Hybride auto’s zijn booming. De combinatie van een verbrandings- én elektromotor kwam voor het eerst in de vorm van de Toyota Prius op de markt en inmiddels volgen autofabrikanten als Honda en Lexus het voorbeeld van deze relatief zuinige en schone technologie. Met de toegenomen aandacht voor het milieu wordt een nog grotere vraag naar hybride verwacht. Toyota hoopt in 2010 de miljoenste Prius verkopen. De transportsector brengt binnenkort de eerste hybride vrachtwagens op de weg. De eerste hybride auto rijdt sinds 2000 in Nederland. In de eerste jaren werden er slechts tientallen van verkocht, inmiddels zijn dat er enkele duizenden per jaar. In totaal rijden er bijna tienduizend rond in Nederland.
Een hybride auto heeft een elektromotor voor aandrijving bij lage snelheden, gecombineerd met een zuinige benzinemotor. De actieradius is daarmee vergelijkbaar met andere auto’s. Voordeel is echter dat de hybride auto beduidend minder luchtvervuiling veroorzaakt en ten opzichte van een benzineauto ongeveer een kwart aan brandstof bespaart. Daarnaast rijdt het zeer comfortabel - de auto is erg stil.
Voorafgaand aan de productie van een hybride auto moet de fabrikant kiezen hoe de aandrijflijn van de auto wordt samengesteld. Welke motor, welk type versnellingsbak, welke overbrenging, welk vermogen? Bepalend in de keuze is een laag brandstofverbruik, maar de auto moet onontkoombaar aan eisen van de consument voldoen. Zo moet de auto snel optrekken en een acceptabele topsnelheid hebben, zaken die het schone gedrag van de auto meestal teniet doen.
Elke keuze die een ontwerper maakt voor een onderdeel is van invloed op andere onderdelen. In dit complexe vraagstuk is het lastig te voorspellen of de keuze voor een onderdeel of de plek in de aandrijflijn wel het gewenste effect heeft. De faculteit Werktuigbouwkunde stelde zich ten doel dit probleem te tackelen.
Promovendus ir. Theo Hofman ging ermee aan de slag en stelde zich de vraag: welke aandrijflijn moet er in een hybride voertuig? Kortom: hoe ontwerp je de beste aandrijflijn? Hij specificeerde de vraag naar vier deelvragen. De eerste is ‘de grootte’ (vermogen of energie): hoe groot moeten verbrandingsmotor, elektromotor, de batterij et cetera zijn? De volgende vraag is: waar in het voertuig zitten de onderdelen? Plaats je de elektromotor voor of na de transmissie? Is het een voor- of achterwiel aangedreven auto? Deze keuzes hebben uiteraard gevolgen voor de prestaties van de auto. De derde vraag is: welke technologieën kies je? Een benzine of dieselmotor? Een automaat of handgeschakelde auto? Na alle keuzes is de laatste vraag: hoe stuur je de componenten aan? Bijvoorbeeld: wanneer neem je hoeveel vermogen van de elektromotor en hoeveel van de verbrandingsmotor? Dat is een afweging tussen de polen ‘zuinig’, ‘prestaties’ en ‘comfort’. Tijdens dit regelproces kan een producent tot de ontdekking komen dat er verkeerde keuzes zijn gemaakt. Bijvoorbeeld wanneer de gewenste prestaties niet gehaald kunnen worden omdat er een te lichte verbrandingsmotor is gebruikt.
Efficiënt
De keuzes die gemaakt worden in het ontwerp van de aandrijflijn zijn complex en hebben dus gevolgen die van tevoren niet te overzien zijn. Een vervelende situatie voor een industrie die als uitzonderlijk efficiënt bekendstaat. Hofman: “Alle fabrikanten zitten met deze problemen. Het ontwerpen kost nu veel rekentijd; een simpele som voor een regelstrategie vraagt al snel een kwartier. Het doorrekenen van verschillende opties kan dus dagen kosten.”
Om de complexiteit en rekentijd van het ontwerp van een aandrijflijn te kunnen reduceren, beschouwde Hofman de hybride aandrijflijn op een hoger abstractieniveau. Daaruit kwamen de eerdergenoemde vier deelvragen. Tijdens deze analyse kwam hij er ook achter dat alle problemen in het ontwerp één gemene deler hebben: rendement van de componenten. Dit is het centrale begrip geworden, waarom heen een beperkt aantal parameters is gevormd. Beperkt, omdat Hofman een snel programma wilde maken.
Het rendement van een aandrijflijn (het brandstofverbruik) laat zich in het programma bijvoorbeeld vangen met twee parameters. Op de ene as kunnen transmissie, de batterij of de plek van een onderdeel in de aandrijflijn worden gezet. Op de andere bijvoorbeeld het vermogen van de motoren. De derde as (verticale as) staat voor het brandstofverbruik. Dit genereert een grafiek waarin het brandstofverbruik wordt weergegeven als een combinatie van bijvoorbeeld een elektromotor van een bepaald vermogen met een aandrijving aan de achterwielen. Dankzij de visualisatie is het optimum direct te herkennen. Ook is te zien in hoeverre het afwijken van het optimum ten koste gaat van het brandstofverbruik.
Het computerprogramma is een handig hulpmiddel bij het ontwerpen van aandrijflijnen, maar het laat ook zien met welke verbeteringen de hoogste rendementen te behalen zijn. Hofman: “Moet je onderzoek doen naar zuiniger verbrandingsmotoren of is er veel meer rendementverbetering mogelijk dankzij onderzoek naar de transmissie? Het is zinvol om op basis van kennis keuzes voor bepaalde onderzoeken te maken. Dat kan nu dus heel gemakkelijk.”
Hofman denkt dat zijn model de beste basis zal zijn voor het doorrekenen van hybride aandrijvingen. “Het is een methode om heel snel het landschap aan mogelijkheden te scannen. Er is een heel grote zoekruimte die nu behapbaar is gemaakt. Vernieuwend is dat ik de keuzes voor onderdelen in één raamwerk samenvoeg met de regelstrategie.”
Het is natuurlijk nog wel de vraag in hoeverre het vereenvoudigde model de werkelijkheid vangt. Hofman: “Ik heb simulaties gedaan om het model te valideren en heb verschillende ontwerpstudies uitgevoerd, maar dit is nog onvoldoende. Het is daarom een logisch vervolg een hybride aandrijflijn te bouwen om het programma te valideren en aan te scherpen.”/. |
Cursor als PDF
)