De toekomst van de auto is vol spanning!
De wereldwijde regelgeving voor voertuigemissies wordt steeds strenger; de uitstoot moet steeds verder omlaag. Het is niet mogelijk om motoren snel genoeg schoner te krijgen, dus om ervoor te zorgen dat autofabrikanten aan deze normen kunnen blijven voldoen, moeten ze hun toevlucht nemen tot het bouwen van elektrische auto's en/of elektrificatie van hun bestaande autoplatforms met verbrandingsmotoren; hybrides.
Elektromotoren stoten geen dampen uit, dus als die gebruikt worden om een voertuig aan te drijven of om brandstofaangedreven voertuigen te ondersteunen, is er een aanzienlijke vermindering van de totale hoeveelheid uitstoot.
De standaard voor elektrificatie van motorvoertuigen, inclusief hybrides en BEV (Battery Electric Vehicle), is typisch een hoogspanningsarchitectuur. De typische spanning ligt rond de 400 Volt. In sommige hoogwaardige toepassingen zelfs in de buurt van de 800 Volt.
Hoewel deze hoogspanningsarchitecturen een aanzienlijke hoeveelheid pk's en koppel kunnen opleveren, hebben ze ook enkele belangrijke nadelen; er zijn grote batterijen nodig, er bestaat gevaar voor elektrocutie, het is vrij duur om te ontwikkelen en te bouwen en de batterijen hebben thermisch beheer nodig om een optimaal vermogen en een optimale levensduur te verkrijgen.
Het ontwikkelen van een nieuw volledig elektrisch autoplatform is voor de meeste autofabrikanten erg duur, dus als het mogelijk is om bestaande platforms aan te passen voor elektrificatie, zou dit zeer kosteneffectief zijn. Een van de grootste problemen is echter de plaatsing van het batterijpakket; een bestaand ICE*-platform laat meestal geen gemakkelijke integratie toe; de vloer is ingericht om een uitlaat en een brandstoftank op te nemen. Een batterijpakket toevoegen is moeilijk.
*ICE = Internal Combustion Engine = verbrandingsmotor
Dus, er zijn de hoge kosten van hoogspanningsconfiguraties en -architecturen en er is vraag naar eenvoudige oplossingen voor elektrificatie. Hier komt 48 Volt als oplossing in beeld.
48 Volt in opmars
In het verleden werd 48V gezien als een oplossing voor veredelde stop/start-systemen, maar het sloeg niet helemaal aan. Sindsdien is de perceptie behoorlijk veranderd.
Op het gebied van elektrificatie kunnen 48V-systemen tot 90% van de prestaties van hoogspanningssystemen bieden, tegen 30-60% van de kosten. De belangrijkste bijdrage aan de kostenreductie is ook het hart van het systeem; de generator. In zijn constructie lijkt de 48V-generator sterk op een conventionele 12V-dynamo. Hierdoor is hij zeer eenvoudig te integreren in de auto. Hij zit gewoon op dezelfde plek, dus grote veranderingen zijn niet nodig.
Als de generator dan ook nog als elektromotor gebruikt kan worden, wordt het overduidelijk een handig apparaat. Zie daar de Belt Driven Starter Generator (BDSG)*.
*Riemaangedreven starter/generator
Twee in een
De BDSG is een generator en elektromotor in één. Hij neemt net zoveel ruimte in beslag als een conventionele dynamo, dus het is niet nodig om de motorruimte van de auto opnieuw in te delen.
In de dynamomodus laadt de BDSG 48V en maakt deel uit van een slim laadsysteem. Dit betekent dat de generator alleen laadt als de conditie van de batterij dit vereist. In elke andere situatie is er geen lading en wordt er dus brandstof bespaard en daarmee de CO2-uitstoot verminderd. Het ideale moment om het laden te starten is tijdens het remmen en het loslaten van het gaspedaal, daarmee werkend als regeneratief remmen.
Dubbele lay-out: 48V en 12V
Dat de BDSG 48 Volt laadt, wil niet zeggen dat het hele boordnet op 48 Volt werkt. Het zou niet logisch zijn om de boordspanning te veranderen van 12 Volt naar 48 Volt, omdat dan alles zou moeten veranderen; van gloeilampen tot entertainmentsystemen, tot ontstekingssysteem, tot comfortsystemen, enz. Elk elektrisch onderdeel zou moeten worden vervangen.
