

• Aangezien de verbrandingsmotor niet is losgekoppeld van de wielen wordt de accu niet

opgeladen wanneer de wagen stilstaat.

4.c.3. Nadelen van de gecombineerde hybride

De gecombineerde hybride is nog ingewikkelder dan de parallel hybride en is duurder dan de serie en

de parallel hybride.


40

5. Bespreking Toyota Prius 2

5.a. Inleiding

In dit werk werd gekozen om de Toyota Prius te bespreken, vermits dit een gecombineerde hybride

is, waardoor verder zowel de serie als de parallel hybride wordt besproken. Verder is de Toyota Prius

één van de meest verkochte hybriden. De Toyota Prius 2 werkt op het THS systeem, wat staat voor

Toyota Hybrid Synergy Drive. Hier zal vooral in gegaan worden op de 2e en 3e generatie van de

Toyota Prius.

In het Toyota Hybrid Synergy systeem (HTS-systeem) zijn volgende aandrijfopties mogelijk. Ze

worden al dan niet ingeschakeld, dit met het doel om de efficiëntste rijomstandigheden te verkrijgen.

1. De toevoer van het elektrische energie van het accupakket naar de elektromotor.

2. Wanneer de wielen door de benzinemotor worden aangedreven, wordt de generator

eveneens via een planetair stelsel aangedreven om energie op te wekken, waarmee de

elektromotor dan de wielen kan aandrijven.

3. Wanneer de wagen vertraagt of van een steile helling rijdt, werkt de elektromotor als een

generator, daardoor gaat de kinetische energie van de auto niet verloren. De elektromotor,

die nu functioneert als generator, zet die kinetische energie immers om naar elektrische

energie waarmee het batterijpakket wordt opgeladen.

De schakeling tussen deze verschillende standen gebeurt door de HV ECU. Dit systeem regelt met

behulp van verschillende sensoren en elektronische componenten de verschillende opties. Deze

opties zijn verschillende combinaties tussen de bovenstaande functies. De mogelijke opties zijn

afzonderlijk 1, 2 en 3. Of een combinatie van de eerste en de tweede functie.

5.a.1. Gegevens Toyota Prius THS type 2

Cilinderinhoud: 1497 cm³

Motorvermogen: 57 kW / 78 pk

Elektromotor: 50 kW / 68 pk

Gecombineerd vermogen: 80 kW / 110 pk

Topsnelheid: 170 km / h

Acceleratie 0 – 100 km / h: 10,9 s

Verbruik gecombineerd: 4,3 l / 100 km

CO2 gecombineerd: 104 gr / km


41

5.b. HV ECU

De HV ECU detecteert de kracht die wordt toegepast op het gaspedaal met behulp van de 'gaspedaal

stand sensor'. De HV ECU ontvangt van de snelheidssensor (resolver) in de MG 1 (generator) en MG 2

(elektromotor)4 signalen om de voertuigsnelheid te bepalen en verder te regelen. Verder detecteert

dit systeem ook de stand van de schakelbak. De HV ECU bepaalt de rijomstandigheden van het

voertuig in overeenstemming met deze stukjes informatie, en regelt de drijfkrachten van de

generator, de elektromotor en de verbrandingsmotor voor een zo optimaal mogelijk verbruik en

gebruik.

Figuur 20: Schema doorstroming van krachtberekening m.b.v. de HV ECU.

4 Hier worden de namen MG1 en MG2 gebruikt. MG1 treedt over het algemeen op als generator, en wordt dus

soms ook zo vernoemd. MG2 treedt voornamelijk op als elektromotor en wordt dus vaak zo vernoemd. Indien

ze een andere functie krijgen dan hun gewone functie wordt dit duidelijk vermeld.


42

Figuur 21: Systeem diagram algemene werking HV ECU.


43

5.b.1. Systeembewaking

De 'Battery ECU' controleert voortdurend de SOC (state of charge) van de accu, en stuurt de SOC

naar de HV ECU. Wanneer de SOC lager is dan het onderste niveau, de HV ECU verhoogt de HV ECU

het vermogen van de generator (MG1), waarbij de batterij opgeladen wordt.

Als de SOC laag is, of de temperatuur van de accu, MG1, of MG2 hoger is dan de opgegeven waarde,

beperkt de HV-ECU de drijvende kracht die toegepast wordt op de aangedreven wielen totdat de

temperatuur of de SOC weer op normale waarde is gekomen. Een temperatuursensor die is

ingebouwd in MG2 (elektromotor) detecteert direct de temperatuur van MG2. De HV ECU berekent

de temperatuur van MG1 (generator).

5.b.2. Uitschakel controle

Over het algemeen worden MG1 en MG2 stilgelegd wanneer de versnelling in de 'N' (Neutrale) stand

wordt geschakeld. Dit komt omdat MG1 en MG2 elektrisch moeten worden gestopt om de

drijfkracht af te sluiten, aangezien MG2 mechanisch verbonden is met de voorwielen.

Maar de 'shut down' functie wordt geannuleerd onder de volgende uitzonderingen.

1. Tijdens het rijden, als het rempedaal wordt ingedrukt en een wiel vastloopt, wordt het ABS

met EBD geactiveerd. Vervolgens wordt een laag koppel gevraagd aan de MG2 om

aanvullende stroom te voorzien om de rotatie van het wiel te starten. Zelfs indien de

versnelling in de positie 'N' staat, wordt op dit moment de afsluitfunctie opgeheven om het

wiel te draaien. Nadat de rotatie van het wiel opnieuw is gestart, valt het systeem terug in

haar uitschakelfunctie.

2. Wanneer het voertuig wordt aangedreven in de 'D' of 'B' positie en het rempedaal wordt

ingedrukt, treedt de regeneratieve rem in werking. Als de bestuurder op dit moment de

schakelpositie verandert naar de 'N' positie, zal de rem hydraulische druk toevoegen, terwijl

het aangevraagde koppel geleidelijk afneemt. Hierna schakelt het systeem vanzelf over in de

uitschakelpositie.

3. Wanneer MG1 en MG2 werken op een hogere snelheid dan het gespecificeerde niveau,

wordt de 'shut down' functie geannuleerd.

5.b.3. Bergopwaartse assistent

Deze controle voorkomt dat de auto naar beneden gaat glijden wanneer de rem wordt losgelaten

tijdens het opstarten op een steile helling. Omdat de motor een zeer gevoelige sensor heeft die de

hoek van de helling detecteert, kan het voertuig gegarandeerd veilig starten.

Als de bergopwaartse assistent wordt toegepast, kan er worden geremd op de achterwielen om zo te

voorkomen dat het voertuig naar achteren bolt. Op dit moment verzendt de HV ECU een achterrem

bekrachtigingssignaal naar de slipregeling ECU.


44

5.b.4. Motor tractie controle

Algemeen

Als een aangedreven wiel slipt, terwijl het voertuig op een glad wegdek rijdt, gaat MG2 (dat

rechtstreeks gekoppeld is met de wielen) overdreven draaien, waardoor de relatieve rotatiesnelheid

van het planetair tandwielstelsel toeneemt. Deze toestand kan schade veroorzaken aan het planetair

tandwielstelsel, bijvoorbeeld door beslaglegging. In sommige gevallen kan deze toestand er voor

zorgen dat MG1 een overmatige hoeveelheid elektriciteit krijgt. Daarom bepaalt de HV ECU de

rotatiesnelheid van MG2. Wanneer deze snelheidssensor plotse verhogingen vaststelt, zal de HV ECU

MG2 doen vertragen om ervoor te zorgen dat het planetair tandwielstelsel beschermt blijft.

Bovendien, als slechts een van de aangedreven wielen overdreven draait, zal de HV ECU het

snelheidsverschil controleren tussen het rechter- en het linkerwiel door middel van de

snelheidssensoren van de respectievelijke wielen en de HV-ECU zal een opdracht doorgeven aan de

slip controle ECU zodat die het wiel dat overmatig draait, afremt.

Deze controles bereiken hetzelfde effect als de TRC van de remaansturing.

Figuur 22: Snelheidsgedrag van aangedreven wiel bij het opstarten op besneeuwde weg.


45

Werking

Het volgende beschrijft het mechanisme dat de buitensporige rotatie genereert. Als bijvoorbeeld de

aandrijfwielen een normale grip hebben, zijn de wijzigingen in de rotatiesnelheid van MG2

(aandrijfwielen) minimaal, zoals in figuur 5.4. Aldus wordt de juiste balans gehandhaafd tussen

aandrijfwielen en de motor met minimale veranderingen in snelheid waardoor er slechts een

minimaal verschil in de relatieve rotatiesnelheid optreedt in het planetair tandwielstelsel.

Figuur 23: Grip van de aangedreven wielen.

Figuur 24: Voorstelling planetair tandwielstelsel.


46

Als de aandrijfwielen grip verliezen, verandert rotatiesnelheid van MG2 (aangedreven wielen) hard,

zoals in (figuur). Als gevolg daarvan worden de verschillen van de relatieve rotatiesnelheden in het

gehele planetair tandwielstelsel groter, omdat de verbrandingsmotor een kleine roterende variatie,

heeft kan het de rotatie van MG2 niet volgen.

Figuur 25: Slippen van de aangedreven wielen.

De HV ECU bewaakt plotselinge veranderingen in snelheid door met behulp van een snelheidssensor

signalen van MG2 op te pikken, om de hoeveelheid slip van de aandrijfwielen te berekenen. De HV

ECU regelt de drijfkracht door de rotatie van MG2 te onderdrukken in overeenstemming met de

hoeveelheid slip.

Figuur 26: Conceptueel beeld van de tractiecontrole door de motor.


47

5.b.5. Algemeen Relais Systeem (System Main Relay, SMR)

Algemeen

De SMR is een relais waardoor de accu verbonden of juist niet verbonden wordt op een commando

van de HV ECU. Een totaal van 3 relais, één voor de negatieve en twee voor de positieve kant, zijn

ontwikkeld om dit te kunnen garanderen.

Figuur 27: Systeem diagram SMR.

Vermogen is 'ON'

SMR1 en SMR3 zijn ingeschakeld wanneer het circuit wordt aangesloten, vervolgens gaat SMR2 aan

en SMR1 uit. De gecontroleerde stroom wordt eerst door een voorschakel weerstand gestuurd, op

deze wijze wordt het contactpunt in de schakeling beschermd tegen schade die kan worden

veroorzaakt door een inschakelstroom.

Figuur 28: Voorstelling relaisschakeling bij vermogen op ON.


48

Vermogen is 'OFF'

SMR2 en SMR3 worden uitgeschakeld wanneer het circuit wordt verbroken, in die volgorde.

Vervolgens controleert de HV ECU of de respectievelijke relais correct uitgeschakeld werd. Bijgevolg

is de HVECU in staat om te bepalen of SMR2 vast zit.

Figuur 29: Voorstelling relaisschakeling bij vermogen op OFF.


49

5.c. Motor ECU controle

De motor ECU heeft veel verschillende taken, hieronder worden enkele opgesomd.

• De motor ECU ontvangt de informatie van het motortoerental en de vereiste motor

drijfkracht, verzonden vanaf de HV-ECU. Met deze informatie controleert het de brandstof

injectie, de ontsteking en de snelheid van de kleppen.

• De motor ECU zendt de bedrijfstoestand van de motor naar de HV ECU.

• Wanneer er een fout optreed in de motor, zal de motor ECU een waarschuwingslichtje op

het dashboard laten branden.

Figuur 30: Systeem diagram motor ECU.


50

5.d. De accu’s

Achter in de Prius bevindt zich een accupakket. In dit accupakket wordt de elektrische energie

opgeslagen. Deze energie is bedoeld om de elektromotor aan te drijven. In de Prius maakt men

gebruik van temperatuursensoren om de temperatuur nauwlettend in de gaten te houden.

In de Prius is het gebruikte accu pakket een NiMH-accupakket dat boven de achteras is geplaatst.

NiMH staat voor Nikkel Metaal Hybride. Het accupakket van de Prius bestaat uit 28 modules. Iedere

module bevat zes NiMH cellen die ieder 1,2 Volt leveren. Dit komt neer op een totale spanning van

201,6 Volt. Het vermogen van het accupakket bedraagt 27 kW. Het accupakket weegt 39 kg, dit is

inclusief de behuizing en toebehoren. Het laadniveau van het accupakket wordt elektronisch

geregeld door de HV-ECU. Het laadniveau wordt door het computersysteem tussen de 40% en de

80% gehouden. Volgens Toyota gaat het accupakket tussen deze waarden het langst mee. Bij het

accupakket zit verder nog een ventilator geplaatst. De ventilator is bedoeld om het accupakket te

koelen.

