naar top
Menu
Logo Print
02/12/2016 - FERRE BEYENS

WINSTMARGES WORDEN SOFTWARETECHNISCH GEEXPLOITEERD

Punch Powertrain maakt zuinige hybride nog energie-efficiënter

Punch PowertrainHybrid CVT Als ervaren ontwikkelaar en toeleverancier van brandstofzuinige aandrijftechnologie heeft Punch Powertrain beslist de kennis in huis om ook hybrides nog spaarzamer met energie te laten omspringen. Walter Verdonck, hybrid system architect bij Punch Powertrain, en Maarten Witters, project leader bij Flanders Make, verduidelijken het opzet en bewijzen dat de deels geëlektrificeerde auto-aandrijving in de toekomst nog minder fossiele brandstof en elektrische energie nodig zal hebben.
Ferre Beyens

WAARDE VAN HYBRIDE

De theoretische meerwaarde is gekend, maar een meerderheid van autogebruikers toont zich nog sceptisch. De meerprijs voor een hybride vormt alvast één hinderpaal in die hybridesensibilisering. Bovendien blijven er afwijkingen bestaan tussen wat constructeurs beloven, en de (meestal) op onaangepast rijgedrag gebaseerde, reële verbruikscijfers. Komt daarbij dat lang niet alle motoringenieurs meesurfen op de golven van een kritiekloos onthaald downsize-evangelie. Ze waarschuwden al geruime tijd dat ICE-downsizing een sleutelkenmerk in de moderne hybridetechniek een thermodynamisch niet te ontwijken 'downside' kent, waarvan de negatieve consequenties mits een adequaat systeemontwerp geminimaliseerd of zelfs vermeden kunnen worden.

ENERGIE MOET ALTIJD VAN ERGENS KOMEN

Een essentiële eigenschap van de thermodynamica is dat energie altijd van ergens moet komen. Of nog: dat energie zelden verloren gaat en meestal geconverteerd wordt in een andere vorm. Ingenieurs weten dat, beslissingsnemers zal het een zorg zijn. Helaas, waar de politiek binnentreedt, wordt ook de technische realiteit buitengezwierd. De politieke kritiek tegen een aantal, verre van zo klimaatverstorende, ICE-toepassingen is daar een perfect voorbeeld van. Al kan niet ontkend worden dat het politiek aangewakkerde, maar thermodynamisch krachtdadig te weerleggen 'verzet' tegen de zelfontbrandende ICE (lees diesel) de benzine/hybride de wind in de zeilen heeft gezet.

Gemiddeld vlootverbruik

Walter Verdonck Walter Verdonck: “De hybrideopkomst is inderdaad wetgevend gestuurd. Statistieken met betrekking tot de schadelijke uitstoot tussen 1970 en nu tonen drastische dalingen. Dat is een gevolg van wetgevende maatregelen die het gemiddelde vlootverbruik van constructeurs aan banden hebben gelegd. De elektrificatie heeft de laatste jaren een spectaculaire reductie van het brandstofverbruik en de schadelijke uitstoot voor gevolg gehad. Hoe meer hybrides of batterijauto's een constructeur in het gamma heeft, hoe groter de impact op het gemiddelde vlootverbruik."

Verkeerd gebruik

Walter Verdonck: “Bestuurders die de hybridetechnologie niet begrijpen, boeken inderdaad geen brandstofvoordeel. Indien een PHEV niet tijdig wordt 'bijgetankt' aan de netwerkstekker, zal de gedownsizede ICE in een zwaarder wegende wagen naar alle evidentie meer brandstof verbruiken." Energie moet inderdaad van ergens komen. Relevante metingen bevestigen dat een hybride bij snelheden hoger dan 100 km/uur weinig voordeel uit zijn elektrische ondersteuning haalt.

Walter Verdonck: “Wie sneller rijdt, moet met zijn gedownsizede verbrandingsmotor de zwaardere wagen (meergewicht batterij en e-motor) op snelheid houden. Dat kost extra brandstof. Daarom moet alles wat elektrisch gebruikt kan worden, maximaal benut worden. Alleen zo zal het fossiele brandstofverbruik omlaaggaan."

