Lättvikts- och budgethybrid

[JohnA]

Idén har jag haft länge och kanske har jag skrivit om den förut i någon form. Lyckades inte få till någon effektiv forumsökning så jag tar risken att uppfattas som totalt dement. 

Efter att i måndags haft det stora nöjet att provköra en Tesla moden S med 425 sanslösa hästkrafter ur en trefas asynkronmotor liten som en basketboll har jag fått snurr på fantasierna om elfordon igen.

Ska man bygga en bil med eldrift och samtidigt få bra körsträcka/prestanda får man satsa stenhårt på bästa motor- och batteritekniken. Alternativt gör man något slags halvmessyr och bygger en hybridbil med det bästa av två världar till priset av hög vikt samt pris och komplexitet från summan av el- och fossilbilen. Parallellhybriden kräver någon form av avancerad transmission medan seriehybriden dras med vikten av både elektrisk drivmotor och generator. Batterivikt och förbränningsmotor ej inräknade.

Jag föreställer mig en relativt högvarvig trefas asynkronmotor med genomgående axel och en enkel lamellkoppling i vardera änden. På ena sidan driver asynkronmotorn hjulen via en reduktionsväxel, förslagsvis en tandrem eftersom det borde ge låga förluster och låg vikt. På elmotorns andra sida sitter en liten högvarvig kolvmotor, kanske t.o.m. något så vidrigt som en tvåtaktare, allt för att spara vikt och kostnad. Utväxlingarna är sådana att förbränningsmotorn bara kan använda för direktdrift i höga hastigheter, vilket främst kommer i fråga på långa landsvägssträckor. Väljer man batteristorleken rätt kommer fordonet klara sig på ren eldrift i kanske 90% av användningen och då är det dumt att lägga vikt och pengar på en tung, dyr och effektiv kolvmotor. I de förhoppningsvis ganska få fall då man tömmer batteriet innan resan är slut kan man med hjälp av dubbelkopplingen "låna" drivmotorn som generator i stadstrafik, inte bara för regenerativ bromsning, utan även driva den med kolvmotorn medan man rullar eller står stilla och på så sätt förlänga körsträckan betydligt. I absolut värsta fall får kan man parkera i några minuter medan batterierna laddas så pass att man klarar den fortsatta stadskörningen.

Jämfört med ett rent elfordon tillkommer endast vikt, kostnad och utrymme för de två kopplingarna och den lilla ettriga kolvmotorn. En tvåtaktare kan göras relativt effektiv om dess avgassystem stäms av för ett smalt arbetsområde och med smart bränsle- och oljeval behöver den inte vara fullt så miljövidrig som trabanterna i forna Östtyskland. Motorn behöver inte ha någon startmotor eller generator och kan dessutom vara luftkyld då den främst är att betrakta som en backup i de fall man missbedömer sig på batterikapaciteten eller någon gång ibland ska köra längre.


Efter att ha läst på lite om jämförelser mellan DC-motorer och induktionsmotorer verkar det som att trefasmotorn (som hör till den senare typen) har en rad fördelar och relativt få nackdelar. Verkningsgraden tycks vara något lägre vid hög belastning men i gengäld har asynkronmotorn bättre verkningsgrad vid delbelastning. Med nutida intelligenta inverters verkar också den svåraste utmaningen vara löst, den att alltid ge den mer kräsna motortypen rätt ström, spänning och frekvens. Här har borstlösa DC-motorer tidigare varit överlägsna.

Vid tillverkning och service är asynkronmotorn mycket trevligare. Den samlar inte på sig metallfilspån eller klämmer fingrarna på mekanikern. Inte heller är den beroende av miljö- och handelspolitiskt tveksamma sällsynta magnetmaterial och i Teslabilarna råder knappast någon tvekan till att trefas asynkronmotorn är ett försvarbart alternativ till de vanligare DC- och permanentmagnetmotorerna. Asynkronmotorns rotor är naturligt välbalanserad, tål höga drifttemperaturer och tål extremt höga varvtal utan att skadas.