Figuur 31: Het accupakket zonder behuizing.

Buiten het accupakket heeft de Prius ook nog een hulpaccu. De hulpaccu is een lood/cadmium

batterij met een vermogen van 12 V. Deze zogenaamde hulpaccu zorgt ervoor dat de hulp-, controle-

en regelsystemen van spanning worden voorzien. Deze batterij is zeer belangrijk om de Prius goed te

laten functioneren. Deze accu bevindt zich in de kofferruimte en wordt geladen door de hybride

(hoofd) accu. De elektrische energie van de hybride batterij loopt eerst via de converter voor dat hij

de hulpaccu oplaadt. Indien dit niet het geval was zou de kleine 12 Volt accu kapot gaan. Het laden

van de hulpaccu begint vanaf het ogenblik dat het hybride systeem is gestart. Het starten van dit

hybride systeem gebeurd door het induwen van de Power knop op het dashboard. Voor het laden

van de hulpaccu is het draaien van de verbrandingsmotor niet vereist.


51

Figuur 32: Systeem diagram accupakket met toebehoren.


52

5.e. Vermogen regeleenheid

Omdat er bij de Prius gewerkt wordt met allerlei verschillende spanningen en vermogens is er

apparatuur nodig die ervoor zorgt dat deze omgevormd kunnen worden. Er wordt daarom gebruik

gemaakt van de zogenaamde vermogen regeleenheid. In deze regeleenheid bevinden zich een

spanningsverhoging converter, een inverter en een DC/DC converter.

5.e.1. De spanningsverhoging converter of boost converter

De spanningsverhoging converter in de Prius wordt gebruikt om de 201,6V gelijkspanning uit de

batterij te verhogen naar maximaal 500V gelijkspanning. Dit is nodig omdat de elektromotor heel

veel vermogen vraagt. Door de spanning te verhogen wordt bepaald hoe hard de elektromotor

uiteindelijk gaat draaien. De hoogte van de spanning wordt bepaald door de HV-ECU. De

spanningsverhoging converter kan ook andersom werken. Dit is nodig op de momenten dat de

elektromotor als generator werkt. Dan zal de spanning van de elektromotor geconverteerd moeten

worden naar 201,6 V om de hybrideaccu op te laden.

5.e.2. De inverter

De inverter die zich in de regeleenheid bevindt zorgt ervoor dat de 500 V gelijkspanning die uit de

spanningsverhoging converter komt, wordt omgezet in een driefase 500 V wisselspanning. Deze

wisselspanning is nodig omdat de elektromotor werkt om wisselstroom. De inverter kan ook

andersom werken, wanneer de elektromotor als generator begint te werken zal de wisselspanning

die uit de generator komt moeten worden omgezet in een gelijkspanning voor de hybrideaccu. Er is

nog een tweede inverter die 201,6 V gelijkstroom omzet naar 201,6 V wisselstroom voor de

wisselstroom motor compressor van de airco.

5.e.3. De DC/DC converter

De DC/DC converter heeft als functie het omzetten van 201,6 Volt gelijkspanning naar een 12 Volt

gelijkspanning. Dit is nodig voor de hulpaccu en bijvoorbeeld de radio. Deze hebben namelijk allebei

een lage spanning nodig, anders zouden ze kapot gaan. Ook wordt deze 12 Volt gelijkspanning

gebruikt voor de energievoorziening van de regelsystemen zoals de HV-ECU.

Figuur 33: Overzicht vermogen regeleenheid.


53

Figuur 34: Systeem diagram vermogen regeleenheid van het accupakket.


54

5.f. De benzinemotor

Figuur 35: Benzine motor.

5.f.1. Werking van de benzine motor

Bij de viertaktmotor wordt een volledige cyclus doorlopen tijdens vier slagen, of twee volledige

toeren van de krukas. Tijdens één van deze slagen wordt er arbeid geleverd. De drie andere vereisen

arbeid. Vandaar het grote vliegwiel dat energie kan opslaan bij de arbeidslag en nadien kan vrijgeven

tijdens de volgende anderhalve toer van de krukas.

De vier slagen van de verbrandingsmotor

De inlaatslag

De inlaatklep staat open, de uitlaatklep staat dicht. De zuiger beweegt van boven naar beneden. Het

volume boven de zuiger vergroot, waardoor onderdruk ontstaat in de cilinder. Daardoor wordt van

buiten lucht aangezogen die in de carburator wordt gemengd met de juiste hoeveelheid benzine. Dit

mengsel vult de cilinder wanneer de zuiger in het onderste dode punt is gekomen. De inlaatklep sluit

weer en de zuiger begint aan de opwaartse beweging, dat is de tweede slag.

Figuur 36: Inlaat en compressieslag.


55

De compressieslag

Nu zijn beide kleppen gesloten. De zuiger beweegt omhoog en perst het gasmengsel samen. Door de

temperatuursstijging zal de benzine goed verdampen. Is de zuiger aan het bovenste dode punt, dan

zal de bougie ontsteken. Dit is het begin van de volgende slag

De arbeidsslag

Beide kleppen blijven gesloten. Door de verbranding stijgen de druk en de temperatuur zeer sterk.

De energie wordt gedeeltelijk als arbeid geleverd aan de krukas doordat de gassen de zuiger naar

beneden duwen. De rest van de warmte-energie wordt niet nuttig gebruikt maar afgevoerd in de

uitlaatgassen, in de smeerolie en in het koelwater.

Figuur 37: De arbeidsslag en de uitlaatslag.

De uitlaatslag

De uitlaatklep wordt geopend en de zuiger drijft de overgebleven gassen naar buiten. In totaal

draaide de krukas twee volledige toeren om deze ene cyclus te verrichten. De aandrijving van de

nokkenas draait daarom maar één toer bij twee toeren van de krukas.


56

5.f.2. Het (p,V)-diagram

Het (p,v)-diagram wordt gebruikt om processen bij gassen voor te stellen. Dit omdat de arbeid die

het gas verricht, er direct kan op worden aangeduid. Omdat p*ΔV gelijk is aan de oppervlakte van

een strook met breedte ΔV en hoogte p, is de door dit systeem verrichte arbeid gelijk aan de

oppervlakte onder de kromme PQ (zie onderstaande figuur).

Figuur 38: Het (p,V)-diagram.

(p,V)-diagram van de verbrandingsmotor

Inlaat

De horizontale lijn in het (p,V)-diagram is een lijn bij 1 atmosfeer. Dit kan worden beschouwd als een

isobaar proces.

Figuur 39: Het (p,V)-diagram bij inlaat.


57

Compressie

Theoretisch kunnen we deze lijn als een adiabatische toestandsverandering (zonder warmte

overdracht) beschouwen. Op het einde van de compressieslag zal door de bougie de verbranding

gebeuren, waardoor de druk toeneemt tot ongeveer 30 bar. Deze verticale lijn beschouwt men als

isochoor (constant volume).

Figuur 40: Het (p,V)-diagram bij compressie.

Arbeid

De arbeid kan theoretisch ook weer worden voorgesteld als een adiabaat. Wanneer de zuiger

eenmaal in het onderste dode punt is, gaat de uitlaatklep open en valt de druk terug tot op 1 bar. Dit

kan men opnieuw beschouwen als een isochoor.

Figuur 41: Het (p,V)-diagram bij arbeid.


58

Uitlaat

Het uitrijven van de gassen kan men weer voorstellen door een isobaar proces bij 1 atmosfeer.

Figuur 42: Het (p,V)-diagram bij uitlaat.

Wanneer men nu al deze toestandsveranderingen samenbrengt in één diagram verkrijgt men

onderstaande figuur.

Figuur 43: Het totale (p,V)-diagram.


59

Praktische (p,V)-diagram

In de praktijk gaan er verschillende verliezen optreden en zal het (p,V)-diagram er anders uitzien. In

het bovenstaande theoretische (p,V)-diagram is er geen negatieve arbeid, terwijl er in de praktijk wel

negatieve arbeid te zien is op het (p,V)-diagram.

Inlaat

De druk zal iets lager zijn dan één atmosfeer. Hoe groter de weerstand dat het gas ondervindt bij het

binnenstromen, hoe groter de negatieve arbeidsoppervlakte zal zijn en hoe minder de cilinders zich

vullen. Dus dan verkrijgt men ook minder vermogen.

Compressie

De compressie zal niet adiabatisch verlopen. De cilinders moeten gekoeld worden en dus is er wel

warmte uitwisseling zijn. Op de grafiek vertaalt zich dat door een minder steile lijn.

Arbeid

In het begin van deze slag zal er nog eventjes een drukstijging zijn, vermits de verbranding nog bezig

is terwijl de zuiger al terug keert. De expansie zal evenmin adiabatisch verlopen. Dit wordt net zoals

bij de compressieslag veroorzaakt door het koelen van de cilinders.

Uitlaat

Doordat de druk al tot 1 atmosfeer is gedaald, komt de hele lijn net boven 1 atmosfeer te liggen

(ongeveer op 1,1 atmosfeer). Er is namelijk enige overdruk nodig om de gassen uit te drijven.

Figuur 44: Praktisch diagram.

Van de positieve arbeid moet men de negatieve arbeid aftrekken. Bij deze Otto-cyclus ligt het totale

rendement rond de 25 procent. In de Prius zal dat rendement meer zijn doordat er in de Prius

gebruik wordt gemaakt van een combinatie van de Atkinson en de Millercyclus.


60

5.f.3. Verhouding tussen thermisch rendement en de compressieverhouding

Thermisch rendement: ηth

Het thermisch rendement is het rendement in functie van de warmte uitwisseling.

� ℎ = �1 − �2�1 = 1 − �2

�1

Waarbij: �1 = warmte energie die bij de verbranding wordt toegevoegd aan de brandstof in [J].

�2 = warmte energie die bij de arbeid is omgezet en dus wordt afgevoerd [J].

� ℎ = thermisch rendement [%]

Compressieverhouding: ε

De compressieverhouding van een motor is de verhouding tussen het volume boven de zuiger

wanneer deze in het onderste dode punt (ODP) staat ten opzichte van het volume boven de zuiger

wanneer deze in het bovenste dode punt (BDP) staat.

De compressieverhouding van een motor kan als volgt worden berekend:

� = �� + �� = 1 + ��

��

Waarbij: �� = slagvolume van 1 cilinder [cm³]

�� = volume van de ruimte boven de zuiger in het BDP (verbrandingsruimte) [cm³]

ε = compressieverhouding [/]

Als de compressieverhouding groter is, dan zal de motor een beter rendement, een hoger vermogen

en een lager verbruik hebben. Dit wordt toegepast in de Toyota Prius. Er zijn wel grenzen aan de

compressieverhouding, want als deze te hoog is, dan zal de benzine zelf ontbranden en dat kan tot

ernstige schade aan de motor leiden. Het zelfontbranden is een gevolg van de druk en

temperatuursstijging bij compressie. De maximale compressieverhouding is 11/1.


61

Verhouding tussen thermisch rendement en de compressieverhouding

Men weet dat het rendement afhankelijk is van de compressieverhouding. Deze verhouding wordt

hieronder bepaald. Hieronder worden wel alle verliezen verwaarloost en wordt er gerekend met het

theoretische (p,V)-diagram. Dit zorgt er dan voor dat de compressieverhouding gelijk is aan:

� = �1�2 �� 3 = �2 �� 4 = �1

Figuur 45: Het totale (p,V)-diagram.

Men weet dat:

� ℎ = 1 − �2�1

Met: �1 = � • �! • �"3 − "2�

�2 = � • �! • �"4 − "1�

� ℎ = 1 − �"4 − "1��"3 − "2� = 1 −

"1 • �"4"1 − 1�

"2 • �"3"2 − 1�

Voor de adiabaten geldt dat:

"1"2 = ��2

�1�#$%


62

Tweede wet van Gay-Lussac.

Waarbij: & = '(')

Meestal wordt & gelijkgesteld aan 1,4. Zie onderstaande tabel voor de verschillende k-waarden.

�* [&, ∗ .&/ ] �! [&, ∗ .

&/ ] & = �*�!

Helium (He)

Waterstof (H2)

Stikstof (N2)

Zuurstof (O2)

Koolstofdioxide (CO2)

5,236

14,38

1,039

0,908

0,821

3,16

10,26

0,743

0,649

0,632

1,66

1,4

1,4

1,4

1,3

Tabel 6: Verschillende k-waarden

"4"3 = ��2

�1�#$% �� 3 = �2 �� 4 = �1

� ℎ = 1 − "1"2 = 1 − ��2

�1�#$% = 1 − �%$#

Dus de verhouding tussen het rendement en de compressieverhouding is:

� ℎ = 1 − �%$#

5.f.4. Prius motor

De motor in de Prius II is op verschillende punten aangepast. Door gebruik te maken van een grotere

motor dan zijn voorganger is er een groter koppel beschikbaar. Daardoor wordt het toerental bij

hogere snelheden verlaagd. Verder is er bij de Prius II gebruik gemaakt van het Atkinson principe.

