Drivverk og kjøremotstand til to- og firehjulsdrevne elbiler

Abstract

Det stilles stadig større krav om en miljøvennlig kjøretøypark, og det er derfor stadig større konkurranse om å utvikle mer miljøvennlige kjøretøy. Det gjøres stadig tester av elbilenes rekkevidde, men det er også nødvendig med kunnskap om både elektriske drivverk og andre kjøretøyparametere for å modellere nye kjøretøy. Videre trengs denne kunnskapen også for å verifisere eksisterende løsninger. Oppgaven fremskaffer denne kunnskapen og presentere den på en pedagogisk måte. Oppgaven inneholder et omfattende teorigrunnlag bestående av grunnleggende kjøretøyfysikk og kartlegging av oppbygning og virkemåte for drivverket i moderne elektriske biler. Disse beskrivelsene er basert på studier av eksisterende litteratur, teknisk informasjon fra importørene og markedsføringsinformasjon fra produsentene. Det er lite norsk teknisk litteratur om teamet, men relevant informasjon fra litteratursøket er gjengitt i oppgaven. Det er utført akselerasjonstester og kjøremostandstester av seks aktuelle produksjonselbiler fra Kia, Volkswagen, Audi og Porsche. Under testene ble det samlet inn data fra bilens diagnosesystem i sanntid for å kartlegge moment, effekt og andre viktige kjøretøyparametere under kjøring. Akselerasjonstestene har gitt et godt grunnlag til å presentere moment, effekt og drivkraftkurver for de ulike modellene. Kjøremotstandstestene har vist at det nødvendige effektbehovet under kjøring er sterkt avhengig av helningen på kjørebanen og eventuell medog motvind. Det er variasjoner i oppbygning av elektriske motorer, men til tross for dette har de ulike motortypene tilsvarende egenskaper. Typisk vil motorene i moderne elbiler ha et område der de leverer konstant moment, etterfulgt av et område der de leverer konstant effekt. Enkelte elbiler har også et område der effekten omvendt proporsjonal med hastigheten. Denne moment- og effektkarakterstikken gjør at drivkraften vil være konstant, før den går over til å være omvendt proporsjonal med hastigheten. Dersom motoren har det tredje område, vil da drivkraften være omvendt proporsjonal med hastigheten i andre potens. Disse sammenhengene kan brukes til å beskrive kjøretøyets egenskaper og ytelse. De fleste elbiler er utstyrt med et fast reduksjonsgir med kun én utveksling, mens biler på Porsche J1 plattformen har en totrinns girkasse på bakakselen som gir svært høy drivkraft kombinert med muligheten for høy hastighet. Det brede turtallsregisteret til elmotorer gjør at elbiler med fast reduksjonsgir fungerer bra, men Porsches løsning gir økt drivkraft på bekostning av økt kompleksitet. Noe teknisk informasjon har vist seg å være vanskelig å oppdrive, spesielt informasjon som har lite markedsføringspotensiale. Dermed har det vært nødvendig å estimere noen verdier underveis. Manglende teknisk informasjon har også motivert for de praktiske testene. En av de praktiske testene har vært å finne treghetsmomentet til en rekke hjul. Treghetsmomentet ble målt med to metoder, med en rotasjonspendel og ved rulling av hjul på skråplan. Praktisk gjennomføring og det matematiske grunnlaget for begge metodene er vist i oppgaven. Resultatene fra testene er I=0,47 kgm^2 for de minste hjulene og I=2,38m^2 de største hjulene. Det blir også foreslått følgende sammenheng mellom treghetsmomentet, masse og hjulradius, som kan brukes til å estimere treghetsmoment til andre hjul enn de som ble testet: I=k*mR^2, k=0,58 Resultatene fra den praktiske testingen drøftes og illustreres med figurer. Avslutningsvis er det også laget flere beregningseksempler som bruker informasjon fra teorigrunnlaget og resultater fra den praktiske testingen til å modellere og vurdere bilenes egenskaper.

There are ever increasing requirements for more environmentally friendly vehicles, and therefore there is fierce competition in developing new solutions. Tests of electric vehicle range is common, but its also necessary to gain knowledge about electric drivetrains and other vehicle parameters to accurately model new vehicles. This knowledge is also needed to verify existing solutions. This thesis obtains this knowledge and presents it in an educational way. The thesis includes an extensive foundation of theory consisting of vehicle dynamics and an overview of the construction and functionality of drivetrains in modern electric vehicles. These descriptions are based on studies of existing literature, technical material from the local dealerships and marketing material from the manufacturers. There is little Norwegian technical literature on the subject, but all relevant information found during literature searches is shown in the thesis. Practical testing consisted of acceleration and driving resistance tests of six relevant production vehicles from Kia, Volkswagen, Audi and Porsche. Realtime data from the cars diagnostics system was collected during all the tests. The data was used to determine torque, power and other important vehicle parameters during driving. The acceleration tests gave a good foundation to make curves of torque, power and driving force for the different vehicles. The driving resistance tests showed that driving resistance is easily affected by wind and inclines. There are significant variations in the construction of electric motors, but despite this the different motor types have very similar characteristics. The motors will typically deliver constant torque at the start, before delivering constant power as speed increases. Some electric motors have a third region where power decreases as speed increases. This torque and power characteristic results in constant driving force in the beginning before it becomes inversely proportional with speed. If the motor has the third region, the driving force will be inversely proportional with speed squared in this region. This characteristic can be used to describe the vehicle’s performance. Most electric vehicles are outfitted with a fixed ratio reduction gearbox, while cars built on the Porsche J1 platform have a two-speed gearbox on the rear axel which provides very high driving force combined with the ability of high-speed operation. The wide rev-range of electric motors mean that the fixed ration reduction gearbox works well, but Porsche’s solution offers increased driving force at the cost of increased complexity. Certain technical information has proven difficult to find, especially information that isn’t used in marketing material. Therefore, some values had to be estimated. This lack of technical information was one of the motivators for the practical testing. The practical testing also included measuring of the moment of inertia for several wheels. The moment of inertia was measured using two methods, with a rotational pendulum and by rolling wheels down an inclined plane. Description of both methods, as well as their mathematical foundation is presented in the thesis. The result is I=0,47 kgm^2 for the smallest wheels and I=2,38m^2 for the largest wheels. The following relation between the moment of inertia, mass and radius of the wheel has been proposed: I=k*mR^2, k=0,58 This can be used to estimate the moment of inertia for other wheels. The results from all practical testing are discussed and illustrated with figures. Example tasks show potential uses for the information, and uses results from practical testing to model and evaluate vehicle characteristics.