Daarom zijn het 48 Volt laadsysteem en de rest van de 12 Volt elektra gescheiden. De 48V BDSG laadt een compact 48 Volt accupakket op via daarvoor bestemde stroomkabels. Zowel positief als negatief. Op dit 48 Volt accupakket is een DC/DC-omvormer aangesloten, die 48 Volt omzet in 12 Volt, die op zijn beurt het traditionele 12 Volt boordnet van stroom voorziet, inclusief de 12 Volt (start)accu.
Milde hybride
De 48V BDSG kan werken als een elektromotor en aangezien deze via de multi-V-riem is verbonden met de krukas van de verbrandingsmotor (ICE), kan de elektromotor deze helpen bij het accelereren. Hierdoor hoeft de ICE niet meer zoveel brandstof te verbruiken als voorheen. Minder brandstof verbranden betekent minder CO2-uitstoot; doel bereikt!
Een configuratie als deze kwalificeert als een mild hybrid-systeem, waarbij het voertuig elektrisch wordt ondersteund, maar zichzelf niet in volledig elektrische nul-emissiemodus (ZEV - Zero Emission Vehicle) kan voortbewegen.
Het mild hybrid-systeem wordt meestal opgeladen door regeneratief remmen en/of uitrollen zonder gasgeven. Er is geen plug-in-functie. In sommige gevallen maakt een mild hybrid-systeem ook een zogenaamde zeilmodus mogelijk, waarbij de ICE wordt uitgeschakeld wanneer het gaspedaal wordt losgelaten. Alles in het teken van brandstofbesparing en vermindering van de CO2-uitstoot.
Niet alleen voor milde hybride
Door de hogere vermogensniveaus hebben 48 Volt-systemen aanzienlijke voordelen, die verder reiken dan aandrijflijnelektrificatie. Denk aan actief chassisbeheer, elektrische aircocompressoren, diverse verwarmingssystemen, vierwielaandrijvingssystemen en volledig hybride architecturen. Er wordt zelfs een elektrische supercharger aangeboden!
Valeo heeft verschillende 48V-componenten ontwikkeld om te voldoen aan de elektrificatiebehoeften, evenals elektrische AC-compressoren en elektrische superchargers.
Dankzij het beschikbare elektrische vermogen in een 48 Volt-systeem kunnen vrijwel alle door de verbrandingsmotor aangedreven accessoires, zoals waterpomp, aircocompressor en stuurbekrachtigingspomp weg van de ICE worden geplaatst en worden geëlektrificeerd. Dit vermindert vervolgens de weerstand en belasting van de ICE, wat - opnieuw - brandstof bespaart.
Op het gebied van elektrische voortstuwing zorgt 48 Volt ervoor dat elektromotoren sterk genoeg worden voor elektrische aandrijving en daarmee ZEV-mogelijkheden te bieden. Hierdoor zijn er verschillende volledig hybride architecturen mogelijk; een elektromotor op de krukas van de ICE, op de in- of uitgaande as van de versnellingsbak en/of (achter)wielaandrijving.
Een autofabrikant kan besluiten om een combinatie van bovenstaande te doen; 48 Volt BDSG, gecombineerd met een versnellingsbakaandrijving en extra achterwielaandrijving. Dit levert dan een schoon en veiliger voertuig op, dat relatief kosteneffectief is om te ontwikkelen en toch uitstekend presteert in het dagelijks leven. Toegegeven, het ZEV-bereik van een 48 Volt-systeem is misschien kleiner dan dat van een hoogspanningsoplossing, maar het is een perfecte afweging voor de meeste dagelijkse ritten.
Kers op de taart
Als een autofabrikant ervoor kiest, kan hij ook een elektrische supercharger aan zijn setup toevoegen. Kortom, een elektrische supercharger is een elektrisch aangedreven turbocompressor, die in 0,2 seconden op topsnelheid draait en tot 70.000 tpm draait. Dit is minder dan een conventionele door uitlaatgassen aangedreven turbo, die doorgaans draait op ongeveer 150.000 tpm, maar de snelheid waarmee hij opspoelt en boost geeft is ongeëvenaard. Dit maakt het ideaal om turbomotoren te ondersteunen tijdens lastwisselingen bij het schakelen en het oppakken vanaf stationaire motortoerentallen. Het kan bijna fungeren als een aan/uit-schakelaar voor de vuldruk en daardoor kunnen autofabrikanten elke verstoring in de motorkoppelcurve gladstrijken. Een opstelling als deze, met behulp van een Valeo 48 Volt supercharger, is te vinden in Audi's SQ7-model.
