'THINKING OUTSIDE THE BOX' SLEUTELZIN VOOR MOBILITEIT VAN MORGEN

Schaeffler E-Wheel Drive conceptcar getest en ontleed

Binnen de systeemdivisie e-mobiliteit bundelt Schaeffler al zijn activiteiten met betrekking tot toekomstige alternatieve aandrijvingen en brengt het alle kennis op het gebied van elektromobiliteit samen. Onderzoeksprojecten zijn onder meer de hybridemodule 48 volt, de hoogvoltage-E-as en de wielnaafaandrijving E-Wheel Drive. Uw vakblad CarFix had niet enkel het voorrecht om de E-Wheel Drive conceptcar met de derde generatie E-Wheel Drive aan een rijtest te onderwerpen, ook kregen we de tijd om hierover van gedachten te wisselen met dr. Raphael Fischer, directeur van de E-Wheel Drive en Mechatronics Product Group binnen Schaeffler.

E-MOBILITEIT

De mobiliteit voor morgen is al langer iets waar Schaeffler sterk op inzet. Zo bracht de bekende toeleverancier van de automobielindustrie de systeemdivisie e-mobiliteit tot stand, om zijn activiteiten met betrekking tot toekomstige alternatieve aandrijvingen nog beter te kunnen bundelen. In deze divisie brengt het alle kennis op het gebied van elektromobiliteit samen, over bedrijfs- en landsgrenzen heen. Honderden engineers werken hier interdisciplinair samen, met als doel nieuwe systemen en eenheden te ontwikkelen, en dat niet alleen voor mobiliteit op vier wielen.

Open concept

De systeemdivisie e-mobiliteit is bovendien opgevat als een open concept, waarbinnen samenwerking met partners uit de industrie en met universiteiten niet alleen gewenst is, maar zelfs noodzakelijk wordt geacht. Zo kunnen ontwikkelingstijden worden verkort en krijgt men in de loop van de onderzoeken al feedback van die mensen die toekomstig met de innovaties zullen werken. Gekende onderzoeksprojecten zijn onder meer de hybridemodule 48 volt, bestaande uit een E-motor (48 V/12 kW) en een geïntegreerde geautomatiseerde koppeling, de hoogvoltage-E-as met modulair opgebouwd aandrijfelement, en de wielnaafaandrijving E-Wheel Drive.

Conceptcar

De E-Wheel Drive, gebruikt als aandrijving voor de E-Wheel Drive conceptcar die Schaeffler samen met o.a. Ford ontwikkelt, is inmiddels aan zijn derde generatie toe. Wij hadden niet alleen het voorrecht deze conceptcar aan een rijtest te onderwerpen, ook kregen we de kans om hierover van gedachten te wisselen met dr. Raphael Fischer, directeur van de E-Wheel Drive and Mechatronics Product Group binnen Schaeffler.

TERUG IN DE TIJD

Eind april 2013 stelden Ford en technologiepartner Schaeffler het E-Wheel Drive-project voor en stuurden zij een op de Fiesta gebaseerd prototype, aangedreven door onafhankelijke elektromotoren in de beide achterwielen, los op de testbaan van Ford in Lommel.

Geïntegreerde wielnaafaandrijving

Met de E-Wheel Drive-technologie gebeurt de aandrijving door onafhankelijke elektromotoren in elk van de achterwielen. Daardoor komt er ruimte vrij onder de motorkap die in klassieke auto's ingenomen wordt door de motor en de transmissie, en in elektrische auto's door een centrale motor. Bij in de wielen ingebouwde motoren zijn de componenten, nodig voor aandrijving, vertraging en rijhulpsystemen, ondergebracht in een geïntegreerde wielnaafaandrijving, met dus de elektromotor, de remmen en de koelsystemen. Bij de geïntegreerde wielnaafaandrijving van de tweede generatie (de eerste generatie werd in 2010 al ingebouwd in een Opel Corsa, zie verder) werden alle voor de aandrijving, vertraging en rijveiligheid noodzakelijke componenten zoals elektromotor, vermogenselektronica en regelaars, remmen en koeling in de velg ondergebracht. De elektrische aandrijving bood een vermogen tot 40 kW en een constant vermogen van tweemaal 33 kW. Dit komt in de traditionele betekenis overeen met 110, respectievelijk 90 pk. Daarbij leverde de vloeistofgekoelde wielnaafaandrijving een koppel tot 700 Nm.