[malarmaster]

tekniken med bränsleceller är nu färdig och i produktion. hybridbilar och rena elbilar kommer inte att vara aktuella för nordeuropa pga vårt klimat ( dålig kapacitet på batterier).
ottomotorer kommer att förbjudas i framtiden liksom allt som drivs med fossilbränslen så varför lägga tankemöda på gammal teknik? Ulf

[torbjorn]

En nackdel med asynkronmotorn är dock att den kräver mycket litet luftgap mellan rotor och stator för att få bra startmoment, bra effektfaktor osv. Det gör att mekaniken måste göras mycket stabil - det krävs god precision, kort och grov axel, stabila lagersköldar osv - jämfört med en synkron - eller likströmsmaskin där flera millimeters luftgap inte ställer till med mer skada än att det behövs lite mer effekt till magnetiseringen (alternativt större permanentmagneter, om man väljer att gå på den vägen).
Små asynkronmotorer i storleksordning 1-2 kW har som regel max 0,2 mm luftgap, medan en lika stor synkronmaskin (t ex generatorn i ett kina-elverk) brukar ha 1,5-2 mm.
Jag tror det finns rätt bra anledningar till att man under 90-talet gick över från asynkron- till synkronmaskiner som traktionsmotorer i järnvägsfordon.

Det finns fortfarande en del problem med bränsleceller - t ex dålig totalverkningsgrad, litet urval av användbara bränslen, extrema krav på bränslets renhet.

[Kontorsråttan]

Vår svenska biltillverkare har en produkt med förbränningsmotor, elmaskiner och UTAN växellåda, var det såhär TS tänks sig sin lösning?

mer info

[JohnA]

Näää, det där var nog ett annat djur... Konceptet ovan har dels separata "hjulmotorer", dels en motor direkt på vevaxeln.
Det jag är inne på har alla komponenter på rad, Förbränningsmotor - koppling - elmotor/generator - koppling - drivhjul.
Utväxlingarna väljs så att förbränningsmotorn trivs i hastigheter över ca 50 km/h, medan elmotorn står för driften i lägre fart.
Det blir förstås avgörande att elmotorn klarar att snurra på i mer än dubbla farten utan att bromsa eller skadas.
För laddning av batteriet under stadskörning lånas elmotorn som generator i de tidsluckor som oftast uppstår vid nedsaktning och vid rödljus. Elmotorn fungerar då så klart även som startmotor till förbränningsmotorn. ICE:n behöver aldrig gå på lågvarvig tomgång och klarar sig därför på två eller tre cylindrar och med elmotorn/generatorn som extra svängningsmassa behövs kanske inte ens ett svänghjul = ytterligare viktbesparing.

Färre cylindrar ger smalare arbetsområde men högre effektivitet och kompaktare format. En vattenkyld tvåcylindrig boxermotor vore trevligt eftersom det ger bästa mekaniska balans och samtidigt jämnare kraftpulser = mindre vibrationer än radmotorer oavsett vevaxelkonfiguration. Varken startmotor eller generator behövs som sagt och vattenpumpen bör vara elektrisk så att kolvmotorn bättre kan användas som värmebuffert vintertid. I nödfall kan kolvmotorn startas upp och tomköras som värmeaggregat samtidigt som elmotorn driver bilen i stadstrafik.

Kolvmotorns arbetsområde får förstås inte vara hur smalt som helst och den måste överlappas ganska väl av elmotorn. Med tanke på att Tesla har en enda fast utväxling till sina högprestandafamiljeracers ser jag inget hinder för att elmotorn/generatorn i mitt koncept skulle kunna hänga med hela vägen upp till motorvägsfart parallellt med kolvmotorn. Nöjer man sig sedan med en toppfart på 100-120 km/h blir arbetsområdet för kolvmotorn så pass smalt att den större delen av drifttiden kan arbeta inom sin bästa verkningsgrad utan att behöva komplicerad teknik som variabel kamaxel. Då kolvmotorn "lånar" elmotorn som generator blir arbetsvarvet alltså motsvarande landsvägs/motorvägskörning.

