woensdag 28 februari 2024

Techniek: hoe werkt een elektromotor?

Elektrische motoren zijn de toekomst, dat weten we ondertussen allemaal. Maar hoe werken die dingen eigenlijk? Wat moet er allemaal gebeuren opdat de stroom uit het stopcontact kan worden omgezet naar tractie op het achterwiel? Wat komt daar allemaal bij kijken? We trokken naar het Europese hoofdkantoor van Zero Motorcycles in Noord-Scharwoude en werden twee uur lang in een elektrisch bad gedompeld, met als badmeester Pepijn Kostelijk.

Fotografie: Zero Motorcycles, Gijs Gilis

Dag Pepijn. Stel jezelf eens voor.

Pepijn Kostelijk: ‘Ik ben de tech trainer van Zero Motorcycles en werk er ondertussen tien jaar. Zelf ben ik een enorme liefhebber van techniek en dus ook van verbrandingsmotoren. Een van mijn uitdagingen bij Zero is om de monteurs, die gewend zijn om aan carburateurs of injectiesystemen te werken, om te vormen naar het elektrische verhaal. Dat is niet alleen technisch een hele ommezwaai, maar daar komt ook een stuk extra veiligheid bij kijken omdat het hoogspanningsmachines zijn.’

Cavitatie: de Kracht van gas

Laten we beginnen bij het begin. Hoe vergelijk je benzine met elektriciteit?

‘In een benzinetank van 60 liter zit 60 liter aan benzine. In een batterij van bijvoorbeeld 12 kWh zit 12 kW oftewel 12.000 Watt. Eén liter benzine staat gelijk aan ongeveer 8,9 kWh energie. Met een motorfiets kun je met één liter benzine ongeveer 25 kilometer rijden. In de Zero SR zit een nominale of bruikbare energie van 12,6 kWh. Als we dat omrekenen naar benzine kom je uit op 1,4 liter, waarmee je op de SR dus gemiddeld 140 kilometer kunt doen. Dat is een enorm verschil.’

Kunnen we daaruit concluderen dat een elektrische motor veel efficiënter met elektriciteit omgaat dan een benzinemotor met brandstof?

‘Een benzinemotor zet ongeveer 35 procent van de opgebouwde energie om in tractie, de rest is vooral warmte die verloren gaat. Al 120 jaar zijn er iedere dag duizenden ingenieurs bezig om die efficiëntie beter te maken, maar dat lukt blijkbaar niet. Het maximale is daarin bereikt. Bij een elektromotor is de efficiëntie tachtig procent, met nog wat rek. Die resterende twintig procent gaat naar magnetismeverlies van de koperen spoel, warmte en een beetje wrijving. De meeste winst die geboekt kan worden zit in de batterijtechnologie, maar dat is kijken wat de toekomst brengt. Het zal in ieder geval kleiner, krachtiger en betaalbaarder worden, of het nu lithium-ion is, solid state of een ander materiaal.’

Dus de batterijen zijn momenteel te groot, te zwaar en te duur?

‘Het is de grootste kostenpost van een elektrische motorfiets. Een 14,4 kWh-pakket weegt ongeveer 80 kg. Aan dat gewicht kunnen we helaas niets doen. Het liefst nemen we de dubbele capaciteit mee aan boord, maar vanwege de vele extra kilo’s gaat dat niet. Iedereen droomt van een batterij die de helft weegt, het dubbele aan kracht levert en de helft kost. Met de huidige betaalbare technologie zitten we nu op het maximum. We kunnen de motoren nog meer vermogen geven, maar daar vraagt bijna niemand naar. Het hangt dus af van de batterijtechnologie, net zoals bij de andere merken.’

Hoe zit zo’n batterijpakket in elkaar?