Specificaties van de Prius

• Toyota motorcode 1NZ-FXE

• 1.5-liter, alu, 16V, VVT-i

• 57 kW / 78 pk @ 5000 t/m

• 115 Nm @ 4000 t/m

• Atkinson cycle

o Werkelijke compressieverhouding 10.5:1

o Lagere pompverliezen


63

Vermogen curve

Figuur 46: Vermogen curve motor Toyota Prius.


64

Thermisch rendement van de Toyota Prius

� ℎ = 1 − �%$#

Waarbij: & = 1,4

� = 10,5

� � ℎ = 1 − 10,5%$%,4 = 0,609

� � ℎ = 61 %

Figuur 47: (p,V)-diagram van de Toyota Prius.

Het thermisch rendement ligt gemiddeld rond de 60 procent, wat heel goed is voor een

verbrandingsmotor. Door de VTT-i kunnen we dit bekomen zonder zelf ontbranding. In de

bovenstaande figuur valt te zien dat de verbetering van het (p,V)-diagram te danken is aan de

grotere compressieverhouding. Er zijn minder verliezen bij inlaat en uitlaat d.m.v. het VTT-i systeem.

Men gaat dit probleem oplossen door de inlaatklep te vertragen. Zo gaat deze tijdens de uitlaatslag

nog even openblijven, waardoor er lucht terug naar het inlaatspruitstuk terug stroomt. Zo vertraagt

men de compressieslag. De compressieverhouding blijft echter wel dezelfde, alleen de

expansieverhouding vergroot.

De werking van de Atkinson-cyclus motor

James Atkinson heeft een motor ontwikkeld die het mogelijk maakt om via ingenieuze overbrenging

het volume van de inlaat- of uitlaatslag t.o.v. de compressie- of arbeidslag te laten variëren. Met

deze aanpassing wordt het vermogensverlies tijdens de compressieslag vermindert. Dit leidt tot een

beter rendement. Deze techniek wordt niet door elke fabrikant toegepast omdat het enkel

toepasbaar is op kleinere motoren, zoals de motor van de Toyota Prius.


65

De werking van de Miller-cyclus motor

Bij de Miller-cyclus wordt ervoor gezorgd dat er verschil in de volumeslagen ontstaat. Om dit te

bereiken laat men de inlaatklep langer openstaan. Door de inlaatklep langer open te houden zal

tijdens het eerste deel van de compressieslag een bepaalde hoeveelheid van het volume weer door

de inlaatklep naar buiten stromen. Miller heeft wel een oplossing bedacht om het compressieverlies

te compenseren. Miller gebruikt in zijn motor namelijk een turbocompressie tijdens de inlaatslag.

Hierdoor ontstaat een kortere compressieslag, maar met ongeveer een gelijk volume. Door dit

systeem te gebruiken, kan men brandstof besparen.

Figuur 48: Miller-cyclus.

VTT-i

Bij de motor van de Toyota Prius ontbreekt echter de ingenieuze mechanische constructie uit de

Atkinson motor en de turbocharger uit de Millermotor. Toyota heeft zich gebaseerd op deze

technieken om één nieuw systeem uit te dokteren. Dit systeem noemt Toyota de VTT-i (Variable

Valve Timing – intelligence).

Bij dit principe wordt gebruik gemaakt van variabele kleptiming. Aan de hand van deze kleptiming is

het mogelijk om de inlaatslag onafhankelijk te regelen ten opzichte van de uitlaatslag. Door het VTT-i

principe kan de motor tijdens alle omstandigheden efficiënt draaien. De thermische efficiëntie van de

motor van de Prius is door het VTT-i principe aanzienlijk verhoogd. Dit is het gevolg van het bekomen

van de maximale compressieverhouding zonder dat te motor begint te kloppen of er andere

verliezen optreden. Het VTT-i systeem wordt gebruikt om de prestaties van de motor te verbeteren

en om het brandstofverbruik en de uitlaatgassen te reduceren.


66

Werking VTT-i

Figuur 49: Voorstelling VTT-i systeem.

Elke cilinder heeft 2 inlaatkleppen en 2 uitlaatkleppen. De kleppen worden geopend en gesloten door

twee nokkenassen. De inlaat en uitlaat nokkenassen worden aangedreven door een

distributieketting. Zelfs de motortemperatuur heeft invloed op het regelen van de kleppen. Op de

krukas zit een krukasstandsensor en op de nokkenas een nokkenassensor. Zo wordt de onderlinge

stand vastgesteld. De nokkenas wordt d.m.v. oliedruk verdraaid. De regelklep wordt door de HV-ECU

aangestuurd. Deze klep heeft een elektromagneet die een plunjer5 beweegt, tegen de druk van de

veer in. Deze plunjer opent en sluit olietoevoerkanalen die naar het verstelmechanisme op de

nokkenas vloeien. Op de nokkenas zitten vier ‘vleugels’ die zich in de VTT-i controller bevinden. Deze

VTT-i controller is verbonden met het kettingwiel. Door de oliedruk aan beide zijden van de vleugels

te beïnvloeden, zorgen deze vleugels ervoor dat de nokkenas verdraait ten opzichte van het

kettingwiel.

5 Een plunjer is een zuiger die geen eigen afdichtingen heeft.


67

Verschillende situaties

1. Stationair draaien

Tijdens het stationair draaien zullen de twee kleppen zich gedragen zoals in een conventionele auto.

De inlaatklep opent zich pas wanneer de uitlaatklep na de uitlaatslag volledig is gesloten.

Figuur 50: VTT-i tijdens stationair draaien.

2. Middelmatige belasting

Het kleppen systeem zorgt ervoor dat, bij middelmatige belasting, de inlaatklep vroeger opent dan

bij een conventionele verbrandingsmotor. Op onderstaande figuur valt te zien dat er een

overlappinggebied is tussen de twee klepgrafieken. In dit gebied is de uitlaatklep nog niet volledig

gesloten, terwijl de inlaatklep al geopend wordt. Er is sprake van een inwendige

uitlaatgasrecirculatie. Dat vermindert het verbruik omdat de pompverliezen afnemen doordat de

gasklep minder moet worden geopend om dezelfde prestaties te bekomen.

Figuur 51: VTT-i tijdens middelmatige belasting.


68

3. Volle kracht (bijvoorbeeld optrekken)

De inlaatklep wordt terug vroeger geopend. Men verkrijgt een nog groter overlappinggebied. Dit

dient nu vooral om de cilinder beter te vullen, waardoor men een hoger koppel verkrijgt.

Figuur 52: VTT-i tijdens volle kracht.


69

5.g. Permanente magneet synchrone motor (PMSM)

5.g.1. Permanente magneet synchrone motor versus klassieke DC motor

Elektrische tractie vereist van de motor goed dynamische en energetische eigenschappen. Deze

moeten dan ook nog eens gelden over een uitgebreid gebied (accelereren, vertragen, constante

snelheid en dit op verschillende snelheden). Synchrone motoren met een permanente

magneetbekrachtiging zijn hiervoor beter geschikt dan een gelijkstroommotor. Deze laatste heeft

een veel kortere levensduur door de commutatieborstels. Door het plaatsen van wikkelingen op de

stator i.p.v. de rotor kan de permanente magneet synchrone motor meer warmte afvoeren dan een

gewone, klassieke DC motor. Bij de gelijkstroommotor draaien de ankerwikkelingen steeds mee

rond. Daardoor heeft de permanente magneet synchrone motor meestal een groter koppel en een

hoger afgeleverd vermogen dan een klassieke gelijkstroommotor met dezelfde afmetingen.

5.g.2. Permanente magneet synchrone motor versus inductiemotor

De permanente magneet synchrone motor is ook een betere motor (voor deze toepassing) dan de

inductiemotor. Dit omdat er bij een inductiemotor meer jouleverliezen optreden in de rotor en deze

motor heeft ook een moeilijkere sturing.

In de Toyota Prius gebruikt men twee elektromotoren. De tractiemotor en de generator zijn beiden

permanente magneet synchrone motoren. In deze motoren zitten ook geen borstels.

5.g.3. Borstelloze motoren

Men spreekt van een borstelloze motor als de permanente magneten zich in de rotor bevinden en de

stator is bewikkeld. In plaats van de stroomomkering te laten gebeuren met behulp van borstels,

maakt men nu gebruik van een elektronisch circuit.

Een borstelloze motor heeft bij deze toepassing één groot voordeel. Dit type motor geeft weinig

vonken, daardoor is hij veilig te gebruiken in een explosieve omgeving. Men werkt in de Toyota Prius

ook nog altijd met een verbrandingsmotor. Overigens is de borstelloze motor zeer duurzaam, heeft

hij een hoog rendement en hij is zeker geschikt voor toepassingen waar men een continue werking

vraagt. Dankzij het gebruik van krachtige magneten lopen de vermogens van dit type motor snel op

tot verschillende tientallen kilowatt.

De borstelloze motor heeft ook een nadeel. Men moet een duurder elektronisch circuit voorzien om

de rotor te laden ronddraaien.


70

Enkele voordelen van een borstelloze motor met permanente magneten staan hieronder

weergegeven.

• Lange levensduur

• Weinig draailawaai

• Hoog rendement

• Hoog toerentalbereik

• Goed, dynamisch regelgedrag

• Hoog specifiek vermogen6

5.g.4. Werking

Wanneer er door de drie fasewindingen van de statorspoel een drie fasige wisselstroom wordt

gestuurd, ontstaat er in de elektromotor een magnetisch veld. Als men nu het wisselende

magnetische veld weet te regelen overeenkomstig met de positie en het toerental van de rotor,

worden de magneten in de rotor aangetrokken. Daardoor wekt men een koppel op.

5.g.5. Specificaties van de generator en de elektromotor

Generator Elektromotor

Soort 3 fasige PMSM 3 fasige PMSM

Functie Generator Tractie en generator

Maximale output

[kW/tpm]

37,8 / 9500 50 / 1200 tot 50 / 1540

Maximaal koppel 45 400

Stroom tijdens maximaal

koppel

73 A 230 A

Maximum tpm 10 000 6700

Koeling Water gekoeld Water gekoeld

Tabel 7: Specificaties van de generator en de elektromotor.

6 Vermogen per eenheid gewicht. [W/kg]


71

6. Veiligheid bij het werken aan elektrische voertuigen.

6.a. Veiligheidsvoorschriften.

Niet iedereen kan zomaar werken aan elektrische en hybride voertuigen. Dit komt omdat ze werken

met hoge spanningen. Om aan elektrische wagens te mogen werken moet men bepaalde opleidingen

volgen. Omdat ook niet elk werk aan een elektrische auto zo gevaarlijk is, bestaan er drie niveaus.

Per niveau moet men een opleiding volgen bij een erkend opleidingscentra (bv. Educam of Syntra).

6.a.1. Niveau 1.

Deze opleiding informeert over de potentiële gevaren en de te volgen veiligheidsprocedures met

betrekking tot elektrische en hybride wagens.

6.a.1.1. Certificaat

Het certificaat dat men verkrijgt na het slagen voor de theorieproef over dit niveau, bewijst dat de

houder:

• zicht heeft op de algemene opbouw van een elektrisch en hybride voertuig.

• kennis heeft van de voornaamste risico's die verbonden zijn aan de onderdelen van deze

aandrijfsystemen.

• zicht heeft op wat hij als gesensibiliseerd werknemer aan werkzaamheden mag uitvoeren.

• het verband kan zien tussen zijn eigen werkzaamheden en het hoogspanningssysteem.

6.a.1.2. Doelstellingen

• Begrijpen wat de algemene werkingsprincipes van elektrische en hybride voertuigen zijn.

• Kennen van het werkdomein van gecertificeerde personen van niveau 1, 2 en 3.

• Kunnen identificeren van elektrische en hybride voertuigen en de eraan verbonden risico's

kennen.

• Kunnen omgaan met elektrische en hybride voertuigen (dagelijks gebruik: rijden en starten).

• Correct kunnen inschatten van de risico's, kennen en kunnen toepassen van de juiste

procedures bij de omgang met elektrische en hybride voertuigen.

• Kunnen inschatten van de risico's van het werken aan beschadigde voertuigen.


72

6.a.2. Niveau 2

De opleiding behandelt de werking en de opbouw van de elektrische aandrijving. De potentiële

gevaren en de te volgen veiligheidsprocedures komen uitgebreid aan bod.



houder:

• kennis heeft van de opbouw van een elektrisch of hybride voertuig.


aandrijfsystemen.

