Sarjahybridi vai range-extender? - Sähköautot - Nyt!

Aloitan kirjoituksen lopusta:
"Olisi todella mahtavaa jos jokin yliopisto saisi kehittää tällaista systeemiä. Autotehtaat kun ovat velvollisia tekemään voittoa omistajilleen. Heidän intressinsä eivät tässä oikein kohtaa."
Kyllä korkeakouluilla ja yliopistoillakin on tätä nykyä tuottavuusvastuu ja vain liiketaloudellisesti kannattavat hankkeet saavat siunaukset pyhästä pyhätöstä.

Toisaalta kyllä Polilla, tai tamperelaisilla olisi ollut tässä vuosikymmen aikaa miettiä sähköautoja. Mitä on tehty? Näperrelty vähiä rahoja sinne, tänne ja oltu niin cuuliatiedemiestä. Meillä on Keksintösäätiö ja Sitra ja Tekes ja… ja…. ja. On! Keksintösäätiön pöydälle saat vieä toimivan "ikiliikkujan" ja antaa sen siinä pyöriä 785 kW teholla kaksi vuotta. Siellä riploomi-ingetgörat kysyy ensimmäisenä, että "montako miljoonaa olet halukas sijoittamaan omaa rahaa, jos me laitetaan 7500 euroa ja halutaan 50 vuotta myyntivoitosta 1 730 000 itsellemme. Entäpä oletko jo valmistanut näitä myyntiin paljon? Onko sitovia ostosopimuksia jo sadoittain?" Se on…. niin siellä! Suomessa menee vuosittain kymmeniä patentteja ja keksinnön ituja hukkaan, kun ei ole toimivaa organisaatiota, joka niitä alkaisi kehittää. Ukkoa ja akkaa kyllä istuu Tekniikantien palatsissa ja muualla nostamassa kuukausipalkkaa ja juoksemassa kokouksesta toiseen, mutta se käytännön osaaminen puuttuu!

Sähköauton kehittely virkamiesvoimin sotkettaisiin Suomessa, jos ufot toisi valmiit komponentit ja piirustukset.

Aulis Saarijärvi

Eiköhän sitä tietoa, taitoa ja kokemusta sarjahybridistä ala kertyä kun Fiskerin tuotanto käynnistyy.

Timo_S

Se on tätä kun keksijöitä kyllä löytyy, mutta kellään ei ole varsinaisesti rahaa alkaa niitä toteuttamaan. Suomessa kun ei ole samalla tavalla rikkaita sijoittajia kuin muualla maailmassa, joilla on varaa pistää muutama miltsi johonkin riskiprojektiin ihan vaan katsoakseen mitä siitä tulee. Yliopistoilta ja säätiöiltä on turha alkaa kysymään rahoitusta - ne rahat menee omille kavereille.

Sarjahybridissä on rinnakkaishybrideihin verrattuna se etu että vaihdelaatijoista ja vetoakselistoista voidaan luopua kokonaan. Tämä vähentää melkoisesti mekaanisia häviöitä.

Vaihdelaatikon hyötysuhde korvautuu sähkögeneraattorin ja sen muuntoelektroniikan hyötysuhteella, joka sekään ei voi olla täysin 100%.

En tiedä paljonko vaikkapa normi auton vaihdelaatikon pyörittäminen 5 vaihteella sellaisella nopeudella, että auto kulkisi 80km/h vaatisi. Veikkaukseni on kuitenkin että aika monta kilowattia siinä kuluu.

Ei montaa kilowattia. Vaihdelaatikoissa kun ei ole aktiivista jäähdytystä. Hyvin suunniteltu mekaaninen vaihteisto on helposti 98% tehokas, kun taas sähkögeneraattoreissa ei välttämättä päästä samalle tasolle, varsinkaan kun syntyvä sähkö pitää muuntaa ja tasoittaa vielä hakkureilla. Sarjahybridissä käykin hyvin helposti niin, että jos ei käytetä laadukkaimpia osia ja suunnittelumalleja, lopputulos häviää 10:0 tavalliselle manuaaliaskille.

Aikoinaan 70-luvulla opiskelin autotekniikaa ja Saarialhon kirjojen ja tietojen nyrkkisääntö vaihteistoissa oli n. 5% energiahukka per suorahammaskosketus, jolla öljykylpy. En nyt löytänyt sitä kaavaa, enkä kirjaa, mutta kitkahäviöistä on tarkkaa tietoa vino-, suora- ja hypohampaisille laskettu. Kitkaa muuttuu lämmöksi kahden akselin laakerissa ja sitten se hampaiden vääntöliuku. Silloin autot olivat takavetoisia, joten kartaanin jälkeen vielä olivat lautaspyörät ja tasauspyörästön rattaat, joten kyllä energiaa katosi matkalla.