Ruimtebesparing

Hiermee beschikte de tweede generatie van de wielnaafaandrijving E-Wheel Drive ten opzichte van de in het jaar 2010 in het Schaeffler conceptvoertuig Schaeffler Hybride (op basis van een Opel Corsa) getoonde wielnaafmotor uit de eerste ontwikkelingsfase over een derde meer vermogen en een 75% hoger koppel. Het nominale koppel bedroeg toen 200 Nm met een maximumkoppel tot 530 Nm. Wel was het zo dat bij de eerste generatie de elektrische motor zich in het wiel bevond, maar niet de vermogenselektronica. De totale aandrijving weegt 53 kg en vraagt een bouwvolume van 16 liter. Hoewel dit zwaarder is dan traditionele wielaandrijvingen, waren er op het voertuig zelf gewichtsbesparingen gerealiseerd door een verplaatsing van de vloeistofkoeling en de vermogenselektronica en regelaars naar het wiel. Hiermee vervalt onder meer een omvangrijke bekabeling in het voertuig. Bovendien kunnen er dunnere draden gebruikt worden omdat de elektrische spanning, gevoed door een batterij in het motorcompartiment vooraan in het voertuig, 360 tot 420 V bedraagt, waardoor er een relatief lage stroom aangehouden kan worden.

DERDE GENERATIE

Het op Automechanika 2016 gepresenteerde prototype was er eentje met een wielnaafaandrijving van de derde generatie waarbij, in vergelijking met de vorige generatie, het prestatievermogen werd verhoogd en er verbeteringen werden aangebracht qua geluid, koppel en aandrijfkracht. Het nominale koppel bedraagt nu 450 tot 500 Nm, terwijl het maximumkoppel tot 810 Nm, gaat, per wiel welteverstaan. Het continuvermogen werd op 27 kW gebracht met een piekvermogen tot 43 kW.

Energierecuperatie

Aangezien het een directe overbrenging betreft zonder transmissie, zijn er zo goed als geen verliezen en kan gesteld worden dat de wielen 97% van het geproduceerde vermogen overzetten op het asfalt. De velgmaat is nu 18 inch en het bijkomende gewicht bedraagt 58 kg per wiel, dat nu een totaalgewicht heeft van zo'n 67 kg, ofwel 50 kg meer dan een conventioneel wiel. Toch worden hierop geen speciale banden gelegd (deze worden immers berekend op het totale gewicht van het wagen en niet per wiel afzonderlijk); bovendien slijt het rubber, in tegenstelling tot wat men zou denken, minder dan bij een traditionele aandrijving. De derde generatie E-Wheel Drive past het aanloopkoppel of remkoppel toe op het wiel en herwint energie voor de tractiebatterijrecuperatie. Hoe defensiever men rijdt, hoe meer energierecuperatie men bekomt. Ook kan er een wielslipcontrole worden uitgevoerd voor ABS en TCS (tractiecontrole). Een conventionele trommelrem is voorzien voor voornamelijk de handremfunctie, al kan die ook aangewend worden als noodrem, indien recuperatie niet mogelijk is, of als extra remhulp bij snelheden tussen 130 en 80 km/uur, wanneer de remkracht van het systeem onvoldoende blijkt.

Rijbereik van 100 km

De E-Wheel Drive is ontworpen als een driefasige, synchrone permanentmagneetmotor (PSM). Geïntegreerd zijn een hoogspanningsinverter voor fasestroomcontrole en de elektronische controle-unit (ECU). De elektrische motor en de vermogenselektronica zijn vloeistofgekoeld. Tussen de stator (magneetkern) en de rotor van de elektrische motor zit een magneetspleet waarin de aanzetbeweging plaatsvindt. Het lager moet dan ook een zeer stabiele constructie zijn om deze magneetspleet te handhaven. De vermogenselektronica controleert de motor met behulp van korte kabeltjes. De batterij levert een nominale spanning van 360 V, met piekspanning tot 410 V. Het wiellager is uiteraard van FAG. Het rijbereik van de conceptwagen bedraagt ong. 100 km, wat het toepassingsgebied van wielnaafaandrijvingen beperkt tot kleine stadsauto's voor beperkt gebruik. Het rijgedrag valt te vergelijken met dat van een traditionele elektrische wagen, al geeft de directe aandrijving een extra cachet. Klein minpuntje is misschien de geluidvorming voor de medepassagiers achteraan in het voertuig, al wordt dit niet echt als storend ervaren, net zomin als de vibratievorming.