• kennis heeft van een veilige werkmethode en deze ook heeft toegepast tijdens de

werkzaamheden aan deze aandrijfsystemen.

• persoonlijke beschermingsmiddelen en geschikte meetapparatuur kan selecteren en

gebruiken in functie van de uit te voeren werkzaamheden.


• Begrijpen van de algemene werkingsprincipes van elektrische en hybride voertuigen.



kennen.

• Kunnen omgaan met elektrische en hybride voertuigen (dagelijks gebruik: starten en rijden).

• Correct kunnen inschatten van de risico's en kennen en kunnen toepassen van de juiste

procedures bij de omgang met elektrische en hybride elektrische voertuigen.

• Veilig spanningsvrij kunnen maken van elektrische en hybride voertuigen.

• Kunnen inschatten van de risico's van het werken aan de beschadigde voertuigen.


73

6.a.3. Niveau 3

De opleiding is praktisch gericht, men zal een dag of langer (afhankelijk van de persoonlijke noden)

metingen en herstellingen moeten uitvoeren.



houder:

• kennis heeft van de opbouw van een elektrisch of hybride voertuig.


aandrijfsystemen.

• kennis heeft van een veilige werkmethode en deze ook heeft toegepast tijdens de

werkzaamheden aan deze aandrijfsystemen.

• persoonlijke beschermingsmiddelen en geschikte meetapparatuur kan selecteren en

gebruiken in functie van de uit te voeren werkzaamheden.

• ervaring heeft met metingen onder spanning uit te voeren.


• Begrijpen van de algemene werkingsprincipes van elektrische en hybride voertuigen.



kennen.

• Kunnen omgaan met elektrische en hybride voertuigen (dagelijks gebruik: starten en rijden).

• Correct kunnen inschatten van de risico's en kennen en kunnen toepassen van de juiste

procedures bij de omgang met elektrische en hybride elektrische voertuigen.

• Veilig spanningsvrij kunnen maken van elektrische en hybride voertuigen.

• Kunnen inschatten van de risico's van het werken aan de beschadigde voertuigen.

• Kunnen omgaan met metingen onder spanning en weten wanneer hij dat soort metingen

moet toepassen.


74

7. SWOT-analyse

SWOT-analyse is een analyse systeem dat wordt toegepast in de bedrijfswereld om de sterke

(Strength) en zwakke (Weakness) punten binnen het bedrijf te analyseren en de opportuniteiten

(Opportunities) en bedreigingen (Threats) die buiten het bedrijf liggen in kaart te brengen. De

bedoeling van deze analyse is een zo goed mogelijk beeld krijgen van waar het bedrijf toe in staat is,

wat het groeipotentieel is en waarop het moet letten. Zo’n analyse wordt de laatste tijd echter ook

steeds vaker gebruikt door bijvoorbeeld individuen om hun voor te bereiden op een

sollicitatiegesprek. Maar in deze paragraaf wordt de SWOT-analyse toegepast op de sector van de

elektrische en hybride wagens.

7.a. SWOT-analyse voor elektrische wagens

Schema 1: SWOT-analyse voor elektrische wagens.

7.a.1. Strength, sterkte

De grootste sterkte van de elektrische wagen is de kostprijs van elektriciteit. In België is elektriciteit

in vergelijking met benzine of diesel spotgoedkoop. Dit maakt elektrisch rijden een pak interessanter.

Een tweede groot voordeel is de milieuvriendelijkheid van deze wagens. Mensen worden zich steeds

meer bewust van de huidige milieu en klimaat problematiek. Dit zorgt er voor dat sommige mensen

bereid zijn om een beetje extra te betalen voor elektrische wagens.

consument

voordelen nadelen

be

dri

jve

n

ext

ern

in

tern

milieu

vriendelijk,

kostprijs

elektriciteit

accuduur,

kostprijs

batterij

subsidies ontwikkeling

infrastructuur

noodzakelijk

S W

O T


75

7.a.2. Weakness, zwakte

De accuduur van elektrische wagens is nog te beperkt om het echt interessant te maken. Dit kan

opgelost worden door het 'click and drive' systeem.7

De kostprijs van de batterij van een elektrische wagen is ook heel duur. Dit is ook oplosbaar door het

leasen van batterijen. Dat wordt dan ook steeds vaker gedaan.

7.a.3. Opportunities, opportuniteiten

Subsidies zijn eigenlijk de grootste opportuniteit voor de sector van elektrische wagens. Doordat de

overheid subsidies toekent aan eigenaars van elektrische wagens, wordt het interessanter om

elektrische wagens aan te kopen. De overheden in België komen wel stilaan terug op het uitkeren

van subsidies.

7.a.4. Threats, bedreigingen

De infrastructuur, laadpalen en wisselstations voor batterijen, moet verder ontwikkeld en

uitgebouwd worden vooraleer elektrisch rijden echt interessant wordt. Maar dit is natuurlijk niet zo

eenvoudig. Voor de uitbouw van de infrastructuur zijn er investeerders nodig, maar deze

investeerders zullen pas risico's nemen wanneer er ook effectief een markt is voor elektrische

wagens.

7 Het Israëlisch-Amerikaanse bedrijf Better Place, dat het 'click and drive' systeem heeft uitgedokterd, heeft het

faillissement aangevraagd. Het bedrijf werkte al sinds 2008 met Renault samen.

http://www.tijd.be/nieuws/ondernemingen_auto/Renault_verliest_partner_in_elektrische_wagens.9350376-

3100.art?ckc=1 Renault verliest partner in elektrische wagens, Koen Lambrecht, 27 mei 2013


76

7.b. SWOT-analyse voor hybride wagens

Schema 2: SWOT-analyse voor hybride wagens.

7.b.1. Strength, sterkte

Een van de sterke punten van hybride wagens is net zoals bij de elektrische wagen de

milieuvriendelijkheid van dit type wagens. Een ander sterk punt is de zuinigheid. Daardoor moet men

minder betalen per afstand die men rijdt in vergelijking met een conventionele wagen.

7.b.2. Weakness, zwakte

De grootste zwakte van hybride wagens is de kostprijs van hun batterij. Maar vermits het om een

kleine batterij gaat, valt dit nadeel of deze zwakte nog redelijk goed mee. Er zijn momenteel nog

geen bedrijven die de batterij van een hybride wagen leasen in plaats van deze te laat aan kopen

door de klant.

7.b.3. Opportunities, opportuniteiten

De grootste opportuniteit voor de hybride wagens zijn de subsidies die kunnen verkregen worden.

De subsidies hier zijn wel veel kleiner dan die van elektrische wagens en nog eens afhankelijk van de

hybridisatiegraad van de wagen.

7.b.4. Threats, bedreigingen

Vermits men bij de meeste hybride wagens geen extra laadpalen nodig heeft is hier de grootste

bedreiging de scholing van de technici die moeten werken aan de elektrische wagens. Voor plug-in

hybride wagens zijn laadpalen wel mooi meegenomen. Daarom valt de bedreiging voor de

financiering van deze laadpalen ook niet volledig te verwaarlozen.

consument

voordelen nadelen

be

dri

jve

n

ext

ern

in

tern

milieu

vriendelijk,

zuinig

kostprijs

batterij

subsidies opleidingen

voor technici

S W

O T


77

7.c. SWOT-analyse: conclusie

In dit deel wordt de haalbaarheid van elektrische en hybride wagens kort besproken. Hier worden

voorspellingen gedaan op basis van de gegevens die in dit werkstuk staan. De toekomst zal uitwijzen

hoe juist deze voorspellingen zijn.

Elektrisch rijden is volgens mij niet echt haalbaar, toch zeker niet de komende jaren. De actieradius

van de meeste elektrische wagens is nog te beperkt om volop elektrisch te rijden. Dit zou geen

probleem mogen zijn indien men snel van batterij kon wisselen. Zo'n installaties zijn enorm duur en

investeerders willen er zeker van zijn dat ze hun geld terug verdienen. Daarom denk ik niet dat er de

komende jaren genoeg wisselstations gaan bij komen om elektrisch rijden echt interessant te maken.

Ik zou een doorsnee gezin het niet aanraden om een elektrische wagen te kopen. Momenteel een

elektrische wagen kopen is pas interessant indien men een budget heeft van ongeveer € 100 000

euro. Dan is de Tesla Model S ideaal. Deze auto kreeg trouwens van 'Consumer Reports' een score

van 99/100. Dat is de hoogste score die ze ooit uitdeelden aan een wagen. Het enige minpuntje aan

deze wagen is dat men hem niet overal kan opladen. Maar met een actieradius van 370 tot 480 km

valt dit nog goed mee.

Een hybride wagen lijkt me daarentegen veel interessanter. Een hybride wagen is niet zoveel duurder

dan een wagen met een verbrandingsmotor. Bovendien zijn deze wagens zuiniger, waardoor men de

investering zeker kan terug verdienen als men per dag meer dan 25 km rijdt. En dat zijn de meeste

mensen die beschikken over een wagen.

Elektrische of hybride wagens zijn volgens mij geen volwaardige oplossing voor het huidige tekort

aan olie. Bij hybride wagens is men nog steeds afhankelijk van aardolie. Elektrische wagens moeten

dan weer beschikken over uitstekende batterijen, veelal lithium batterijen. Maar er is niet genoeg

lithium op deze planeet om elke wagen te voorzien van een lithium batterij. Daarom zijn elektrische

en hybride wagens slechts een tussenstadium. Men gaat op termijn met een alternatief moeten

komen voor de tekorten aan grondstoffen.

Momenteel is schaliegas volop voorradig, dus dit kan ook een alternatief zijn. Maar dan moeten er

wagens worden uitgevonden die op dit gas kunnen rijden. Het broeikaseffect wordt hierdoor

trouwens vermindert, want schaliegas heeft een uitstoot die 30 % kleiner is dan die van benzine.

Maar dit kan ook geen blijvend alternatief zijn, want vroeg of laat raken de schalievoorraden op

aarde ook uitgeput. Daarom lijkt het mij essentieel om op zoek te gaan naar een alternatief systeem

waarbij er geen overbodig gebruik moet gemaakt worden van grondstoffen en er geen

luchtverontreiniging meer is. Dit kan bijvoorbeeld door auto's die werken op perslucht. Er bestaan zo

al enkele prototypes maar echte investeerders zijn er nog niet gevonden. Dit soort wagens zou wat

meer aandacht moeten krijgen.


78

Besluit

Het maken van dit werkstuk was voor mij echt een leerrijke ervaring. Tijdens de eerste trimester van

dit schooljaar heb ik mij vooral gefocust op elektrische wagens. Daardoor heb ik veel bijgeleerd over

de werking van een elektrische wagen, de huidige milieuproblematiek en de geschiedenis van

elektrische en hybride wagens. Ik vond het leren over de elektrische motor voor mezelf het

interessantst. Elektriciteit is voor mij veel interessanter geworden door het maken van dit eindwerk.

De tweede trimester heb ik de hybride wagen in detail besproken. Als voorbeeld voor een hybride

wagen heb ik de Toyota Prius besproken. Hiervan heb ik verschillende componenten besproken, van

het besturingsysteem over de verbrandingsmotor tot het planetair tandwielstelsel. Ik had op

voorhand niet verwacht dat een hybride wagen zo een complex systeem zou zijn.

De laatste trimester heb ik vooral de haalbaarheid, de kostprijs van elektrische en hybride wagens

besproken. Zo heb ik een conclusie kunnen maken over hoe haalbaar elektrisch en hybridisch rijden

nu effectief is en wat hun toekomstperspectieven zijn.


79

Bijlagen

Bijlage 1: Eerste praktische proef

Als eerste praktische proef heb ik er voor gekozen om een simpele elektromotor te bouwen.

Benodigdheden

• Houten plankje

• Vijzen

• Koperdraad

• Elektriciteitsdraad

• Een magneet

• Plakband

• Transformator (230V/12V AC, 50 Hz, 30VA)

• Spijker

• Hamer

• Wasspeld

• 2 Duimspijkers

• Boormachine

Bouwplan

1) Buig twee stukjes koperdraad in de vorm van een staf. Deze twee stukjes koperdraad worden

de houders voor de spoel.

2) Maak een spoel van koperdraad met genoeg wikkelingen, zo is de spoel goed

uitgebalanceerd. Zorg ervoor dat er aan weerskanten van de spoel een stuk draad uitsteekt:

daarmee komt de spoel straks in de houders te liggen. Wikkel wat plakband om de spoel

heen om deze bij elkaar te houden. Neem nu een scherp voorwerp of wat schuurpapier en

schraap daarmee wat van de uitstekende draad weg.