Katsokaapa joskus liikennevalissa kuorma-auton taka-akselia. Se ajossa vesisateella suorastaan höyryää ja kuivaa pinnaltaan (banjon, sen mötikän) tippuvan kosteuden, kuin kiuas. Mistäpä se lämpö sinne tulikaan?

Aulis

Huomasin myös Bemaria rukatessa, että härvelin perä on varustettu ihan erillisellä jäähdytinelementillä. Jos teoriassa se tasaisessa ajossa siirtää 16 kW tehoa takarenkaille, on se aikamoinen hukka. Toki, jos se on vain varmuuden vuoksi ja mitoitettu koko päivän kestävää rata-ajoa varten… asia on erikseen. JOllain dynamollahan tuollasen voisi mittailla. Oliko jostain autolabrasta porukkaa kuulolla ? Voishan jotain rakennella tuota mittaamaan omavaraisestikin. Eihän näitä tuloksia kukaan vaadi minkään "standardien" mukaan mitattavaksi.

-

Koneen osien suunnittelu I, Airila, Ekman, Hautala… WS Bookwell Oy, 2003 Porvoo:

"Yhden lieriöpyöräparin hyötysuhde on 0,96…0,99. Lisäksi vaihteen kokonaishyötysuhdetta laskettaessa on otettava huomioon laakerin kitkavastukset. Laakeroinnin hyötysuhde on vierintälaakereilla 0,98…0,99 ja liukulaakereilla 0,96."

Laakereitahan tulee sivuakseliin kaksi ja pääakseliin kaksi eli neljä. Lisäksi sen öljysumun ylläpitämiseksikin kuluu energiaa. Päässäni lasken äkisti 1000 watin lähtötehon häviöitä kahdella laakerilla pahimmassa vaihtoehdossa. 1000Wx0,98=980 … 980x0,96=941 …. 941x0,96=903 W.

Lisätään siihen vielä se tasauspyörästö neljällä laakerilla ja kahdeksalla hammaskosketuksella, niin huomataan, miten hubaa tavaraa akselienergia on kadotakseen lämmöksi.

Aulis

Mikäli otetaan tutkittavaksi tavallinen etuvetoinen henkilöauto jossa moottori on edessä poikittain ja käsivaihteisto, on momentin reitillä kampiakselilta pyörännapoihin suoraan ajettaessa kaksi ja kaarreajossa kolme hammaskosketusta: Varsinaisessa vaihteistossa on 1. ja 2. akselin välillä yksi ja vetopyörästössä pinjonipyörän ja lautaspyörän välillä toinen. Tasauspyörästön pyöriessä, eli ajettaessa kaarteessa, tulee tasauspyörästöstä vielä kolmas hammaspyöräpari. Sen tehonkulutus on kuitenkin alhaisesta pyörimisnopeudesta johtuen vähäinen.

Edellisten lisäksi tulee vetonivelien ja laakeroinnin sekä tiivistimien yms. aiheuttamat tehohäviöt siten että voimansiirron kokonaishyötysuhde on n. 0,9.

Koska 80 km/h ajonopeuden ylläpitoon tarvitaan tehoa vajaat 10 kW (netto vetäviltä pyöriltä) eo. perusteella voimansiirto hukkaa vajaan 1 kW:n josta vaihteiston osuus on joitakin satoja Watteja.

- Jari W

En ole koskaan kuullut kytkinakselilta renkaisiin mekaanisesti vaihteiston, tasauspyörästön, vetoakselien ja nivelien kautta kulkevalle ketjulle noin korkeaa hyötysuhdetta (0,9)! Kyllä ne kaikki kosketuskitkat, vierintäkitkat ja liukukitkat pitää laskea yhteen. Se on sama, jos sulla on kymmenen kelkkaa kiinni valjaissasi ja ne kytketty metrisin vaijerein toinen toisiinsa. Ensimmäinen kelkka vastustaa vetämistäsi voimalla X. Seuraavan vaijeri kiristyy ja vetää mukaansa seuraavan silloin kaava onkin jo … seuraa (X+X…..=10X) Se on sama lasketaanko se kitkavoimien summana, tai hyötysuhdekertoinen prosenttimenetyksinä.
Tämän vuoksi on ehdottoman tärkeää keskittyä sähköautossa heti napamoottoreihin. Unohtaa vaihteistot ja vetoakselit nivelineen. Laittaa sitten vaikka kolmiakselisen ajoneuvon, että saa kuusi napamoottoria, jolloin ne tulevat pieniksi ja keveiksi (oletan tehoksi vaikka a' 8 kW).

