Als er een nieuwsbericht verschijnt over een elektrische auto, staat er vaak één specificatie gegarandeerd in de kop: de actieradius. Als we het dan over die actieradius hebben, spreken we vaak over de aerodynamica van de auto en natuurlijk de grootte van de accu. Maar die elektromotors? Daar gaat het eigenlijk zelden over.
Dat terwijl die ontwikkeling niet stilstaat, zegt onder meer Audi. Deze autofabrikant bracht in 2018 de e-tron uit: een suv met een 95kWh-accu en een actieradius van 411 kilometer. Destijds was het een van de eerste massaproductie-EV's die verder dan een paar honderd kilometer kon rijden en waar niet het logo van Tesla op was geplakt. Nu, zes jaar verder, biedt Audi meerdere elektrische modellen aan, waaronder modellen op het spiksplinternieuwe PPE-platform. Autofabrikanten gebruiken zo'n nieuw platform vaak om de nieuwste technieken te laten zien, zoals op het vlak van elektrische motoren. Dit platform is door Audi en Porsche samen ontwikkeld.
Audi's eerste auto op dat PPE-platform is de Q6 e-tron. Dit is een iets kleinere suv dan die e-tron uit 2018, die inmiddels overigens de Q8 e-tron heet. De Q6 heeft een 100kWh-accu met 625 kilometer range. Die actieradiuswinst is niet alleen toe te schrijven aan technische verbeteringen, al spelen ze wel een grote rol. Dat zegt Sebastian Blanke, hoofd van het team dat bij de Hongaarse fabriek van Audi die EV-motors ontwikkelt.
(A)synchrone motors
Het duidelijkste verschil tussen Q8 e-tron en het PPE-platform zien we bij het type elektromotors dat de EV gebruikt. De eerste Q8 e-tron gebruikte exclusief asm-elektromotors, kort voor asynchrone motoren. De Q6, met het PPE-platform, gebruikt een asm-motor én een psm-motor, waarbij psm kort is voor permanently excited synchrone motor.
Om uit te leggen wat het verschil is, moeten we eerst kort uitleggen hoe een elektromotor werkt. De twee belangrijkste onderdelen zijn de rotor en de stator. Die stator zit vast in de elektromotor, terwijl de rotor 'los' in die stator kan draaien en uiteindelijk de wielen aandrijft. De stator bevat koperdraden die met elektriciteit een magnetisch veld creëren dat de rotor laat bewegen. Wat de rotor doet, is afhankelijk van het type elektromotor.
Bij een psm-motor heeft die rotor een eigen, permanent magnetisch veld, dat het veld van de stator volgt. De magneetvelden van de stator en rotor draaien hierbij dus synchroon. Bij de asm is dat niet het geval, omdat de rotor daarvan geen eigen magnetisch veld heeft. In plaats daarvan wordt er een magnetisch veld gecreëerd door de stator. De rotor volgt dan dat magnetische veld van de stator, waarbij de stator met een hoger toerental ronddraait dan het magnetische veld van de rotor. Hierdoor draaien de magneetvelden van de rotor en stator niet synchroon, wat bij psm-motors wel het geval is.
Slippende elektromotors
Beide motors hebben hun eigen voor- en nadelen en worden dan ook op verschillende manieren ingezet bij EV's. Doordat de rotor en stator niet synchroon draaien, treedt er bij een asm-motor 'slip' op, zoals te zien is in bovenstaande animatie. Dat is energie die wordt verloren. Bij de psm is die slip er niet, waardoor een psm-motor efficiënter is tijdens actief gebruik. Het nadeel van dat permanente veld van de rotor van de psm is weer dat dit altijd een weerstand heeft, ook als de motor niet wordt gebruikt: alsof er licht op de rem wordt gedrukt of continu met een volle kofferbak wordt rondgereden. Als je dus tijdens het rijden je voet van het gaspedaal afhaalt, zal een psm daardoor weerstand hebben, die een asm niet heeft. De rotor van de asm heeft, wanneer de motor niet wordt gebruikt, immers geen magnetisch veld. Deze draait daardoor 'vrij' rond in de stator, mits de asm-motor niet wordt gebruikt.
Daardoor is de psm beter geschikt als primaire motor, legt Blanke uit. Als je dan een extra motor wilt voor vierwielaandrijving en om op piekmomenten meer vermogen te hebben, kun je op de andere as nog een asm plaatsen. "In de basis is de Q6 e-tron een achterwielaangedreven auto", zegt Blanke. "Dat betekent dat die achterste elektromotor het vaakst wordt gebruikt. Wij gebruiken een psm-motor op de achteras omdat die daar het efficiëntst is."