Figuur 54: Spoel praktische proef 1.

Figuur 53: Praktische proef 1.


80

3) Neem nu het plankje. Maak met een boormachine twee gaatjes zodat de spoel tussen de

twee gaten past. Zorg ervoor dat de diameter van de gebruikte boor ongeveer gelijk is aan de

diameter van de houders, zodat deze achteraf mooi in de twee gaatjes passen.

4) Maak een schakelaar van de wasspeld en de 2 duimspijkers. Door op beide benen van de

wasspeld 1 duimspijker te plaatsen, en deze te verbinden met een stuk elektriciteitsdraad,

maak je een schakelaar.

Figuur 55: Schakelaar praktische proef 1.

5) Neem drie stukjes elektriciteitsdraad. Verbind 1 van deze stukjes met de motor en de

transformator. Verbind een ander stukje met de transformator en de schakelaar. Verbind het

laatste stukje met de schakelaar en de motor.

6) Leg de spoel in de houders en zorg dat hij goed kan draaien. Leg de magneet naast de spoel.

Verbind de transformator met het net en zet de schakelaar aan.

Belangrijk: Gebruik een spanningsbron met wisselspanning, anders draait de spoel slechts halve

toeren.


81

Werking

Hier gebeurt hetzelfde als bij een echte elektromotor. Er gaat een kracht werken op een draad waar

stroom doorheen loopt als er ook een magnetisch veld op werkt. Daardoor duwt de magneet de

spoel weg als je de stroom aanzet. Als dat hard genoeg gaat, komt even later de andere kant van de

spoel aan de magneet voorbij, en die wordt dan ook weer verder geduwd. Zo blijft de spoel draaien.

En dat is een vereenvoudigde vorm van hoe een elektromotor in de elektrische wagens werkt.

Figuur 56: Werking van de zelfgebouwde elektromotor.

Voor de exacte werkwijze van de elektromotor, zie ‘3. a. 7. Verschillende elektromotoren’.


82

Bijlage 2: Bespreking planetair tandwielstelsel

Planetair tandwielstelsel in de Prius

De Toyota Prius maakt gebruik van een planetair tandwielstelsel om de verbrandingsmotor, de

elektromotor en de generator aan elkaar te koppelen. Dit planetair tandwielstelsel is essentieel voor

de Prius, vermits de gecombineerde hybride zo kan switchen tussen serie hybride en parallel hybride.

Maar het planetair tandwielstelsel kan nog veel meer, zo kan het ook werken als een continu

variabele transmissie. Deze component maakt een handmatige of automatische versnellingsbak

onnodig. Een planetair tandwielstelsel bestaat uit een zonnewiel, een ringwiel en meestal drie

satelliettandwielen. In de Toyota Prius gebruikt men er echter vier.

Daardoor is de diameter van het ringwiel gelijk aan de diameter van het zonnewiel plus twee keer de

diameter van één satelliettandwiel. Dit houdt dus ook in dat het aantal tanden van het ringwiel gelijk

moet zijn aan het aantal tanden van het zonnewiel plus twee keer de tanden van een satellietwiel. Bij

de Prius heeft het zonnewiel 30 tanden (L) en één satellietwiel 24 tanden(M). Hieruit valt het aantal

tanden van het ringwiel (N) te bepalen.

Aantal tanden ringwiel:

N = L+2 • M = 30 + 2 • 24 = 78

Figuur 57: Voorstelling planetair tandwielstelsel.

In bovenstaande figuur stelt (1) het ringwiel voor, (2) een satelliettandwiel, (3) het zonnewiel en (4)

stelt de houder van de satellietwielen voor.


83

Figuur 58: Schematische voorstelling planetair tandwielstelsel Toyota Prius.

In bovenstaande figuur wordt de verbrandingsmotor en zijn verbinding met het planetair stelsel

voorgesteld door het blauwe gedeelte. De verbrandingsmotor is verbonden met de

satelliettandwielen van het planetair stelsel. De generator wordt voorgesteld door het gele gedeelte

in de figuur en is verbonden met het zonnewiel. De elektromotor wordt voorgesteld door het groene

gedeelte en is verbonden met het ringwiel van het planetair stelsel.


84

Overbrengingsverhouding in het planetair tandwielstelsel

Wat is de overbrengingsverhouding?

De overbrengingsverhouding van de tandwieloverbrenging is de verhouding van de hoeksnelheden

van het aangedreven tandwiel en het gedreven tandwiel. De overbrengingsverhouding wordt

meestal aangeduid met de letter ‘i’.

Figuur 59: Verschillende situaties overbrengingsverhouding.

In de bovenstaande tekening zijn twee situaties afgebeeld die de mogelijke onderlinge draaizin van

tandwielen voorstellen. De tandwielen draaien rond een vaste as. Hieruit kan men de formule voor

de overbrengingsverhouding i afleiden.

Situatie 1:

8 = 9192 = −:2

:1

Waarbij 8 = overbrengingsverhouding (geen eenheid)

9 = omwenteling snelheid in rad/s

: = aantal tanden (geen eenheid)

Situatie 2

8 = 9192 = +:2

:1

Waarbij 8 = overbrengingsverhouding (geen eenheid)



Hierboven is te zien dat er in situatie 1 een minteken moet worden geplaatst om het juiste teken te

bekomen voor de overbrengingsverhouding. Dit komt omdat het teken van de hoeksnelheid omkeert

wanneer de tandwielen uitwendig ingrijpen.

Uit bovenstaande formule blijkt dat de verhouding van de hoeksnelheden omgekeerd evenredig is

met de verhouding van het aantal tanden. Dit valt ook af te leiden uit volgende redenering. Wanneer


85

het eerste tandwiel volledig roteert zijn er :1 tandwielen het aangrijpingspunt8 gepasseerd. Dus

wanneer het eerste tandwiel roteert met een �1 aantal toeren per minuut passeren er :1 • �1

tanden van het eerste tandwiel per minuut het aangrijpingspunt. Doordat het tweede tandwiel één

tand verder draait per tand rotatie van het eerste tandwiel, passeren er :2 • �2 tanden van het

tweede tandwiel het aangrijpingspunt per minuut. Daaruit kunnen we de volgende formule afleiden.

�2 = :1�1:2

� �2 • :2 = �1 • :1

� 92 • :2 = 91 • :1

� ;<;% = =%

=< = 8

Waarbij: 8 = overbrengingsverhouding (geen eenheid)



� = toeren per minuut

Overbrenging in het planetair tandwielstelsel

Om een koppel over te kunnen zetten met behulp van een planetair tandwielstelsel wordt telkens

één van de soorten wielen vastgezet. Met andere woorden, ofwel staat het ringwiel vast, ofwel het

zonnewiel, ofwel staan de satelliettandwielen vast. Het vastgezette gedeelte doet dienst als reactie

element. Op deze manier kan men verschillende elementen koppelen, waardoor er vertragingen,

versnellingen en veranderingen van de draairichting ontstaan. De drie elementen van het planetair

tandwielstelsel (het zonnewiel, het ringwiel en de satelliettandwielen) kunnen dus een drijvend, een

aangedreven of een reactie element zijn.

Als reactie element zijn er twee mogelijkheden:

• Enkel aangedreven stelsel, daarbij staat het reactie element vast.

• Dubbel aangedreven stelsel, daarbij wordt het reactie element ook aangedreven.

Hierdoor kan er met een planetair tandwielstelsel een overbrenging gerealiseerd worden doordat

één van de drie elementen wordt vastgezet of door het aandrijven van twee elementen.

8 Punt waar twee tandwielen elkaar raken.


86

In onderstaande tabel wordt duidelijk gemaakt wat er gebeurt wanneer één van de drie elementen

wordt vastgezet.

Zon Drager Ring Snelheid Koppel

Input Output Vast Maximum reductie Vermeerdering

Vast Output Input Minimum reductie Vermeerdering

Output Input Vast Maximale vermeerdering Reductie

Vast Input Output Minimale vermeerdering Reductie

Input Vast Output Reductie Vermeerdering

Output Vast Input Vermeerdering Reductie

Tabel 8: Reactiekoppel en snelheid op vastgezet element in het planetair stelsel.


87

Bepalen van de overbrengingsverhouding

Bij de Prius 2 is in het planetair tandwielstelsel het zonnewiel aangesloten op de generator en heeft

het zonnewiel 30 tanden. De drager van de satelliettandwielen is aangesloten op de

verbrandingsmotor (benzine) en één satellietwiel heeft 24 tanden (zo zijn er vier). Het ringwiel is dan

weer aangesloten op de elektrische motor en heeft 78 tanden. Hieruit volgt dat :> = 30, :? = 78 en

:� = 24. Hieruit valt de straal van dit tandwiel te berekenen.

De straal van het zonnewiel:

?> = 302@ A 4,8

De straal van het ringwiel:

?? = 782@ A 12,4

De straal van één satellietwiel:

?� = 242@ A 3,8

Om de berekeningen te vereenvoudigen stelt men rs en rz gelijk en noemt men deze r. Daardoor

wordt de afstand van het zwaartepunt van het zonnewiel tot het zwaartepunt van één van de

satellietwielen gelijk aan twee keer de straal r en de afstand van het zwaartepunt van het ringwiel tot

de tandwielen van het ringwiel drie keer de straal r.

zdr = 2r

zr = 3r (1)

zz = r

Waarbij: de eenheid van z gelijk is aan m

Dit wordt verduidelijkt in onderstaande figuur.

Figuur 60: Voorstelling planetair stelsel.


88

Aan de hand van de volgende figuur stelt men een algemene formule op.

Figuur 61: Illustratie voor opstellen algemene formule.

Hieruit volgt de volgende formule:

!D? = )EF)G< (2)

Waarbij: vdr = snelheid van de drager [m/s]

vr = snelheid van het ringwiel [m/s]

vs = snelheid van het zonnewiel [m/s]


89

De snelheid v is gelijk aan de omwentelingssnelheid vermenigvuldigd met de diameter. Daaruit

volgt:

9D? • >D? = !D?

9? • >? = !? (3)

9> • >> = !>

Waarbij: 9D? = omtreksnelheid van de drager [rad/s]

9? = omtreksnelheid van het ringwiel [rad/s]

9> = omtreksnelheid van het zonnewiel [rad/s]

Wanneer men nu (3) invult in (2), bekomt men de volgende vergelijking:

9D? • >D? = ;E •GEF ;G •GG< (4)

Wanneer men nu (1) invult in (4), bekomt men volgende vergelijking:

9D? • 2? = 12 �9? • 3? + 9> • ?�

� 9D? = H;EF ;G4 (5)

Bovenstaande vergelijking wordt beschouwd als de algemene vergelijking van

omwentelingssnelheden.

Overbrengingsverhouding in de Toyota Prius

Zoals eerder is vastgesteld, heeft de Toyota Prius 30 tanden op het zonnewiel, 78 tanden op het

ringwiel en 24 tanden op elk satellietwiel.

8 = :?:> = 78

30 = 2,6

Waarbij: :? = aantal tanden op het ringwiel

:> = aantal tanden op het zonnewiel

8 = :>:D? = 30

24 = 1,25

Waarbij: :> = aantal tanden op het zonnewiel

:D? = aantal tanden op het satellietwiel


90

Verhouding tussen de koppels

Stelling

Om de berekeningen eenvoudiger te maken neemt men aan dat er geen vermogenverliezen zijn. Dat

houdt dus ook in dat er geen koppelverliezen zijn in het planetair stelsel. In de realiteit is dit echter

wel zo, omwille van de wrijving. Hieruit kunnen we de volgende formule halen:

ΣJ = 0

J> + JD? + J? = 0

Waarbij: J> = het koppel van het zonnewiel [Nm]

JD? = het koppel van de drager [Nm]

J? = het koppel van het ringwiel [Nm]

ΣK = 0

K> + KD? + Pr = 0

� 9> • J> + 9D? • JD? + 9? • J? = 0

Waarbij: K> = het vermogen van het zonnewiel [Pa/s]

KD? = het vermogen van de drager [Pa/s]

Pr = het vermogen van het ringwiel [Pas/s]

Met andere woorden: de som van alle koppels is gelijk aan nul of dat één ingaand koppel gelijk is aan

twee uitgaande koppels.


91

Bewijs van de stelling

Stel dat men de drager aandrijft met een kracht die we gelijk stellen aan 2F. Dus men drijft dan ook

elk satellietwiel aan met 2F.

Figuur 62: Visualisering inwerkende kracht op satellietwiel.

Hieronder wordt één satellietwiel geïsoleerd, dit ter verduidelijking.

Figuur 63: Isolering één satellietwiel.