Maarten Witters: “Hybrides moeten daarom ingezet worden in die omstandigheden waarin de technologie het meeste brandstofvoordeel brengt. Hybrides zijn ook daarom (niet altijd) het gepaste antwoord in langeafstandsritten."

Sensibilisering

Maarten WittersMaarten Witters: “Hybriderijden moet commercieel inderdaad beter aanvaardbaar worden. Grotere productievolumes zullen daartoe bijdragen. Ook het gebruik moet gesensibiliseerd worden, en dat is een taak voor meerdere partijen. Constructeurs kunnen apps voorzien die zuinig rijden ondersteunen en aanmoedigen, en die weergeven hoe men ecologisch het voordeligst rijdt. Een taak voor de overheid ook. Belastingen in het nadeel van vervuilende auto's of vervuilende auto's de toegang ontzeggen tot de stedelijke periferie. Het rijgedrag kan zelfs op afstand perfect worden aangestuurd. Op afstand beperkingen stellen aan de vermogensvraag bv. om zo snelheidslimiteringen gedwongen te doen naleven. Er zijn al transportbedrijven die afstandsbediend de vermogensvraag en de snelheid 'doen' respecteren. Voor personenwagens ligt dit moeilijker. Wegens de privacyregelgeving."

HYBRIDE = AUTOMAAT

De technologie kan dus veel, maar onaangepast rijgedrag zal het brandstofvoordeel dat hybridetechniek mogelijk maakt, snel tenietdoen. Hybriderijders moeten dus gesensibiliseerd worden en beter vertrouwd raken met de technologie. Leren begrijpen ook dat moderne automatische transmissies het brandstofverbruik helpen verlagen en niet (!) zoals tot vandaag halsstarrig beweerd blijft ... verhogen.

Menselijke (schakel)fouten

Walter Verdonck: “In ons land blijft de handgeschakelde auto overheersen. Nu is hybride per definitie een synoniem van automatisch schakelen. Als de auto zelf kan en mag beslissen welke versnelling waar en wanneer het voordeligst is, dan zullen die versnelling of die overbrengingsverhoudingen adequater en aangepast aan actuele rijomstandigheden worden aangesproken. Sneller en effectiever dan een mens dat ooit zal kunnen. Of hoe een CVT alle aan de mens te wijten foutieve transmissie-inschattingen uit de wereld helpt. Met een lagere brandstofrekening als aangenaam gevolg."

Ingeburgerd misverstand

Een misvatting moet de wereld uit: een automaat of CVT is niet langer synoniem met meerverbruik. De praktijk wijst al jaren uit dat er met een moderne automaat zuiniger te rijden is dan met een vergelijkbare handgeschakelde variant. Toch zien we lijsten (waarop de fiscale wetgeving zich graag baseert) met (theoretische) CO2-cijfers die net het tegenoverstelde beweren. Lijsten die zich foutief (blijven) baseren o.b.v. het meerverbruik dat verouderde transmissies ongetwijfeld veroorzaakten. Vergelijkende tests in alledaagse verkeersomstandigheden leren ons al jaren dat er met een moderne automaat wel degelijk lagere verbruikscijfers te scoren zijn.

Maarten Witters: “Automatische transmissies hebben de jongste decennia spectaculaire evoluties gekend. Ze werden inderdaad zuiniger. De traditionele automaten met hydraulische koppelomvormers worden geleidelijk vervangen door elektronisch gestuurde meertrapsautomaten of CVT's. Gekenmerkt door een schakelgedrag dat brandstofeconomie nastreeft zonder daarbij de prestaties te debiteren."

Walter Verdonck: “Constructeurs commercialiseren inderdaad zuinigere automaten. Automaten met een minder optimaal schakelgedrag werden vroeger gecombineerd met zwaardere verbrandingsmotoren die extra energie moesten genereren om te schakelen. Uitgaande van de jongste technologie ter zake, krijgen we natuurlijk een ander verhaal."

MINDER FOSSIELE EN ELEKTRISCHE ENERGIE

Recupereren en accumuleren

De bij Punch Powertrain nagestreefde brandstofbesparingen voor hybrides beogen geen hogere batterijcapaciteit of een opgevoerd elektrisch vermogen. Wel verloopt het recupereren en accumuleren van elektrische energie veel efficiënter en acteert de ICE doorgaans in de meest optimale werkpunten zijn koppelcurve.