Aulis

Napamoottoreissakin on alennusvaihde, eli napamoottoreilla noita tulisi yhtä monta kuin on napamoottoreita. Ja napamoottorit ovat sangen huonoja hyötysuhteeltaan verrattuna yhteen isoon sähkömoottoriin. Sähkömoottoreissa pätee se että mitä suurempi moottori sitä parempi hyötysuhde. Lisäksi tulee elektroniikan ongelma kun napamoottorivärkin pitää leikkiä tasauspyörästöä. Napamoottorit myös heikentävät ajettavuutta huomattavasti lisäämällä huomattavasti…en osaa kääntää…"unsprung weight" eli sitä painoa joka on renkaassa rungon sijaan tehden alustan jousituksen ja iskunvaimennuksen sangen haasteelliseksi. Ja siinä ovat moottorit suoraan kärsimässä kaiken mahdollisen tien tärinän tehden vähintäänkin sähköjen liitokset haasteelliseksi.

Yksi moottori jossa "yksi vaihde" joka laskee/nostaa moottorin kierrosluvun renkaille sopivaksi on se energiatehokkain ja yksinkertaisin tapa saada sähkömoottorista maksimiteho irti. Laitetaan vaikka yksi moottori / akseli jos nelivetoa tarvitaan.

Napamoottorit ovat hyviä vaikkapa metsätyökoneelle jonka rungon paino suhteessa renkaiden painoon on suuri ja nopeus on pieni jolloin ajettavuus ei ole ongelma ja akselit ovat tiellä (napamoottoreillahan voidaan vaikka laittaa renkaat hydraulivarsien päähän niin että metsätyökone voi tarvittaessa kävellä kun ajaminen ei onnistu), mutta tavalliseen siviiliautoon ne ovat huonoja.

Se miksi sarjahybridi päihittää rinnakkaishybridin ei tule akselihäviöistä vaan siitä että se polttomoottori siinä sarjajhybridissä voidaan virittää yhdelle ainoalle optimikierrosalueelle jossa *sen* hyötysuhde on parhaimmillaan. Ja tästä tulee helposti jotain 30-50% parannus normaalin polttomoottorin hyötysuhteelle. Moottori voidaan myös jättää sangen pieneksi ja mitoittaa niin että se pyöriessään tuottaa vain hieman yli auton normaalin tehonkulutuksen tasaisella ajettaessa ja loppu ylijäämä menee akkuihin kiihdytyksiä varten. Myös painossa säästetään tällöin paljon. Tämmöisellä virityksellä voidaan helposti tehdä auto jolla ajaa Helsingistä Utsjoelle ja takaisin yhdellä tankillisella. Jos autossa on range-extender myös akut voidaan jättää pienemmiksi säästäen lisää painossa.

Toki puhdas sähköauto olisi se optimaalisin ratkaisu, mutta latauspisteiden puutteessa pitkälle ajomatkalle tuommoinen range-extender on ainoa järkevä ratkaisu.

….."Napamoottoreissakin on alennusvaihde, eli napamoottoreilla noita tulisi yhtä monta kuin on napamoottoreita. Ja napamoottorit ovat sangen huonoja hyötysuhteeltaan verrattuna yhteen isoon sähkömoottoriin. Sähkömoottoreissa pätee se että mitä suurempi moottori sitä parempi hyötysuhde. Lisäksi tulee elektroniikan ongelma kun napamoottorivärkin pitää leikkiä tasauspyörästöä. Napamoottorit myös heikentävät ajettavuutta huomattavasti lisäämällä huomattavasti…en osaa kääntää…"unsprung weight" eli sitä painoa joka on renkaassa rungon sijaan tehden alustan jousituksen ja iskunvaimennuksen sangen haasteelliseksi. Ja siinä ovat moottorit suoraan kärsimässä kaiken mahdollisen tien tärinän tehden vähintäänkin sähköjen liitokset haasteelliseksi."…..