De kracht die inwerkt op het aangrijpingspunt van het satellietwiel, moet gelijk zijn aan de kracht aan

de rand van het satellietwiel. Dit wordt nu terug voorgesteld in het planetair stelsel.

2F

F

F


92

Figuur 64: Inwerkende krachten op het satellietwiel.

Hieraan kan men aantonen dat de stelling klopt.

ΣJ = 0

J> + JD? + J? = 0

Uit bovenstaande figuur kan men de volgende formules afleiden:

J> = ? • M

JD? = 2? • M • −2 = −4? • M

J? = 3? • M

� ? • M − 4? • M + 3? • M = 0


93

Verband tussen de verschillende koppels

Analytisch

Verband tussen Mr en Mz

9> • J> + 9D? • JD? + 9? • J? = 0

Wanneer men nu (5) invult, verkrijgt men:

� 9> • J> + H;EF;G4 • JD? + 9? • J? = 0

� 9> • J> + H;EF;G4 • �−J> − J?� + 9? • J? = 0

� J> N9> − H;EF;G4 O + J? N9? − H;EF;G

4 O = 0

� J> N9> – H4 9? − %

4 9>O + J? N9? – H4 9? − %

4 9>O = 0

� J> NH4 9> − H

4 9?O = J? N− %4 9? + %

4 9>O

� J> H �;G$;E�;G$;E = J?

� J? = 3J> (6)

Verband tussen Mdr en Mz

� 9> • J> + 9D? • JD? + J? • 4;QE$ ;GH = 0

� 9> • J> + 9D? • JD? − �J> + JD?� • 4;QE$ ;GH = 0

� J> N9> + $4;QEF;GH O + JD? N9D? + $4;QEF ;G

H O = 0

� J> N4H 9> − 4

H 9D?O + JD? N− %H 9D? + %

H 9>O = 0

� J> 4�;G$;QE�;G$;QE = −JD?

� 4J> = −JD? (7)

Verband tussen Mdr en Mr

Vermits: 4J> = −JD?

J? = 3J>

� 4 NREH O = −JD?

� 4J? = −3JD? (8)


94

Grafisch

De verhoudingen 6, 7 en 8 kunnen ook grafisch aangetoond worden aan de hand van figuur B.12. Uit

die tekening volgt:

J> = ? • M (9)

JD? = 2? • M • −2 = −4? • M (10)

J? = 3? • M (11)

Uit de analytische berekening kan men de volgende verhoudingen halen:

J? = 3J> (6)

4J> = −JD? (7)

4J? = −3JD? (8)

Men vult 6, 7 en 8 in in 9, 10 en 11, waaruit volgt:

� 3? • M − 3? • M = 0

� 4? • M − 4? • M = 0

� 3 �−4? • M� + 4 �3? • M� = 0

Hieruit volgt dat de verhoudingen tussen de verschillende koppels kloppen.

Algemene grafiek

Men kan het planetair tandwielstelsel schematisch voorstellen in een grafiek. Die grafiek toont dan

het verband tussen de generator, de elektromotor en de verbrandingmotor. In onderstaande figuur

worden dezelfde kleurverhoudingen gebruikt als in figuur B.6.

Figuur 65: Algemene grafiek van de koppels.


95

Enkele verduidelijkingen bij bovenstaande grafiek:

• De schuine, rode lijn staat voor het toerental.

• De pijlen staan voor de koppelverandering. De gele pijl is voor het koppel van de generator,

dus voor het zonnewiel. Het rode wiel staat voor het koppel van de motor, dus voor de

drager van de satellietwielen.

• De ruimte tussen de verschillende verticale lijnen staat voor de overbrengingsverhoudingen.


96

Bijlage 3: De batterij

Inleiding

De batterij wordt gebruikt als leverancier van gelijkstroom waarbij chemische energie wordt omgezet

in elektrische energie. Twee chemische reacties, een oxidatie en een reductie, gebeuren in

gescheiden compartimenten. De elektronen die tijdens deze reactie worden uitgewisseld, vloeien

van het ene compartiment naar het andere compartiment via een elektrische geleider. Bij een niet

herlaadbare batterij is deze omzetting onomkeerbaar. Bij een herlaadbare batterij wordt bij het

opladen elektrische energie terug omgezet in chemische energie.

Redoxreacties en elektrochemie

In de chemie kan men een onderscheid maken tussen de volgende reacties.

Zuur base reacties

Bij dit soort reactie, in de eenvoudigste vorm, wordt een proton overgedragen van het ene reactant

naar het andere. Een typisch voorbeeld is de reactie tussen zoutzuur (HCl) en natriumhydroxide

(NaOH). HCl geeft een proton af aan NaOH waarbij water ontstaat. Het resterende chloride-ion (Cl-)

en natriumion (Na+) vormt keukenzout (NaCl).

HCl + NaOH → H20 + NaCl

Reacties met ladingsoverdracht

Bij reacties met ladingsoverdracht wisselen twee ionen van partner: na de reactie is het

oorspronkelijke anion van het overeenkomstige kation voor een ander anion of vice versa.

Een typisch voorbeeld is de reactie van zilvernitraat (AgNO3) met natriumchloride (NaCl). Zilvernitraat

lost op in water en splitst daarbij in een zilverkation (Ag+) en een nitraatanion (NO3-). Als

natriumchloride (NaCl) wordt toegevoegd, splitst dit eveneens op in een natriumkation (Na+) en een

chlorideanion (Cl-). Het zilverkation en het chlorideanion vormen een verbinding. Het gevormde

zilverchloride (AgCl) is onoplosbaar in water en slaat neer. In feite is het nitraatanion dat

oorspronkelijk gekoppeld was aan het zilverkation gewisseld voor een chloride-anion.

AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3

Of

Ag+ + Cl- → AgCl↓


97

Elektronentransferreacties

Bij reacties met elektronenoverdracht gaan elektronen over van het ene reagens naar het andere.

Hierbij is er telkens een component die elektronen afgeeft en een component die elektronen

ontvangt. De component die elektronen afgeeft, ondergaat een oxidatie. De component die

elektronen opneemt, ondergaat een reductie. Daarom spreken we van oxidatie reductie reacties of

redoxreacties.

Als we koper (Cu) in metaalvorm toevoegen aan een oplossing zilvernitraat (AgNO3), zien we

zilvermetaal ontstaan, terwijl de oplossing blauw wordt door het gevormde kopernitraat (Cu(NO3)2).

Zilver is edeler dan koper, daarom geeft koper elektronen af aan het zilverkation (Ag+), waarbij dit

reduceert tot zilvermetaal. Het koper oxideert tot het koperkation (Cu2+).

2 AgNO3 + Cu → 2 Ag + Cu(NO3)2

Of

2Ag+ + Cu → 2 Ag + Cu2+

Redoxreacties worden vaak uitgelegd als reacties tussen een metaal en het zout van een ander

metaal zoals in bovenstaand voorbeeld. Nochtans zijn redoxreacties zeker niet beperkt tot dit soort

reacties: vele andere niet-metallische producten reageren eveneens volgens een redox mechanisme.

Principe van een batterij

Redoxreacties vormen de basis van elektrochemische toepassingen. Als we een koperplaatje

onderdompelen in een oplossing zilvernitraat wordt het elektron overgedragen na direct contact van

een zilverkation met koper in de oplossing. Men ziet zilver neerslaan op de koperplaat, maar op deze

manier kan men de overgang van het elektron niet detecteren.

We kunnen dezelfde reactie ook op een andere manier uitvoeren: de twee reagentia (Cu en Ag+)

worden in aparte bekers gebracht. In de ene beker bevindt zich een oplossing van kopersulfaat

(CuSO4) waarin een koperplaat wordt ondergedompeld. In de andere beker bevindt zich een

oplossing van zilvernitraat (AgNO3) waarin een zilverplaatje wordt gedompeld. Beide platen worden

met elkaar verbonden door een elektrische geleider. Als men beide oplossingen ook nog eens met

elkaar verbindt via een zoutbrug, een vaste gel met een hoge concentratie zout, bekomt men een

gesloten circuit. Deze opstelling noemt men een galvanische cel.


98

Figuur 66: Galvanische cel.

De elektrontransfer gebeurt nu niet door direct contact van de reagentia, maar via de elektrische

geleider. Men kan de elektronoverdracht waarnemen door een voltmeter of een ampèremeter in het

circuit te plaatsen. Met een voltmeter meet men een spanning tussen de Cu/Cu2+ - en de Ag/Ag+ -

oplossing. Deze spanning is een maat voor het verschil in sterkte waarmee beide metalen zich laten

reduceren.

In een galvanische cel wordt de redoxreactie opgesplitst in twee ‘halfreacties’: de bijdrage van de

oxidatie en de reductie worden apart gehouden. Nochtans vereist elke reductie (=opname van

elektronen) steeds een reactie waar de nodige elektronen worden afgestaan (een oxidatie) en

omgekeerd. De reden waarom met halfreacties gewerkt wordt, is bedoeld om een vergelijking te

kunnen maken omtrent de reducerende sterkte van een component.

Als men één stof aanduidt als referentie kan men een lijst opmaken die aangeeft hoe eenvoudig een

stof zich laat reduceren in vergelijking met deze referentie. Als referentie wordt een oplossing

genomen van 1 mol/l H+ met waterstofgas (H2) bij een druk van 101325 Pa. De reductie van H+ naar

H2, wordt per definitie een waarde toegeschreven van 0V. De spanning die gemeten wordt als

bijvoorbeeld een koperplaat gedompeld is in een Cu2+ -oplossing in contact wordt gebracht met de

referentieoplossing, is dus volledig toe te schrijven aan de reductie van het koper. De bijdrage van de

tegenreactie is per definitie gelijkgesteld aan 0V.

Ook de reducerende sterkte van een redoxkoppel (bv. Cu/Cu2+) wordt uitgedrukt als een spanning

(eenheid: volt V). Het reductiepotentiaal van een redoxkoppel onder standaard omstandigheden (1

mol/l, 25 °C, 1 atm) wordt aangeduid als het standaard reductiepotentiaal Eo van dit redoxkoppel. Op

die manier ontstaat een lijst van de standaard reductiepotentialen Eo, waarbij de reactie in de vorm

van een reductie geschreven wordt. De tegenreactie in deze lijst wordt niet vermeld, maar is dus

steeds de oxidatie van de referentiestof.

Mz+ + ze- → M Eo = ?

H2 → 2 H+ + 2 e- Eo = 0,0 V


99

De waarden van de standaard reductiepotentialen hebben dus steeds betrekking op de volledige

reactie met alle componenten in standaard omstandigheden.

Mz+ + z H2 → M + 2z H+

Deze lijst is vergelijkbaar met een lijst van pKa-waarden van zwakke zuren. Hoe hoger de pKa-waarde,

hoe eenvoudiger het proton van dit zuur wordt afgesplitst of hoe sterker dit zuur. Op een

gelijkaardige manier hebben chemicaliën met een hoog, positief standaard reductiepotentiaal de

neiging zich gemakkelijk te laten reduceren. Voorbeelden hiervan zijn edelmetalen in oplossing,

dichromaat, permanganaat … Een hoog, positief standaard reductiepotentiaal heeft onvermijdelijk

tot gevolg dat de omgekeerde reactie (een oxidatie) moeilijk verloopt. Het product van de reductie

(bv. Au, Ag, Cr3+, Mn2+) vereist dan veel energie vooraleer het terug oxideert (naar respectievelijk

Au+, Ag+, Cr2O7-, MnO4

-).

Au+ + e- → Au Eo = + 1,69 V

Ag+ + e- → Ag Eo = + 0,80 V

Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- → 2 Cr3+ + 7 H2O Eo = + 1,36 V

MnO4- + 8 H+ + 5 e- → Mn2+ + 4 H2O Eo = + 1,51 V

Chemicaliën die moeilijk te reduceren zijn, hebben een hoog, negatief standaard reductiepotentiaal.

Voorbeelden hiervan zijn aluminiumionen, magnesiumionen, ijzerionen …

Al3+ + 3 e- → Al Eo = - 1,68 V

Mg2+ + 2 e- → Mg Eo = - 2,36 V

Fe2+ + 2 e- → Fe Eo = - 0,44 V

Zn2+ + 2 e- → Zn Eo = - 0,76 V

Het reactieproduct van een substantie met een hoog, negatief standaard reductiepotentiaal is dan

weer eenvoudig te oxideren. Een stuk metallisch Mg zal bijvoorbeeld spontaan oxideren tot Mg2+ als

het in water wordt ondergedompeld.