[JohnA]

Hur skulle man som glad DIY-amatör kunna testa detta koncept praktiskt?
Tänker jag inte helt knas nu kan man faktiskt testa hela drivlinan relativt enkelt på en befintlig bil:

Fyrcylindrig motor i en billig småbil kan kolvlobotomeras framgångsrikt till tvåcylindrig, det vet jag sedan tidigare experiment.
Svänghjulet lättas radikalt så endast det som krävs för kopplingen behålls. Ingående axeln från en matchande växellåda förses med lämpligt drev som kopplas ut till lämplig elmotor, förslagsvis via växellådslocket. Elmotorn kan lätt ges en lämplig utväxling, sannolikt vill den ha arbeta med högre varvtal än kolvmotorn. Växellådan rensas från allt onödigt som snurrar. Endast den mest direkta växeln behålls och används då som "bakre" koppling. Elmotorns relativt låga rotormassa ihop med synkringarna borde räcka för att undvika skrap när den kopplas in. Inte ens synkringar behövs eftersom man kan synkronisera elektriskt. Inte heller kopplingen elmotor-kolvmotor behöver vara av mjukverkande lamelltyp men sådan fick vi ju gratis här.

Så, vari ligger mina tankevurpor som gör konceptet direkt dumt? Vad för slags elmotor/generator vore det bästa DIY-mässiga alternativet? Det Torbjörn påpekade om verkningsgrad kontra luftgap i asynkronmotorer gör att borstlös eller t.o.m. kolborstad gammal truckmotor eller liknande känns som vettiga lösningar. Det gäller dock att man får en elmotor som inte skjuts i bitar när den tvingas upp i höga varvtal, alternativt att den har tillräckligt bra lågvarvsegenskaper för att täcka hela bilens hastighetsspann. Kolborstar kan man förstås lyfta, men då försvinner finessen att kunna ladda batterierna medan kolvmotorn driver bilen. För ett quick-n-dirtytest kan man förstås nöja sig med en del kalkylerbara glapp och en lägre toppfart. Jag skulle t.ex. vara mer än nöjd med 80 som maxfart om konceptet i övrigt visar sig vara en dundersuccé.

[JohnA]

Det enda som kan rädda nattsömnen nu är att jag inte har någon lämplig elmotor i skrotgömmorna, annars skulle jag tillbringa småtimmarna med att vända omkring på en saabväxellåda nere i garaget för att se var man kan stoppa in transmissionslänken till elmotorn. 

Ska konceptet bli vettigt att köra med behövs en elmotor som hänger med upp till minst 50 km/h där kolvmotorn kan ta över utan att stånka allt för illa. Jag gissar att 10-15 kw är ett minimum. Var hittar man sådana klumpar till skrotpriser? Hur många billiga blybatterier behövs sedan under baksätet för att ens orka ge den effekten under några få minuter utan att syran kokar? Äsch, det känns som att jag ganska snart kommer nyktra till igen, t.o.m. utan hjälp av forumets kritiker. 

[JohnA]

Vid närmare eftertanke vore det nog dumt att rensa ur en växellåda för att jaga marginella friktionsförluster. Behåller man växellådan intakt kommer det gå utmärkt att köra experimentbilen som vanligt, och elmotordriften kan även den vinna fördelar. Till en lättvikts aerodynamisk supersnikbil är det betydligt lättare att försvara jakten på varje litet kilo och oljeplaskande kugghjul.

Blyackar är så klart ett dåligt val till detta koncept där systemet snabbt och ofta måste ställa om mellan laddning och urladdning.

[husbehov]

mina tankar på en lättviktshybrid att åka till staden eller jobbet med endast brukar hamna på en gammal forshaga shopper . med hubmotor till bakdäck och en liten liten diesel motor man kan starta när batterierna är slut som då endast har en generator på som laddar batterierna vid behov som man hittar ett varvtal som det funkar bäst rent ekonomiskt, annars laddar man den hemma på solpanelerna sommartid , det är något jag vill bygga men det blir långt fram i tiden , annars behöver jag en rumstempererad supraledare så kanske det skulle gå att lösa energifrågan endå med en liten tanke på en uppfinning som grott i många år. utan batterier , förbränningsmotor, och med låg vikt och hög prestanda men det är en annan historia