Vast. Olen jo aikaisemmin kirjoittanut napamoottorin asiat näkyville, joten en toista sen hyviä puolia kerta toisensa jälkeen. Muutamaan oletukseesi oikaisu. Napamoottorin hyötysuhde on se minkä sille suunnitellaan (kompromissina). Ei sähkömoottoreita saada kovin erilaiseksi keskenään. Sen ei tarvitse "leikkiä tasauspyörästöä" sillä kaikki pyörivät vapaasti sen geometrisen kulkukaaren mukaan, mitä ajetaan. Etu- ja taka-akselit eivätkä saman akselin pyörätkään välitä toisistaan. Pyörien pyrkiessä "sutimaan" automatiikka huolehtii sen estosta. Pudotettaessa maasturin jäykkä etuakseli kaikkine lehtijousineen, vakaajatankoineen, akselin sisäkaluineen ja rattaikkoineen, sekä vetonivelineen ja ohjauslaitteiden tankoineen pois, niin paljastuu 190-220 kg sitä "jousittamatonta massaa". Kuitenkin niillä ajetaan ja insinööripojat kehuvat kilvan maasturiaan mukavaksi tyyrätä. Tämän painon korvaa napamoottorit, joten ei siinä suuria massamuutoksia tapahdu. Tietäisitpä kuinka ankarissa, likaisissa, kosteissa ja tärisevissä oloissa on teollisuudessa, kaivoskoneissa ja muissa sovelluksissa onkaan sähkömoottoreita. Niitä on mielettömissä tärinöissä pyörittämässä teriä, laitteita ja akseleita! Sähkömoottorit vain kestävät. Totta kai kestää, kun ne suunnitellaan sellaiseksi ja valmistetaan tiiviiksi oikeista materiaaleista. Siksi koviin paikkoihin valitaan sähkömoottori, koska muut eivät sovellu.

Sähköisiä sovelluksia johtoineen muuten menee jo nykyään pyöränripustuksiin, jarrupaloihin, ABS:iin, EPA:han johtonippuina. Kestävät, kun tehdään oikein.

Muutoin olen kirjoituksesi sisällöstä samaa mieltä, paitsi jos jokin uusi keksintö parantaa polttomoottorin suorituskykyä 50% niin haluaisin kuulla siitä lisää.

Aulis

Bensiinimoottorin hyötysuhde on 15% 60 km/h vauhdissa. Hyötysuhde voisi olla parhaimmillaan 35-40% joten tasakierroskoneella kulutus voisi olla tuolla nopeudella parin litran luokkaa nykyisen ehkä viiden sijasta.

Saavutettava säästö on siis jopa 60% luokkaa.

- Ajatteleva autoilija

**Sen ei tarvitse "leikkiä tasauspyörästöä" sillä kaikki pyörivät vapaasti sen geometrisen kulkukaaren mukaan, mitä ajetaan. **

Itseasiassa, kun ajetaan kaarteeseen ja toisen puolen pyörät alkavat pyöriä nopeampaa, ilman älyä välissä pelkällä momenttisäädöllä rengas alkaa jarruttamaan.

Moottori muuttuu generaattoriksi kun sitä pyöritetään nopeampaa kuin ohjaimen antama taajuus, mikäli kyseessä on AC moottori, tai DC moottorin tapauksessa virran suunta muuttuu koska vastasähkömotorisen voiman tuottama jännite nousee suuremmaksi kuin ohjauspiirin antojännite.

Jos kiihdytät mutkaan, niin kaikki nurkat pyrkivät nostamaan kierroksia ja vääntöä tarjotaan x Nm koko ajan. Sitä väännön määrää ohjataan kiihdytinpolkimella. Polkimen vaste ajettaessa on parempi silleensä. Kokemusta on asiasta muutamien projektien myötä.

Mikään ei estä kaikkien renkaiden asettua eri nopeuksille, koska kaikilla nurkilla omat moottorinohjaimet ja vääntövaatimukset (kihdyttävän voiman asetus).

ESP- ja ABS- ohjelmat pitää koodata ja onhan niissä hommaa ihan selvästi.

Kuvaamasi tilanne olisi erikseen rautaan koodattu tasauspyörästön lukko, joka on toki erittäin kätsy ohjelma tarvittaessa.

-

Tiedätte tämän ja kuitenkin pyritte rukoilemaan asiaan vaikeuksia, povaamaan olemattomia ongelmia ja pyytämään siunausta jollekin mekaanisesti mahdottomalle! Miksi?

Aulis

………………."Mikään ei estä kaikkien renkaiden asettua eri nopeuksille, koska kaikilla nurkilla omat moottorinohjaimet ja vääntövaatimukset (kihdyttävän voiman asetus)."…………………..