Om verwarring te vermijden worden de reacties best altijd geschreven als een reductie. Indien de

reacties omgekeerd zouden worden geschreven d.w.z. in de vorm van een oxidatie, dan verandert

het teken. Reacties met een hoog, negatief standaard reductiepotentiaal zouden dan een laag,

positief oxidatiepotentiaal hebben. Bv. Fe2+ staat bekend als een sterke reductans:

Fe3+ + e- → Fe2+ Eo = - 0,75 V

We zouden kunnen stellen dat Fe2+ een oxidatiepotentiaal heeft van + 0,75 V.

Het is niet altijd mogelijk om het standaard reductiepotentiaal van een redoxkoppel experimenteel te

bepalen in een galvanische cel. Dit komt bijvoorbeeld doordat het evenwicht tussen de geoxideerde

stof en de gereduceerde vorm van het koppel zich veel te traag instelt of doordat andere

evenwichten de meting van het redoxevenwicht onmogelijk maken. Toch kan in dat geval een

waarde van het standaard reductiepotentiaal gevonden worden door de reactie te laten verlopen in


100

een bomcalorimeter met direct contact tussen de reagentia. Aan de hand van de warmte die

vrijkomt tijdens de reactie kan men Eo berekenen.

Batterijen en brandstofcellen

Batterijen en brandstofcellen zijn galvanische cellen. De reagentia van de twee halfreacties worden

in aparte compartimenten opgeslagen, gescheiden door een zoutbrug. Als de cel stroom moet

leveren, worden de twee compartimenten via een geleider aan elkaar verbonden.

De Voltazuil

De Voltazuil staat geboekstaafd als de eerste batterij. De zuil bestaat uit metalen schijven (zink =

anode, koper of zilver = kathode) die op elkaar gestapeld worden, gescheiden door een in zout

gedrenkte doek. De werking van de Voltazuil is gebaseerd op het verschil in ‘werkfunctie’ tussen de

metalen en niet op het verschil in reductiepotentiaal.

Figuur 67: Voltazuil.


101

De Daniellcel

De efficiëntie van de Voltazuil is zeer laag. Moderne batterijen werken op het principe van de

Daniellcel. De Daniellcel is onmiskenbaar een galvanische cel en wekt wel op het verschil in

reductiepotentiaal tussen twee halfcellen. De reductie aan de kathode en de oxidatie aan de anode

worden gescheiden gehouden. De batterij levert stroom zolang er voldoende redox-actieve

chemicaliën aanwezig zijn in beide compartimenten.

Figuur 68: Daniellcel.

Hoe werkt een herlaadbare batterij?

Bij niet herlaadbare batterijen kan één of beide reacties niet uitgevoerd worden in de omgekeerde

richting en wordt de batterij onbruikbaar als het redox-actieve materiaal is opgebruikt. Bij

herlaadbare batterijen kunnen de twee halfreacties ook in omgekeerde richting verlopen. Als de

batterij leeg is worden de reacties met behulp van een gelijkstroombron omgedraaid.

Het klassieke voorbeeld van een herlaadbare batterij is de loodaccu. Een geladen loodaccu bestaat

uit een loodanode en een lood(IV)oxide kathode. De twee reacties hoeven hier niet in gescheiden

compartimenten uitgevoerd te worden aangezien beide reacties werkzaam zijn in hetzelfde

elektrolyt, een zwavelzuuroplossing. Als de batterij werkt, wordt de loodanode geoxideerd tot

lood(II)sulfaat (PbSO4). De PbO2-kathode wordt eveneens gereduceerd tot PbSO4.

Pb + H2SO4 → PbSO4 + 2 H+ + 2 e-

PbO2 + 2 H2SO4 + 2 e- → 2 H2O + PbSO4 + SO42-

Als de batterij leeg is, zijn beide elektrodes omgevormd tot loodsulfaat. De batterij wordt herladen

door de ene elektrode terug te reduceren tot Pb en de andere te oxideren tot PbO2.

PbSO4 + 2 H+ + 2 e- → Pb + H2SO4

2 H2O + PbSO4 + SO42- → PbO2 + 2 H2SO4 + 2 e-


102

De lithium ion batterij (Li-ion)

De lithium ion batterij werd ontwikkeld uitgaande van een batterij met een anode uit puur lithium.

Lithium is bijzonder licht. Het heeft een zeer negatief standaard reductiepotentiaal. Dit soort batterij

levert dus een hoge spanning en heeft een zeer hoge energiedensiteit. Nadelig is de explosieve

reactie van water! Na verloop van tijd werd het pure lithium vervangen door een intercalatie van

lithium. Dat wil zeggen dat het lithium gevangen zit tussen de lagen van een hexagonaal kristal.

Figuur 69: Lithium intercalatie.

Eigenschappen

• Hoge capaciteit (2 à 3 keer hoger dan NiCd)

• Hoge celspanning

• Relatief lage zelfontlading

• Weinig onderhoud, gebruiksvriendelijk

• Nagenoeg geen ‘memory’ effect9

• Tot 300 laad/ontlaad cycli, na 500 cycli is de capaciteit nog 50%

• Vooral cobaltoxide vereist beschermcircuit tegen te hoge en te lage spanning: spinel kan

oververhit geraken (zie verder)

• Beperkte laad- en ontlaadstroom

• Beperkte stockageduur

• Achteruitgang prestaties zelfs als niet gebruikt

9 Het memory effect is het effect dat optreed wanneer een batterij na veel te gebruiken niet meer naar zijn

maximale laadtoestand geraakt. Dit is een nefast voor de prestaties van de batterij.


103

Reacties

De anodereactie bestaat uit de vorming van intercalatie. Deze intercalatie kan voorgesteld worden

als een lithiumatoom dat opgesloten wordt in de gelaagde structuur van het dragermateriaal. Het

kan ook voorgesteld worden als een reactie met het dragermateriaal waarbij lithium dan voorkomt

als een ‘lithium ion’.

• Anode: Li → Li+ + e-

Bv.: LiV6O13 → Li+ + V6O13 + e-

V6O13 is slechts een voorbeeld. Er zijn veel verschillende types draagmateriaal: cokes, cobaltoxides,

mangaanoxides… De eigenschappen van de batterij verschillen sterk naargelang het dragermateriaal.

Het verbeteren van één eigenschap leidt vaak tot de verslechtering van een andere eigenschap. Een

te hoge drang naar hoge prestaties en lage kostprijs leidde in het verleden al tot onveilige situaties

(ontplofte gsm batterijen).

• Kathode: MO2 + Li+ + e- → LiMO2

Met: M = Co, Ni …

Het elektrolyt voor commerciële Li-ion batterijen is een organisch solvent.

De lood batterij

De Pb-accu wordt vooral gebuikt als startbatterij van auto’s. In de VS alleen worden jaarlijks 50

miljoen van dergelijke batterijen geproduceerd. Naast deze toepassing worden ze ook gebruikt voor

tractie van elektrisch aangedreven voertuigen en als noodbatterij.

Eigenschappen

• Hoge capaciteit (100 Ah)

• Hoge pulsen vereist om de motor te starten: 400 à 450 A gedurende 30 s, waarbij de

spanning niet lager mag worden dan 7,2 V.

• Na het starten moet gedurende een langere periode een lagere stroom geleverd worden,

waarbij de spanning niet lager mag worden dan 10,5 V (bv. 25 A gedurende 3 h).

• Veelvuldige laad/ontlaad cycli

• Goedkoop

Reacties

• Anode: Pb + SO42- → PbSO4 + 2 e-

• Kathode: PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 e- → 2H2O + PbSO4

• Elektrolyt: H2SO4 / H2O


104

De nickel-methaalhybride batterij (NiMH)

In de Ni-MH batterij wordt gebruik gemaakt van mengmetaal (cerium-lanthaan) om een hybride te

vormen (MH).

Eigenschappen

• Hoge capaciteit

• Weinig tot geen memory effect

• Volledige ontlading voor herladen is minder nodig.

• Tot 300 laad/ontlaad cycli

• Grote zelfontlading

• De batterij is geschikt voor lage stromen.

• Trage en ingewikkelde laadprocedure

Reacties

• Anode: MH + OH- → M + H2O + e-

• Kathode: NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-

Waarbij M een mengsel is van zeldzame aarde/nikkel (gebaseerd op LaNi5).


105

Bijlage 4: Tweede praktische proef

Als tweede praktische proef bouwde ik een kleine biobatterij, dit om het principe van een batterij uit

te leggen.

Benodigdheden

• Stroomdraadjes

• Koperen plaatjes

• Zinken plaatjes

• Multimeter

• Los LED lampje

• Zout water

Bouwplan

1) Een batterij bestaat grofweg uit drie onderdelen: een deel dat elektronen levert, een deel

dat elektronen levert, een deel dat elektronen opneemt en een deel waardoorheen de

elektronen zich kunnen verplaatsen. Dit laatste heet het elektrolyt. De meeste elektrolyten

zijn vloeistoffen. Huishoudazijn en vruchtensap zijn hier enkele voorbeelden voor. Voor deze

praktische proef werd echter zout water gebruikt.

2) Elektrische stroom is niets meer dan een stroom van elektronen. De min of negatieve pool

van de batterij levert elektronen, de plus of positieve pool neemt elektronen weer op en

stuurt ze terug naar de negatieve pool. Daardoor ontstaat een elektronen stroom. De

snelheid van de elektronen hangt ervan af hoe graag de minpool ze afgeeft en hoe graag de

pluspool ze weer opneemt. Dat wordt spanning genoemd en drukt men uit in Volt. Als

pluspool wordt gebruik gemaakt van een koperen plaatje en als minpool een zinken plaatje.

3) Om stroom te krijgen moet je een kring verkrijgen. Leg dus eerst het koperen en zinken

plaatje in het zout water. Sluit daarna de kring door een spanningsmeter aan te sluiten.

Verbind de + van de spanningsmeter met het koperplaatje en de - met het zinken plaatje.

4) De spanning die werd gemeten, was 0,75V. Dit is jammer genoeg niet genoeg om een LED

lampje te laden branden. Een rode LED vraagt een drempelspanning van 1,6V en dat is het

laagste om zichtbaar licht te verkrijgen.

Dit probleem valt op te lossen door meerdere cellen achter elkaar in serie aan te sluiten. Met

drie bakjes zout water achter elkaar werd een spanning van 1,9V gemeten. Dat is dus genoeg

om een rood LED lampje te laten branden.


106

Bijlage 5: Derde praktische proef

Als derde en laatste praktische proef heb ik enkele metingen uitgevoerd op een wagen die werkt met

het CAN netwerk. Dat netwerk wordt ook gebruikt in de Toyota Prius. Ik heb de metingen uitgevoerd

op een Volvo v70.

Systeem

Het CAN netwerk is een Bussysteem. Een bussysteem is eenvoudig uitgelegd een netwerk dat er voor

zorgt dat twee of meerdere stuurapparaten met elkaar verbonden zijn en communicatie kunnen

uitwisselen. In een CAN netwerk verloopt deze communicatie over twee kabelverbindingen. In

principe kunnen alle gegevens over één verbinding verstuurd worden, maar als back up gebruikt men

toch een tweede. De gegevens in bussystemen worden getransporteerd met behulp van bits.

Het CAN netwerk draagt alle gegevens in serie over. Daardoor zou er in essentie dus maar één draad

nodig zijn voor de gegevens overdracht. Maar vermits al deze gegevens in serie verlopen heeft men

een systeem moeten bedenken. Men zorgt er voor dat de gegevens eigenlijk in als een telegram

worden verstuurd. Ze hebben een vaste volgorde die moet gerespecteerd worden zodat het CAN

netwerk weet welke gegevens voor welk stuurapparaat bedoeld zijn.

Opbouw telegram

Figuur 70: opbouw telegeram van een CAN netwerk.


107

DATA-overdracht

Bij een tweedraads CAN bussysteem onderscheidt men:

• CAN HIGH

• CAN LOW

De gegevens die men verstuurt worden zowel op de CAN HIGH als op de CAN LOW gezet. Op de CAN

LOW staat het spiegelbeeld van het signaal dat men op de CAN HIGH terugvindt. Het stuurapparaat

meet de differentiaalspanning tussen de CAN HIGH en de CAN LOW. Zo wordt de betrouwbaarheid

van het signaal verhoogd.

De referentiespanning op een CAN-BUS bedraagt 2,5V. Daardoor zal de spanning op de CAN HIGH

variëren tussen 2,5 en 4V. Voor de CAN LOW is dit uiteraard lager, namelijk tussen de 2,5 en 1V.

Elektromagnetische storingen die veroorzaakt worden door grote stroompieken in andere kringen

worden vermeden, omdat ze de CAN communicatie zouden kunnen verstoren. Om dit ten alle tijden

te vermijden worden de draden met elkaar getwist, gevlochten.