‘Het bestaat uit allemaal lithium-ion cellen die in serie zijn verbonden. Eén zo’n cel levert ongeveer 3,7 Volt. We gebruiken er 28, dus krijgen we een nominale spanning van 102 Volt DC. Boven de 60 Volt is het hoogvoltage, vandaar dat de kabels oranje moeten zijn en dat de motor volhangt met “warning”-stickers. Bij Zero raden we altijd aan om zo weinig mogelijk stress op de batterij te zetten. Dus niet heel hoog opladen en aan een hoge lading laten staan gedurende lange tijd. Vergelijk het met heel hard inademen en die lucht in je longen proberen te houden. Dat is niet aangenaam. Hetzelfde geldt voor de batterijcellen. Idem met een hele lage lading. Je probeert altijd de batterij in een bepaalde range te houden, dan blijft die het langst goed. Batterijen van een smartphone blijven maar een paar jaar goed, omdat die continu worden over- en ondergeladen om de hele dag te kunnen bellen, surfen, gamen, navigeren… Zou je je smartphone altijd maar laden tot tachtig procent en bij dertig procent weer opladen, dan zul je zien dat die veel langer mee zal gaan. Bij Zero gebruiken we eenzelfde principe door de batterijen nooit te stressen. Hoge temperaturen van boven de 50 graden zijn ook niet goed, want ook dan treedt er versnelde batterijdegradatie op.’

Tijdens een hete zomerdag moet je je elektrische motor dus niet in de volle zon zetten?

‘Je moet dan 80 kg aan batterijen opwarmen, dus haal je die te hoge temperaturen niet. Het kan met andere woorden geen kwaad. Er zitten ook verticale koelribben op het pakket, zodat de gegenereerde warmte tijdens het opladen kan verdwijnen. Op vooral oudere benzinemotoren zie je horizontale koelribben omdat die in de richting van de rijwind staan. Wij doen het dus andersom, omdat de meeste warmte wordt gecreëerd tijdens het opladen.’

Stevig bankje, want de elektromotor (links) pak je niet zomaar met één hand op.

Wat gebeurt er als we het contact aanzetten en willen gaan rijden?

‘Vergelijk het met een lichtknop. Als je die aan zet, heb je meteen honderd procent licht, maar met een dimmer – of gashendel – kun je die lichtsterkte – of dat vermogen – controleren. Om dat vermogen in tractie op het achterwiel om te zetten, nemen we de stroom uit de batterij en gaat die naar de motorcontroller, waar het signaal van het gashendel binnenkomt. De industriestandaard en wat wij dus ook gebruiken is een driefasenmotor. Die bestaat uit koperen spoelen. Door daar stroom op te zetten creëer je een elektromagnetisch veld. In de rotor zitten permanente magneten die duizenden keren per seconde worden aangetrokken en weggeduwd, waardoor je een roterende beweging krijgt. Die beweging wordt overgebracht naar de riem en via die weg naar het wiel. Een leuk weetje van een elektromotor is dat je er in theorie even snel vooruit als achteruit mee zou kunnen rijden, maar dat wordt uiteraard verhinderd door de motor in de juiste richting te laten draaien. Bij het remmen gaat de motor geen energie vragen, maar wel teruggeven. Dat kun je het best vergelijken met een dynamo op je oude fiets. Via de drie fasen wordt die kracht omgezet in gelijkstroom en stroomt zo weer het batterijpakket in. Met processoren kan er dan gegoocheld worden hoeveel remkracht/stroom er opgewekt wordt. Zo kunnen we technisch gezien het achterwiel laten blokkeren bij regeneratie. Maar dat wil je niet, dus zoek je een mooie curve die aangenaam is om te rijden. Idem met verschillende rijmodi die dankzij de processor kunnen worden aangestuurd.’

IMU, wat is dat nou eigenlijk?

Dus de snelheid van de rotor bepaalt de draaisnelheid van het achterwiel? Want er is geen versnellingsbak.

‘Juist. Door middel van de rotordiameter wijder of smaller te maken kun je er meer vermogen uit halen. Leuk om te weten is dat de meeste elektrische motoren riemen gebruiken voor de aandrijving. Dat is voornamelijk omdat een riem onderhoudsvrij is, maar ook omdat een ketting onnoemelijk veel lawaai maakt. Dat hoor je niet op een benzinemotor, maar wel heel duidelijk op een stille elektrische motor. Nu we het toch over onderhoud hebben: dat is op een elektrische motor ook een heel ander verhaal dan we gewend zijn. Het motorblok kan onmogelijk stukgereden worden, omdat de elektronica dat belemmert. Er zitten echter wel nog altijd mechanische remmen op, dus remblokken dienen vervangen te worden. De rubberen aandrijfriem heeft afstelling nodig. Remvloeistof, balhoofdlagers en wiellagers moeten nagekeken en vervangen worden na verloop van tijd. Het batterijpakket heeft in principe geen onderhoud nodig. Firmware updates zijn wel aan te raden, want daar worden steeds kleine fouten uitgehaald of manieren om de rijbeleving nog beter te maken. Ook laadprocessen en -protocollen worden continu verbeterd. Ieder jaar raden we aan om de machine te laten kalibreren bij de dealer, zodat alles perfect op elkaar staat afgesteld. Ook eenvoudige dingen als de banden op spanning houden is nodig. Ooit kregen we een klacht van iemand die meldde dat zijn Zero de beloofde range niet haalde. Bleek dat hij op bijna platte banden aan het rondrijden was…’

‘In theorie zou je er even snel vooruit als achteruit mee kunnen rijden.’