Als je continue vierwielaandrijving wilt, kan het logisch zijn om op de voor- en achteras psm-motors te gebruiken. Voor reguliere consumentenauto's is het volgens Blanke echter logischer om een combinatie van asm en psm te gebruiken als je op beide assen aandrijving wilt. Tijdens normaal gebruik is de Q6 e-tron dan ook een achterwielaangedreven EV, waarbij die voorste motor alleen wordt gebruikt bij het hard optrekken of als er weinig grip is. Zo benut je de voor- en nadelen van beide elektromotors het best, legt Blanke uit. Je merkt het overigens niet als de asm-motor 'aan of uit' wordt gezet. Als je het gaspedaal diep indrukt, schiet de Q6 e-tron direct met volle kracht weg, zonder dat je doorhebt dat die voorste motor eerst 'uit' was.
Audi is niet uniek met deze opzet: Porsche gebruikt voor de Macan - eveneens op het PPE-platform - dezelfde samenstelling van asm- en psm-motoren. Overigens kan het PPE-platform wel uitgerust worden met PSM-motors op beide assen, bijvoorbeeld voor extra krachtige wagens waarbij efficiëntie minder prioriteit heeft. Ook andere automerken, zoals Tesla, gebruiken een combinatie van asm- en psm-motors.
Die permanente magneten vereisen wel meer zeldzame aardmetalen. Daardoor kost een psm meer dan een asm. Die prijzen zijn bovendien volatiel, waardoor het voor autofabrikanten lastiger is om in te schatten hoeveel duurder een psm is dan een asm. Het voordeel van een psm is weer dat deze meer vermogen kan leveren voor het formaat en gewicht van de elektromotor.
Meer koper in de stator
Het verschil in psm en asm is het duidelijkste verschil tussen de elektromotors van de eerste e-tron en de Q6, maar zeker niet het enige. Zo gaan de nieuwe elektromotors anders om met het koper in de stator. Bij het PPE-platform hebben deze koperen draden, die het magnetisch veld creëren, een andere vorm gekregen. Die koperen draden lopen vanaf de ene kant van de stator door de stator heen, om aan de andere kant een bocht te maken en zo terug te keren naar die eerste kant van de stator. Voorheen had die bocht een rondere vorm. Dit nam veel ruimte in beslag, waardoor er minder koperdraden in de stator pasten.
:fill(white):strip_exif()/i/2007063498.jpeg?f=imagemedium)
Bij het PPE-platform zijn ze gewikkeld in de vorm van een 'hairpin', waardoor die bocht minder ruimte in beslag neemt en er meer koper in de stator past. De fill factor is nu 60 procent, 15 procentpunt meer dan voorheen. De stators bevatten nu elk 140 meter aan koperdraad. Meer koper betekent een krachtiger magnetisch veld, waardoor de elektromotor meer vermogen kan leveren bij dezelfde grootte stator. Een grotere stator betekent ook meer gewicht, dus kan een EV zo meer vermogen leveren zonder dat de elektromotor groter wordt, of hetzelfde vermogen leveren bij een lichtere motor.
Zwemmen in de elektromotor
Voor andere, belangrijkere wijzigingen moeten we wat meer de diepte in. We schreven net dat de rotor vastzit aan de wielen; hier zit wel nog een transmissie tussen met één versnelling. Het klinkt misschien wat gek, maar in zo'n elektromotor zit ook olie. Die olie is om de boel te smeren en dient ook als koeling. Bij de asm-motors van de Q8 e-tron komt die olie ook in de versnellingsbak, tussen de tandwielen. Dit veroorzaakt een 'splashingeffect', legt Blanke uit.
"Je kan het vergelijken met als je gaat zwemmen. Het wegduwen van dat water kost energie. Dat is met die tandwielen en de olie niet anders." Dat splashingeffect zorgt dus voor energieverlies, wat weer betekent dat de motor minder efficiënt is. Daarom hebben de nieuwe PPE-motors dry sump lubrication. Hierbij is er een los vat voor de olie en wordt de olie via kanalen naar bijvoorbeeld de rotor en stator gestuurd, middels een elektrische oliepomp. Die kanalen zitten ook in de rotor zelf. Zo kan de motor alsnog goed gekoeld worden, zonder dat het splashingeffect optreedt. Alleen al het gebruiken van dry sump lubrication zorgt voor een WLTP-winst van 5 kilometer, zegt Blanke. Denk overigens niet dat je ieder jaar met je EV nieuwe olie en filters moet halen; Audi zegt dat die olie in principe niet ververst hoeft te worden.
Het derde grote winstpunt is het gebruik van siliciumcarbide in de elektronica van de elektromotor. Die elektronica regelt onder meer de schakeling van DC-stroom in de accu naar AC-stroom voor de elektromotor. Elke switch betekent dat er stroom naar de elektromotor gaat. Tussen elke schakeling mis je wat momentum, dus hoe meer switches, hoe beter. Blanke kon niet zeggen met hoeveel het aantal switches is verhoogd, wel zegt hij dat de psm-motor van het PPE-platform nu tot 20.000 switches per seconde kan uitvoeren.