108

CAN-Gateway

Een CAN-Gateway verbindt principieel twee CAN-netwerken met elkaar, maar zorgt er tegelijk voor

dat deze twee netwerken galvanisch van elkaar gescheiden blijven.

Een aanrijding dat voor het voertuig eigenlijk ongevaarlijk is kan zorgen voor de uitval van de

complete voertuigcommunicatie, wat zou leiden tot het stilvallen van het voertuig. De CAN-Gateway

zorgt er net voor dat dit niet kan gebeuren. Bij een fout in de Low-Speed-CAN (het systeem dat zorgt

voor alle ‘tools’ in de wagen) blijft de High-Speed-CAN (zorgt voor de motorsturing en de airbags) in

werking. De CAN-Gateway heeft dus de mogelijkheid om met verschillende bussystemen te

communiceren. Men kan de CAN-Gateway dan ook het best vergelijken met een ‘slimme professor’

die verschillende talen spreekt.

Figuur 71: De CAN-Gateway voorgesteld als slimme professor.

Metingen

Metingen met de ohmmeter

Door de weerstand te meten tussen de CAN-high en de CAN-low kan men al heel goed de toestand

van de bedrading beoordelen.

Figuur 72: De bedrading en twee eindweerstanden in het CAN netwerk.


109

De parallelle weerstand in een CAN netwerk bedraagt dus 60 Ω. Men kan nu verschillende fouten

opsporen.

• Meet men 120 Ω dan is de CAN-Bus onderbroken.

• Meet men 0 Ω dan is de CAN-Bus kortgesloten (CAN high en CAN low onderling).

• Meet men de twee lijnen apart ten opzichte van de carrosserie dan moet men telkens een

weerstand meten van oneindig ohm. Bij een lage weerstand is die CAN-bus lijn kortgesloten

met de massa.

Figuur 73: Eigen meting met een ohmmeter.


110

Metingen met de voltmeter

Wanneer men metingen uitvoert met de voltmeter kan men zien of de wagen naar behoren

functioneert. Wanneer er niets aan de hand is de gemeten spanning op de CAN-high iets groter dan

2,5V en die op de CAN-low iets lager.

Figuur 74: Eigen meting met de voltmeter op de CAN-low.


111

Metingen met de oscilloscoop

Met een oscilloscoop is het mogelijk om de signaalvolgorde zichtbaar te maken. Het vertalen van dit

dataverkeer in een klare tekst is heel ingewikkeld en wordt daarom hier ook niet uitgelegd. Aan de

hand van een oscilloscoop kan men wel makkelijk vaststellen of er signaalverkeer plaatsvindt of er

een kortsluiting in het CAN systeem is.

Figuur 75: Eerste eigen meting met de oscilloscoop.

Op bovenstaande figuur is duidelijk te zien dat men met de A klem meet op de CAN-low en met de B

klem meet op de CAN-high. Dit is te zien door het potentiaal verschil van de spanning.


112

Figuur 76: Tweede eigen meting met de oscilloscoop.

Op deze figuur kan met heel goed de grote van één bit zien. Men kan ook een deel zien van de

gegevens die worden doorgestuurd of de telegram.

Figuur 77: Derde eigen meting met de oscilloscoop.

Men kan op bovenstaande figuur duidelijk onderscheiden dat één bit 2 μs duurt. Aan de hand

hiervan kan men het aantal bits per seconde bepalen, dat 500 000 Bits bedraagt.


113

Overzicht figuren

Figuur 1: De geschiedenis van de elektrische wagen. ........................................................................... 10

Figuur 2: De elektrische wagen omstreeks 1903. ................................................................................. 10

Figuur 3: EV1 kende zijn absoluut hoogtepunt in 1996, vandaag is hij helemaal verdwenen. ............. 11

Figuur 4: Tesla Roadster: een hoog performante elektrische sportwagen. .......................................... 12

Figuur 5: La Jamais Contente met Camille Jenatzy. .............................................................................. 12

Figuur 6: De Toyota Prius zorgde voor een doorbraak van hybride wagens. ....................................... 13

Figuur 7: De onderdelen van de elektromotor. .................................................................................... 18

Figuur 8: Principeschema van een elektrische wagen met één synchroonmotor ................................ 20

Figuur 9: Motor Mitsubishi i-Miev. ....................................................................................................... 20

Figuur 10: Principeschema van een elektrische wagen met vier synchroonmotoren .......................... 21

Figuur 11: Verspreiding van het fijn stof in Europa in µg/m³ ................................................................ 24

Figuur 12: Overzicht van het krimpen van de olievoorraden met een voorspelling tot 2050. ............. 24

Figuur 13: Click and Drive station aan de luchthaven van Schiphol. ..................................................... 27

Figuur 14: Vergelijking kosten bestelwagens ........................................................................................ 31

Figuur 15: Vergelijking kosten personenwagens .................................................................................. 32

Figuur 16: Schema van serie hybride wagen. ........................................................................................ 33

Figuur 17: Schema van parallel hybride wagen..................................................................................... 34

Figuur 18: Schema van gecombineerde hybride wagen. ...................................................................... 35

Figuur 19: Verschillende maten van hybridisatie .................................................................................. 36

Figuur 20: Schema doorstroming van krachtberekening m.b.v. de HV ECU. ........................................ 41

Figuur 21: Systeem diagram algemene werking HV ECU. ..................................................................... 42

Figuur 22: Snelheidsgedrag van aangedreven wiel bij het opstarten op besneeuwde weg. ................ 44

Figuur 23: Grip van de aangedreven wielen. ........................................................................................ 45

Figuur 24: Voorstelling planetair tandwielstelsel. ................................................................................. 45

Figuur 25: Slippen van de aangedreven wielen. ................................................................................... 46

Figuur 26: Conceptueel beeld van de tractiecontrole door de motor. ................................................. 46

Figuur 27: Systeem diagram SMR. ......................................................................................................... 47

Figuur 28: Voorstelling relaisschakeling bij vermogen op ON. ............................................................. 47

Figuur 29: Voorstelling relaisschakeling bij vermogen op OFF. ............................................................ 48

Figuur 30: Systeem diagram motor ECU. .............................................................................................. 49

Figuur 31: Het accupakket zonder behuizing. ....................................................................................... 50

Figuur 32: Systeem diagram accupakket met toebehoren. .................................................................. 51

Figuur 33: Overzicht vermogen regeleenheid. ...................................................................................... 52

Figuur 34: Systeem diagram vermogen regeleenheid van het accupakket. ......................................... 53

Figuur 35: Benzine motor. ..................................................................................................................... 54

Figuur 36: Inlaat en compressieslag. ..................................................................................................... 54

Figuur 37: De arbeidsslag en de uitlaatslag. .......................................................................................... 55

Figuur 38: Het (p,V)-diagram. ................................................................................................................ 56

Figuur 39: Het (p,V)-diagram bij inlaat. ................................................................................................. 56

Figuur 40: Het (p,V)-diagram bij compressie......................................................................................... 57

Figuur 41: Het (p,V)-diagram bij arbeid. ................................................................................................ 57

Figuur 42: Het (p,V)-diagram bij uitlaat. ................................................................................................ 58


114

Figuur 43: Het totale (p,V)-diagram. ..................................................................................................... 58

Figuur 44: Praktisch diagram. ................................................................................................................ 59

Figuur 45: Het totale (p,V)-diagram. ..................................................................................................... 61

Figuur 46: Vermogen curve motor Toyota Prius. .................................................................................. 63

Figuur 47: (p,V)-diagram van de Toyota Prius. ...................................................................................... 64

Figuur 48: Miller-cyclus. ........................................................................................................................ 65

Figuur 49: Voorstelling VTT-i systeem. .................................................................................................. 66

Figuur 50: VTT-i tijdens stationair draaien. ........................................................................................... 67

Figuur 51: VTT-i tijdens middelmatige belasting. .................................................................................. 67

Figuur 52: VTT-i tijdens volle kracht. ..................................................................................................... 68

Figuur 54: Spoel praktische proef 1....................................................................................................... 79

Figuur 53: Praktische proef 1. ............................................................................................................... 79

Figuur 55: Schakelaar praktische proef 1. ............................................................................................. 80

Figuur 56: Werking van de zelfgebouwde elektromotor. ..................................................................... 81

Figuur 57: Voorstelling planetair tandwielstelsel. ................................................................................. 82

Figuur 58: Schematische voorstelling planetair tandwielstelsel Toyota Prius. ..................................... 83

Figuur 59: Verschillende situaties overbrengingsverhouding. .............................................................. 84

Figuur 60: Voorstelling planetair stelsel. ............................................................................................... 87

Figuur 61: Illustratie voor opstellen algemene formule. ....................................................................... 88

Figuur 62: Visualisering inwerkende kracht op satellietwiel. ................................................................ 91

Figuur 63: Isolering één satellietwiel..................................................................................................... 91

Figuur 64: Inwerkende krachten op het satellietwiel. .......................................................................... 92

Figuur 65: Algemene grafiek van de koppels. ....................................................................................... 94

Figuur 66: Galvanische cel. .................................................................................................................... 98

Figuur 67: Voltazuil. ............................................................................................................................. 100

Figuur 68: Daniellcel. ........................................................................................................................... 101

Figuur 69: Lithium intercalatie. ........................................................................................................... 102

Figuur 70: opbouw telegeram van een CAN netwerk. ........................................................................ 106

Figuur 71: De CAN-Gateway voorgesteld als slimme professor. ......................................................... 108

Figuur 72: De bedrading en twee eindweerstanden in het CAN netwerk. ......................................... 108

Figuur 73: Eigen meting met een ohmmeter. ..................................................................................... 109

Figuur 74: Eigen meting met de voltmeter op de CAN-low. ............................................................... 110

Figuur 75: Eerste eigen meting met de oscilloscoop. ......................................................................... 111

Figuur 76: Tweede eigen meting met de oscilloscoop. ....................................................................... 112

Figuur 77: Derde eigen meting met de oscilloscoop. .......................................................................... 112


115

Overzicht tabellen

Tabel 1: Vergelijking tussen een hybride en een elektrische auto. ....................................................... 14

Tabel 2: Overzicht van de verschillende oplaadtijden. ......................................................................... 16

Tabel 3: Overzicht van verschillende accu's met bijhorende kostprijs en hun kWh. ............................ 16

Tabel 4: Overzicht van enkele modellen met het maximumkoppel van hun elektromotor. ................ 21

Tabel 5: Nadelen en voordelen van motorische integratie in de wielen. ............................................. 34

Tabel 6: Verschillende k-waarden ......................................................................................................... 62

Tabel 7: Specificaties van de generator en de elektromotor. ............................................................... 70

Tabel 8: Reactiekoppel en snelheid op vastgezet element in het planetair stelsel. ............................. 86


116

Bronnen

Websites

www.sciencespace.nl (laatst gebruikt op 14 mei 2013)

www.wetenschap.infonu.nl (laatst gebruikt op 19 april 2013)

www.wikipedia.org (laatst gebruikt op 27 mei 2013)

http://www.timloto.org/nl/boeken.html (laatst gebruikt op 15 april 2013)

http://www.hoedoe.nl/wetenschap-techniek/scheikunde/hoe-maak-ik-een-biobatterij

(laatst gebruikt op 25 april 2013)

http://thenewdrive.be (laatst gebruikt op 29 mei 2013)

Bedrijven

Elva

Fisker

Honda

Mitsubishi

Mia

Peugeot

Renault

Tesla

Toyota

Varta

Volvo

Magazines

Electric & Hybrid

Engine

Transmission

Boeken

Mom, G., Geschiedenis van de auto van morgen, 1e druk, Kluwer Bedrijfsinformatie, Deventer, 1997

Cursussen

EDUCAM Hybride voertuig en veiligheid, opleiding gevolgd op 08/11/2012

Schoenmaeckers, A. Hoofdstuk 7: Viertaktmotor, cursus 5de jaar toegepaste fysica.


117

Eindwerken

Vandemergel, K., Sturing van een permanentmagneet synchrone machine voor een elektrische

wagen, Universiteit Gent, promotor: prof. Dr. ir. Melkebeek, J., academiejaar 2008 - 2009

Van Raemdonck, P., Hybride wagens, VTS, mentor: Van Lierde, C., academiejaar 2011 - 2012

Andersson, S.-L., Elofsson, A., Plug-in Hybrid Electric Vehicles as Control Power, Chalmers (Göteborg,

Sweden), ETH Zürich (Zürich, Switzerland), academiejaar 2008 - 2009

Eindwerk Middelbaar Hybride en Elektrisc

Documents

Transcript of Eindwerk Middelbaar Hybride en Elektrisc