Walter Verdonck: “De afweging die voortdurend dient te worden gemaakt: wanneer gebruiken we de ICE, wanneer de e-motor, wanneer beide, en wanneer willen we elektrische energie recupereren en accumuleren?"

Maarten Witters: “Beschouw onze efficiëntiebevorderende technologie binnen de context van de complete aandrijflijn: ICE, e-motor, transmissie, recuperatie, wielen, controlerende elektronica. Want alles wordt gecontroleerd, uitgezonderd de bestuurder. De laatste bedient de pedalen en geeft input. Het complete aandrijfsysteem wordt beschouwd vanuit een keuze tussen de meest optimale werkpunten. Dit voor zowel ICE als e-motor en transmissie."

Winstzones maximaal exploiteren

Figuur 1: bij Punch Powertrain wil men de brandstofbesparing maximaal exploiteren in het scala van de auto-elektrificatie De evolutie in brandstofbesparing als gevolg van de toenemende elektrificatie wordt aanzienlijk (zie Fig. 1). CVT-gebaseerde 'mild Hybrids' (voorzien van gedownsizede ICE en start/ stop) hebben het verbruik van fossiele brandstoffen (ten opzichte van de traditionele ICE-auto) met 20% kunnen terugdringen. Winstmarges die met een plug- in Hybride nog hoger liggen en met een full elektrische wagen het fossiele brandstofverbruik zelfs tot zero herleiden. Het zijn die winstmarges die men bij Punch Powertrain maximaal tracht te exploiteren, en dit binnen het brede scala van de auto-elektrificatie. Van microhybride, mild en full Hybrid over PHEV, Range Extenders en full e-powering.

Systeemarchitectuur  
Figuur 2: systeemarchitectuur van de hybride CVT-aandrijflijn. In het blauw de systeemcomponenten (en/of softwareprogrammatie) waar Punch Powertrain zich op toespitst Als CVT-specialist kan Punch Powertrain zich concentreren op de CVT-inbreng om een nog spaarzamer energiegedrag na te streven. Testen met de opstelling, in combinatie met de voorwielaandrijving, tonen een toegenomen brandstofefficiëntie. Bovendien wordt er ook spaarzamer met elektrische energie omgesprongen. Dit zowel op de testbank als in realdriveomstandigheden. Merk op: een 12V-e-pomp moet bepaalde CVT-functies uitschakelen, zodra er in e-mode wordt gereden om zo de energieverliezen te beperken. Noteer ook dat deze hybridearchitectuur zich leent voor diverse platformen: te weten FWD, RDW en AWD. Andere pluspunten volgens Punch Powertrain: de verhoogde werklust van de e-motor en het toegenomen rijcomfort in e-mode als gevolg van onder meer de met meer werklust gezegende e-motor.
 

CD & CS modi

Zuiver elektrisch rijden is een rijmodus. Voor een PHEV betekent dit dat hij in CD-mode functioneert. Lees, Charging Depleting, of hoe een PHEV elektrisch en sporadisch 'ontlast' wordt met 'getankte' energie uit de netwerkstekker. Elektrisch 'ondersteund', zoals in een traditionele hybride, spreekt men ook vaak van CS-mode of Charge Sustained.

Ice-werkloosheid

Bij Punch Powertrain en zijn P3 Hybrid-opstelling wordt het zonneklaar. De ICE wordt tijdens een rit alsmaar vaker met werkloosheid geconfronteerd. Bedoeling is inderdaad om de ICE-werkpunten en de karakteristieken van de e-motor naadloos op elkaar af te stemmen. Met behulp van een intelligente CVT kan de e-motor de ICE forceren om hem enkel in de efficiëntste regimes uit de motorkarakteristieken te laten draaien. Zodra de ICE draait in niet-efficiënte zones, wordt hij werkloos gesteld.

Operating points

Maarten Witters: “Door te spelen met de gunstigste ICE-regimes, kunnen we in deze opstelling ook tijdens acceleraties het ideale werkingspunt van de ICE naar de transmissie verleggen. In die situaties waarin de ICE in zijn inefficiënte werkingsgebieden draait, kunnen we eventueel ook de batterij bijladen wanneer haar capaciteit onder een bepaald niveau is gezakt. We kunnen dus softwaretechnisch ingrijpen om niet enkel regeneratief ook tijdens het accelereren verschuivingen aan te sturen in de gunstige werkingspunten en zo een extra brandstofbesparing te realiseren."