Voorheen gebruikte Audi hier 'alleen' silicium voor, dus zonder de carbide. Siliciumcarbide is duurder, maar wel efficiënter. Omdat het duurder is, zit het alleen op de achterste psm-motor. De asm op de voorkant krijgt dus geen siliciumcarbide. "Het zou heel veel extra kosten, zonder dat het echt heel veel toevoegt." Die asm-motor gebruik je immers niet continu. "We zijn continu aan het kijken hoe het efficiënter kan, maar de kosten houden we ook in het oog."
Kleine stappen, grote sprong
Wellicht klinkt het allemaal als kleine stappen, toch zorgen ze samen wel voor een grote sprong. Als je de elektrische motors van de eerste Q8 e-tron vergelijkt met de Q6 e-tron, dan verbruikt die PPE-psm-motor 50 procent minder energie dan de asm-motor van de Q8 e-tron, terwijl de vermogensdichtheid 62 procent hoger is. Vergelijk je hele aandrijflijnen met elkaar, dan is de aandrijflijn van de Q6 e-tron 30 procent efficiënter dan die in die eerste Q8 e-tron.
We moeten wel opmerken dat het nog niet duidelijk is wat deze vooruitgang betekent voor andere auto's binnen het Audi-merk of zelfs de grotere Volkswagen-groep. Sowieso is het PPE-platform alleen bedoeld voor de luxere, sportievere auto's van Audi en Porsche. Verwacht het dus niet over een paar jaar tegen te komen in de Volkswagen ID.2. Blanke zegt wel dat er veel informatie en kennis wordt gedeeld met andere Volkswagen-merken, maar hij kon geen uitspraken doen over hun plannen.
De kans lijkt hoe dan ook niet heel groot dat we het gebruik van siliciumcarbide tegen gaan komen in goedkopere auto's: daarbij willen fabrikanten immers de kosten laag houden, terwijl dit materiaal duurder is. Het lijkt ook niet heel logisch dat fabrikanten bij goedkopere auto's kiezen voor een combinatie van psm- en asm-motors; één motor is goedkoper dan twee, dus zouden ze een keuze moeten maken tussen de twee motors. Een psm is daarbij het efficiëntst, maar de asm is goedkoper. Volkswagen hanteert bij bijvoorbeeld de ID.3 een vergelijkbare aanpak als Audi doet: een psm op de achteras en eventueel een asm op de vooras. Hierbij gaat het overigens niet om dezelfde elektromotors als Audi voor het PPE-platform gebruikt.
Wel weten we dat Audi en Volkswagen niet het alleenrecht hebben op het gebruik van siliciumcarbide, andere statorwikkels of oliekoeling. Bosch gebruikt deze technieken ook om zo de elektromotors efficiënter te maken en noemt hierbij vergelijkbare cijfers als Audi. Bosch levert aan veel verschillende autofabrikanten in de branche, al is niet direct duidelijk welke autofabrikanten Bosch-motoren gebruiken. Dit bedrijf wilde geen extra toelichting geven aan Tweakers over de stappen die worden genomen voor het efficiënter maken van EV-motoren.
Mercedes werkt eveneens aan een nieuw EV-platform, MMA, met bijvoorbeeld siliciumcarbide en psm-motors. In tegenstelling tot Audi, is Mercedes echter van plan om op beide assen psm-motors te gebruiken. Deze autofabrikant wil de inefficiënte kant van de psm-motor, wanneer deze niet wordt gebruikt, opvangen door een koppeling te gebruiken. Zo wordt de psm-motor losgekoppeld van de as en 'sleept' deze dus ook niet als de extra motor niet nodig is. Dit zal zwaarder en duurder zijn dan Audi's oplossing, maar ook efficiënter als de motor wel in gebruik is.
De elektromotor is de afgelopen jaren dus een stuk zuiniger geworden, maar dat wil volgens Blanke niet zeggen dat deze uitontwikkeld is. Hij denkt bijvoorbeeld aan een betere olie voor efficiëntere koeling en smering of aan het verminderen van de weerstand in de tandwielen van de transmissie. Nu mag er nog een oppervlakteruwheid zijn van vier micrometer. Die wil hij verkleinen, zonder een nieuw getal te noemen. Het is niet direct duidelijk hoeveel efficiënter dit de elektromotoren zou maken. Blanke is wel duidelijk dat de grootste sprongen inmiddels wel zijn gemaakt. "Er zijn nog wel stappen te zetten, maar die zullen niet zo groot zijn. De elektromotor is nu al heel erg efficiënt."