De elektrische supercharger kan de perfecte aanvulling zijn op een voertuigconfiguratie, vooral in combinatie met de eerder genoemde elektrificatieoplossingen voor de aandrijflijn. De grootte van de ICE kan drastisch worden verminderd, zodat de totale uitstoot aanzienlijk lager kan zijn.
De flexibiliteit van onderdelen en specificaties geeft autofabrikanten de keuze om te kiezen voor brandstofefficiëntie of voor sportiviteit en voertuigdynamiek.
VW Golf VIII
Valeo is er trots op door VW te zijn gekozen om hun nieuwe Golf VIII 1.5 eTSI uit te rusten met 48 Volt mild hybrid-technologie.
Het systeem maakt gebruik van een 48 Volt BDSG, die de plaats van de dynamo inneemt. In generatormodus kan hij 12 Kw leveren en in elektromotormodus 9 Kw (+/- 12PK). Dit lijkt misschien niet veel, maar weet dat hij vanaf 0 tpm zo'n 200 Nm koppel kan leveren! En dat bij een componentgewicht van 10 Kg. Een ander belangrijk cijfer is dat het elektrisch rendement rond de 85% ligt, zowel als generator als elektromotor.
Het volgende onderdeel in de rij is het 48 Volt accupakket. Het is een zeer compacte unit van 290x300x110 mm en bevindt zich onder de rechter voorstoel. Hij kan 250 Wh aan bruikbare capaciteit leveren. Het gewicht is slechts 15 Kg.
De 3 Kg lichte DC/DC-converter bevindt zich onder de linker voorstoel en meet slechts 220x175x75 mm. De DC/DC-converter wordt gevoed via de 48 Volt-batterij en levert tot 275 A aan het 12 Volt-boordnet.
Een cool ding om te weten is dat de Golf 1.5 eTSI een elektronische remverdeler heeft die mechanisch remmen kan combineren met regeneratief remmen. Met andere woorden, het kan de hydraulische druk in het remsysteem beperken en remkrachten toevoegen via magnetische weerstand van de elektromotor (BDSG).
Starten van de motor en e-motorinzet
Wanneer de ICE erg koud is, wordt de eerste start uitgevoerd via een conventionele 12V-startmotor. Elke motorstart daarna wordt gedaan via de 48 Volt BDSG-eenheid. Dit zorgt voor een soepel en extreem snel stop/start-systeem.
Een ander voordeel van starten met de BDSG is dat er gestart kan worden met een hoger ICE-toerental. Dit betekent dat de ICE kan worden uitgeschakeld en opnieuw gestart ruim voordat het voertuig tot stilstand komt; het toerental van de BDSG kan eenvoudig worden aangepast aan het motortoerental.
Het hebben van deze mogelijkheid heeft nog een ander voordeel. Als het starten van de ICE bij hogere snelheden kan, dan is er de mogelijkheid om de ICE uit te schakelen wanneer het gaspedaal wordt losgelaten; een zogenaamde Freewheel-Engine-Off-functie.
Als de bestuurder vervolgens opnieuw het gaspedaal indrukt, start de BDSG de motor snel en sluit de DSG-versnellingsbak van de auto een van de koppelingen weer om de wielen weer aan te drijven.Als de bestuurder op het rempedaal trapt, sluit een van de DSG-koppelingen en gaat de BDSG in de regeneratiemodus en laadt de accu op.
Een ander cool ding voor de Golf 1.5 eTSI is dat het gebruik maakt van de GPS-informatie om te beslissen wanneer dit het nuttigst is om te doen. De BDSG wordt ook gebruikt om de ICE een boost te geven en te ondersteunen, mocht de bestuurder plotseling hard op het gaspedaal trappen bij lage toeren. De ICE zal zijn maximale koppel ongeveer 25% eerder bereiken, waardoor de efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd.
De toekomst is nu
Valeo concentreert zich al vele jaren op het vinden van voertuigoplossingen die de CO2-uitstoot verminderen en bevindt zich momenteel midden in de elektrificatie van voertuigen. Het is een totaalleverancier van apparatuur en systemen aan voertuigfabrikanten in elke categorie; laag- en hoogspanning.
Naast ontwikkelingen op het gebied van Advanced Driving Systems (inclusief autonoom rijden) en voertuigconnectiviteit, is Valeo hiermee op de juiste plek voor toekomstige ontwikkelingen.