Pepijn Kostelijk, tech trainer Zero Motorcycles

Enige mechanische sympathie is dus nog nodig. Hoe zit dat met warmrijden?

‘Warmrijden op een elektrische motor hoeft niet. Er is geen smering of olie die op temperatuur moet komen, zoals bij een benzinemotor. De kogellagers hebben ook geen opwarming nodig. Als het koud is, zal de batterij wel een beetje minder vermogen leveren, maar dat is na korte tijd weer normaal. Voor koude landen, zoals bijvoorbeeld Noorwegen, zit er wel een extra 12Volt-batterij als verwarmingselement op om door de eerste koude te prikken en de tractiebatterij tot leven te wekken.’

Hoe zit het eigenlijk met oplaadtijden, want daar vrezen de meeste motorrijders voor?

‘Alles hangt af van hoe er geladen kan worden. Aan het stopcontact bij je thuis gaat het langzamer dan aan een driefasenlaadpaal. Oplaadtijden moet je dus steeds met een korreltje zout nemen. Mensen staren zich meestal blind op de nul naar honderd procent oplaadtijd, maar in de praktijk gebeurt dat zelden. Veel interessanter is de twintig naar tachtig procent oplaadtijd. Daar zit ook de “sweet spot” van de batterij, omdat het laden tussen die twee waarden razendsnel gaat. Dat heeft alles te maken met de chemische samenstelling van de batterij. Dan reken je dus niet meer in bijvoorbeeld vier uur laden van nul naar honderd, maar wel in twintig minuten van twintig naar tachtig. Het zijn vooral de laatste procenten boven de tachtig die het langst duren. Het mooie aan de elektrische motoren van Zero is dat je ze kunt upgraden met een extra batterijpakket of een snellader. Op die manier kun je dus verder rijden op één lading, of net sneller laden als je bijvoorbeeld een rit naar het buitenland plant. Die upgrades zijn altijd beschikbaar, dus ook als je de motor al een jaar hebt. We moeten de motoren dus eigenlijk afstellen om de kracht zo vloeiend mogelijk vrij te laten. Vergelijken we dat met benzinemotoren, dan gebeurt daar het omgekeerde. Die worden helemaal geknepen om aan de emissie-eisen te voldoen.’

Is de productie van elektrische motoren een stuk makkelijker dan benzinemotoren?

‘Een elektrische motor in elkaar steken is in theorie niet zo heel moeilijk, omdat het vrij simpele onderdelen zijn en de techniek relatief eenvoudig is. De software om alles samen te laten werken is wel een hele uitdaging, net als de homologatie en het voldoen aan alle veiligheidseisen. Zo gelden er speciale wetgevingen om het enorme magnetische veld wat zo’n elektromotor opwekt te temperen, zodat bijvoorbeeld mensen met een pacemaker ook kunnen rijden. Zo worden er speciale tests gedaan in containers om te kijken hoeveel straling er uit een elektrische motor komt. Dat gaat heel ver. Vergelijk het met benzinemotoren die moeten voldoen aan allerlei uitstootnormen.’

Het is razend interessant, beste Pepijn, maar helaas moeten wij ook voldoen aan normen voor het aantal tekens per pagina. Anders krijgen we de eindredactrice op onze nek. Erg bedankt voor het positief geladen interview!

Redactie
Redactie
De redactie van Motor.nl bestaat uit alle redactieleden van MOTO73 en Promotor. Redacteuren Marien Cahuzak, Jan Kruithof, Maikel Sneek en diverse freelancers zijn dagelijks actief voor Motor.nl.

Stay tuned

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief en mis nooit het laatste nieuws! Onze nieuwsbrief wordt iedere week op dinsdag (bij veel nieuws) en donderdag verstuurd.


Gerelateerde artikelen