E-motor: PMSM of SRM?

Figuur 3: zodra de ICE draait in niet-efficiënte zones, wordt hij werkloos gesteld ICE's evolueren onophoudelijk en bij Punch Powertrain leren we dat, naast de ICE en CVT, ook de e-motoren het voorwerp uitmaken van een voortdurende evolutie. Dit uiteraard met het oog op energiezuinigheid. De vandaag in auto's vaak gebruikte (PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) synchrone motoren met permanentmagneten zien zo concurrentie opdoemen: de stappenmotor (SRM: Switched Reluctance Motor) is in aantocht. In tegenstelling tot PMSM-types is de rotor niet langer permanent magnetisch. De stator van een SRM-e-motor blijft zoals de stator van een borstelloze DC-motor elektromagnetisch, maar zijn rotor bestaat enkel uit ijzeren lamellen. Het motorkoppel ontstaat door de aantrekkingskracht tussen de elektromagnetische stator en de ijzeren rotor. Weetje: het niet-gebruik van permanentmagneten heeft een kostprijsvoordeel, maar maakt ook een compactere constructie van de rotor en de complete e-motor mogelijk.

 

BEPERKTE MEERKOST  

Figuur 4: beschouwd vanuit de keuze tussen de meest optimale werkpunten van ICE, e-motor en CVT-trans­missie. In het blauw zien we de werkpunten van een conventionele CVT, gemeten in de NEDC-cyclus.Rood: hybride CVT (HEV-CVT) of plug-in Hybrid (PHEV) in CS mode, gemeten in NEDC.Groen: HEV-CVT of PHEV in CS mode in real drive-omstandigheden Of de meerprijs van de hier toegelichte en energiezuinigere hybridetechnologie opweegt tegen de uiteindelijke energiewinst?

Walter Verdonck: “Ongetwijfeld, want de energieconsumptie moet omlaag en alle beetjes helpen."

Maarten Witters: “De meerprijs voor de autogebruiker zal hoe dan ook minimaal zijn. Er moest een nieuwe controlesoftware ontwikkeld worden, maar er zijn geen ingrepen nodig aan de motor of de transmissie."

Walter Verdonck: “Het wordt natuurlijk een ander verhaal wanneer we die ontwikkelingskosten beschouwen binnen het kader van de diverse hybridisatietoepassingen. Er bestaan trouwens significante verschillen wat de volumeproductie van die verschillende hybrides betreft. Bij grote volumes vertaalt die extra ontwikkeling zich niet in een gevoelige meerkost."

Of een retrofit op bestaande hybrides mogelijk is, en wat is er van OEM-toepassingen?

Walter Verdonck: “Retrofit kan uiteraard omdat we het hier over een softwaregestuurde regeltechniek hebben. OEM-toepassingen? De contracten met een viertal klanten, die de intentie tonen om met ons in de productie te stappen, zijn getekend."

ENERGIE-EFFICIËNTE HYBRIDETECHNOLOGIE VAN EIGEN BODEM

Deze bijdrage kwam tot stand in samenwerking met Punch Powertrain en Flanders Make die samen deze energie-efficiënte hybridetechnologie ontwikkelen. Stijn Vandevoordt, Communication Officer Flanders Make in Lommel, bracht ons in contact met Walter Verdonck, hybrid system architect bij Punch Powertrain in Sint-Truiden, en Maarten Witters, project leader bij Flanders Make in Heverlee. Punch Powertrain produceert en ontwikkelt automatische versnellingsbakken m.b.t. hybride en elektrische aandrijvingen. Flanders Make is het strategische onderzoekscentrum voor de maakindustrie. Het ondersteunt kmo's en maakbedrijven met industriegedreven en precompetitief onderzoek op het vlak van mechatronica, methodische productontwikkelingen en productietechnologie. De ondersteuning bij de ontwikkeling van de regelstrategie voor de hybride aandrijvingen van Punch Powertrain is hier een perfect voorbeeld van.