De overgrote meerderheid van de elektrische auto’s maakt tegenwoordig geen gebruik van een versnellingsbak. Er zijn drie belangrijke redenen waarom dit gebeurt, maar voordat we diep in de details duiken, moeten we uitleggen wat een versnellingsbak is en wat deze doet in een ICE-auto. Op deze manier wordt het gemakkelijker om te begrijpen waarom de versnellingsbak niet van fundamenteel belang is bij elektrische auto’s. We zullen ook proberen uit te leggen in welke gevallen het een nuttige toevoeging kan zijn en welke voordelen het met zich meebrengt.
Wat is een versnellingsbak en wat doet deze in een ICE-auto?
ICE-motoren produceren, in tegenstelling tot elektromotoren, bij stationair toerental niet genoeg koppel om het voertuig te kunnen verplaatsen; we hebben hogere toerentallen nodig om meer koppel te produceren. Maar het toerentalbereik van de motor is beperkt en als gevolg daarvan zou de snelheid van de auto beperkt zijn en daarom gebruiken we versnellingsbakken. Kortom: een versnellingsbak in combinatie met de eindoverbrengingsverhouding is een koppelvermenigvuldiger. Misschien heb je al eerder gehoord over de overbrengingsverhoudingen en eindoverbrengingen, maar misschien wist je niet wat deze cijfers betekenen.
Laten we beginnen met de overbrengingsverhouding. Stel dat u in uw ICE-auto de 1e versnelling heeft geselecteerd. Laten we er ook van uitgaan dat de 1e versnelling een verhouding van 3:1 heeft. Dit betekent dat het door de motor geproduceerde koppel met 3 wordt vermenigvuldigd. Om te bepalen hoe vaak het koppel in de wielen van de auto wordt vermenigvuldigd, moeten we ook rekening houden met de eindoverbrengingsverhouding. Als de eindoverbrengingsverhouding wederom 3:1 is, is het wielkoppel van de auto negen maal het motorkoppel. Als de motor van uw auto in de 1e versnelling 200 Nm koppel levert met bovenstaande verhoudingen, is het wielkoppel 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Zonder de versnellingsbak zou deze vermenigvuldiging niet mogelijk zijn, en de auto zou stilstaan, zelfs als we vol gas geven. De versnellingsbak in een ICE-auto moet zo worden ontworpen dat de kracht- en koppelkarakteristieken van de motor, de efficiëntie bij verschillende belastingen en uiteraard de topsnelheid die de ingenieurs voor het gekozen voertuig hebben gespecificeerd, perfect worden gecombineerd.
Deze oplossingen zijn, ondanks de grote ontwikkelingen in de afgelopen decennia, nog steeds een compromis. Versnellingsbakken introduceren hun eigen inefficiënties in de gehele aandrijflijn, waardoor het brandstofverbruik en de energieverliezen toenemen.
Wat is er aan de hand met elektrische auto’s?
Elektromotoren hebben drie eigenschappen die technische problemen bij de ontwikkeling van versnellingsbakken oplossen en in de meeste gevallen versnellingsbakken overbodig maken. Deze eigenschappen zijn een hoog koppel vanaf nul tpm, het hoge toerental van de elektromotoren en elektronisch begrensde topsnelheden. Laten we die eigendommen een voor een behandelen.
Een hoog koppel vanaf nul toeren is vrij duidelijk. Houd er rekening mee dat versnellingsbakken hoofdzakelijk koppelvermeerderaars zijn. Als u al vanaf nul toeren een hoog koppel heeft, hoeft u dit niet verder te vermenigvuldigen door meerdere overbrengingsverhoudingen te gebruiken.
Wat echter van cruciaal belang is, is het vermogen bij hoge toerentallen. Omdat de elektromotor een toerental van maar liefst 20.000 tpm kan draaien en er over het hele bereik een hoog koppel beschikbaar is, is de topsnelheid gemakkelijk haalbaar met slechts één overbrengingsverhouding. De elektronisch begrensde topsnelheid van een elektrische auto is de laatste reden. Dit komt niet alleen door het ontbreken van een versnellingsbak, maar door de relatief lage energie-inhoud van de huidige hoogspanningsaccu's, vergeleken met vloeibare brandstoffen.
Laten we eens kijken naar de BMW i4 eDrive 40 om dit beter te begrijpen - deze heeft een maximaal motorkoppel van 430 Nm van 0-5000 tpm en een gecombineerde tandwiel- en eindoverbrengingsverhouding van 11.115:1. Dat betekent dat het wielkoppel 4780 Nm bedraagt! Het is nu duidelijk waarom elektrische auto’s over het algemeen verkeerslichtkoningen zijn.
Laten we aannemen dat de topsnelheid van de auto 190 km/u bedraagt. Op topsnelheid draait de motor met 16.500 tpm. Bij een typische snelwegsnelheid van 130 km/u draait de motor met ongeveer 11.300 tpm. Zoals je in dit voorbeeld kunt zien, heeft de elektromotor voldoende toerentalbereik om aan alle eisen te voldoen zonder dat er een versnellingsbak nodig is.
Het Porsche- en Audi-paradigma
De Porsche Taycan en de Audi E-Tron GT gebruiken beide een versnellingsbak met twee versnellingen in de achtermotor. Voordat je gaat: “Hé, je hebt ons net verteld dat versnellingsbakken niet nodig zijn in elektrische auto’s.” Idealiter zouden we graag een korte overbrengingsverhouding hebben bij lage tot gemiddelde snelheden voor een snellere acceleratie, en een langere overbrengingsverhouding bij hogere snelheden om het toerental van de elektromotor te verlagen.
Waarom moeten we het motortoerental bij hogere snelheden verlagen? Welnu, om twee redenen. Allereerst verbeteren we, door het toerental van de motor te verlagen, de efficiëntie ervan (door minder tegen-emf en wervelstromen) en dus verbetert ook de actieradius van de auto. En de tweede reden is de mogelijkheid om hogere topsnelheden te bereiken zonder overmatige rotatie van de motor.
Het probleem met de adoptie van versnellingsbakken met twee versnellingen is de technische moeilijkheid waarmee deze het enorme en onmiddellijke koppel kunnen verwerken dat elektromotoren produceren. Niettemin ontwikkelen sommige fabrikanten momenteel versnellingsbakken met twee versnellingen voor elektrische auto's.
Als ze erin slagen deze op grote schaal te produceren met solide betrouwbaarheid en redelijke prijzen, zullen we misschien zien dat meer reguliere auto's ze gebruiken in plaats van alleen supercars zoals Porsche Taycan en Audi e-Tron GT. Maar dat is niet het geval: de extra complexiteit en de hoge prijs wegen ruimschoots op tegen de potentiële voordelen.