NIEUWE VOERTUIGCONCEPTEN

“We zijn erin geslaagd de E-Wheel Drive te ontwerpen als een toegankelijk en hoogefficiënt aandrijfconcept dankzij de directe verbinding tussen de rotor en het wiel, en de korte kabelbanen", vertelt dr. Raphael Fischer, die aan het hoofd staat van het project dat in 2007 al een aanvang kende en dat volgens hem binnen de twee volgende jaren tot productie kan leiden. Al moet er dan wel afgestapt worden van het traditionele voertuigontwerp.

Mobiliteit als nieuwe filosofie

“Door die sterk geïntegreerde wielnaafaandrijving kan er immers zonder beperkingen opnieuw worden nagedacht worden over de stadsauto. Ze zou in de toekomst een belangrijke factor kunnen worden in nieuwe voertuigconcepten en -platformen", zegt dr. Fischer. Dankzij de technologie zou er in de toekomst een auto voor vier personen kunnen worden ontwikkeld die slechts de ruimte inneemt van een auto voor twee personen nu. E-Wheel Drive stuursystemen zouden het bovendien mogelijk kunnen maken om met een auto zijwaarts in een parkeerplaats te rijden, een mogelijke doorbraak, gezien de toenemende bevolking en verkeersdrukte in steden. “We moeten dan ook afstappen van het traditionele 'auto'-denken en overstappen naar een nieuwe filosofie, die van de mobiliteit. Spreek dus niet langer over een auto, maar over mobiliteit, en nieuwe wagens moeten ook in dat opzicht ontwikkeld worden, weg van het traditionele. Nieuwe spelers zullen hun intrede doen in het autolandschap, een evolutie die trouwens nu al bezig is."

Wielnaafaandrijving centraal bij ontwerp

Voor een nieuw voertuigconcept moet er dan wel vertrokken worden van de wielnaafaandrijving zelf, voor er aan het ontwerpen van de body gedacht kan worden, en niet omgekeerd. “Thinking outside the box is inderdaad de sleutelzin voor de mobiliteit van morgen, waarbij creativiteit en efficiëntie de bovenhand zullen halen. Nieuwe voertuigmodellen die niets meer met de huidige modellen te maken hebben, zullen het levenslicht zien, waarin nieuwe vormen van aandrijving maximaal tot hun recht zullen komen." Wel is het zo dat wielnaafaandrijvingen, vanwege de vermelde beperkingen, bij voorkeur toegepast worden op kleinere stadsauto's met een maximale snelheid van 130 km/uur, met een beperkt rijbereik en -gebruik. Voor de E-Wheel Drive ziet dr. Fischer overigens niet enkel een toekomst in de autosector, ook in elektrische scooters of industriële transporttrucks zou dit toepassing kunnen vinden, mits alles op de juiste schaal wordt toegepast.

Mehren-project

Samen met Ford, Continental (dat zich voornamelijk richt op nieuwe remvarianten), de RWTH Aachen Universiteit en de Universiteit van Toegepaste Wetenschappen in Regensburg gaat Schaeffler binnen het onderzoeksproject MEHREN (ontwerp van een elektrisch voertuig met een wielnaafaandrijving met een zeer efficiënt gebruik van ruimte en energie zonder te raken aan de rijveiligheid) nog een stap verder. De focus in dit project ligt daarbij op de implementatie van een nieuwe softwarearchitectuur die een antwoord biedt op de eisen van wielnaafaandrijvingen, waarbij het samenspel tussen de elektrische motor en het remsysteem geoptimaliseerd wordt. In een zijproject wordt tevens het belang van functionele veiligheid in rekening gebracht. Het MEHREN-project zou binnenkort een prototype moeten opleveren van een nieuw voertuigontwerp waarbij er van bij de start van de ontwikkeling uitgegaan wordt van de wielnaafaandrijving als standaard. Mocht u er nog aan twijfelen: de mobiliteit van morgen is geen verre toekomstmuziek meer, maar pure realiteit, zeker voor Schaeffler …