Column: Veilig werken aan hybride- en elektrische auto’s

3 maanden geleden gepubliceerd

Praktisch elk automerk heeft tegenwoordig wel een of meerdere hybride- of (volledig) elektrische auto’s in het productengamma. Van eenvoudig en relatief laag geprijsd (bijvoorbeeld de Nissan Leaf) tot exclusief en met een stevig prijskaartje. Een voorbeeld is de Porsche Taycan; volledig elektrisch en met een acceleratie van 0 tot 100 km in 3,2 seconden.

Hoe deze auto’s ook zijn geconstrueerd, met alle voor- en nadelen; als zij in het autobedrijf komen moeten we bedacht zijn op een belangrijk item: SPANNING! De meeste elektrische machines in hybride en elektrische auto’s worden gevoed met een spanning van tussen 400 en 700 Volt. Een woord dat we dan ook met hoofdletters schrijven is VEILIGHEID.

Hybride aandrijving

Hybride-auto’s zijn inmiddels wijd verbreid. Er wordt daarbij – naast een verbrandingsmotor - gebruik gemaakt van een elektromotor. Een elektromotor heeft een hoger koppel bij lage toerentallen. Je kunt tijdens het remmen ook weer energie in de batterijen opslaan. In principe heb je niet zo’n zware verbrandingsmotor meer nodig.

Hybride-auto’s hebben op het ogenblik meestal een benzinemotor en een elektromotor. Er zullen ook steeds meer hybride-auto’s gaan komen met een dieselmotor en een elektromotor. Dezelfde voordelen zijn te noemen als bij de benzinemotor. Alleen is een dieselmotor nog weer zuiniger. Natuurlijk speelt de elektronica ook een grote rol bij de keuze welke motor gaat op welk moment voor de aandrijving zorgen.

De onderdelen van de hybride-aandrijving

Als we de onderdelen van de hybride-aandrijving gaan bespreken, moeten we een verdeling maken naar de uitvoering (de soort) van de hybride-aandrijving. De verschillende uitvoeringen hebben allemaal hun voordelen en hun nadelen. Laten we een aantal voordelen van de hybride-aandrijving op een rijtje zetten.

- Er is een start-/stopfunctie. Als je bij een rood verkeerslicht stopt, schakelt de verbrandingsmotor uit. De verbrandingsmotor blijft niet stationair draaien en verbruikt dus geen brandstof. Dat is ook beter voor het milieu.

- Bij het elektrisch rijden – de verbrandingsmotor is uitgeschakeld – is weinig aandrijfvermogen nodig.

- Een voordeel is ook het regeneratief remmen. Als de bestuurder remt, wordt de bewegingsenergie van de auto door de dynamo (generator) in elektrische energie omgezet. Daarmee worden de batterijen geladen. Die stroom verbruikt de elektromotor bij het elektrisch rijden. Hoe dat precies gaat leer je bij ‘Elektro’.

Boosten

Het boosten is het ondersteunen van de verbrandingsmotor door de elektromotor. Ook een verbrandingsmotor levert koppel. Het koppel van de verbrandingsmotor staat in verhouding met het motortoerental. Dat heet het koppelverloop.

Bij een elektromotor is het koppelverloop heel gunstig. Op het moment dat de elektromotor gaat draaien geeft hij het bijna het maximum koppel. Bij het wegrijden van de auto kan de elektromotor de verbrandingsmotor assisteren. De auto kan sneller optrekken dan als alleen de verbrandingsmotor aan het werk is. Dat helpen door de elektromotor heet ‘boosten’.

Range-extender

Er zijn uitvoeringen van de seriële hybride-auto waarvan de verbrandingsmotor met de generator minder vermogen hebben dan de elektromotor. De elektromotor zorgt voor de aandrijving.

De verbrandingsmotor plus generator zijn de hulpaandrijving. Zulke hybride-auto’s hebben een grote batterij. Raakt de batterij leeg, dan schakelt de verbrandingsmotor in om met de generator te laden. Welke maximum afstand kan worden gereden is afhankelijk van de inhoud van de brandstoftank. Meestal is de actieradius ongeveer 600 km.

De twee hoofdgroepen hybride-aandrijving

De hybride-aandrijving kunnen we onderverdelen in:

- de seriële aandrijving, en;

- de parallelle aandrijving.

De seriële aandrijving is al heel oud. Rond 1900 had het merk Lohner een aandrijving met de elektromotoren in de wielnaven. De stroom werd opgewekt door een verbrandingsmotor. Deze zorgde voor de aandrijving van een generator. En de generator gaf stroom af aan de elektromotoren.

Ook nu nog kan de seriële hybride-aandrijving tegenkomen. Autobussen voor in het stadsverkeer zijn heel geschikt voor deze aandrijfvorm. En ook speciale bedrijfsvoertuigen kunnen voorzien zijn van een seriële hybride-aandrijving.

Afb. 1: Inmiddels ook voor grote voertuigen geschikt: Mercedes eCitaro

De parallelle hybride-aandrijving

Als we spreken over een hybride-auto dan bedoelen we een personenauto met parallelle hybride-aandrijving.

Bij de parallelle hybride-aandrijving zijn de verbrandingsmotor en de elektromotor in de aandrijflijn met elkaar verbonden. De aandrijflijn bestaat uit de onderdelen tussen de motor en de aangedreven wielen. Dat kunnen dus zijn:

- een koppeling;

- een versnellingsbak;

- een hydraulische koppelomvormer, of;

- combinaties daarvan.

Afb. 2: Voorzijde van het voertuig heeft de verbrandingsmotor; de achterzijde zorgt voor de elektrische aandrijving (foto: ZF)

De verschillende constructies van de parallelle hybride-auto

Je kan onderscheid maken tussen de verschillende constructies van de parallelle hybride-aandrijving. We gebruiken voor de aanduiding de letter ‘P’. Achter de ‘P’ komt het nummer van de constructie. De afbeeldingen kan je met de geschreven tekst vergelijken.

Afbeelding toont de algemene constructie van een hybride-aandrijving. Je ziet de verbrandingsmotor. Dat kan een ottomotor zijn, die draait op benzine en met een elektrisch ontstekingssysteem. Maar ook kan het een dieselmotor zijn, waarbij door de hoge compressie het lucht-/brandstofmengsel ontbrandt.

Herkenbaar zijn de posities van de koppeling, de elektromotor, de versnellingsbak en de aandrijving naar de wielen. De elektromotor is met de vermogenselektronica op de batterij aangesloten.

Bij de parallelle aandrijving kunnen de verbrandingsmotor en de elektromotor gelijktijdig voor de aandrijving van de auto zorgen. Dus als het ware naast elkaar en dat heet parallel. Maar er is ook de mogelijkheid dat de auto alleen door de verbrandingsmotor of alleen door de elektromotor wordt aangedreven.

En dan zijn er nog extra functies. Dat is bijvoorbeeld het start-/stopsysteem en er is het regeneratief remmen. Dat laatste heet ook wel recuperatief remmen. Met name bij het rijden in de stad heeft dat grote voordelen; vooral de brandstofbesparing. En natuurlijk een gunstig effect met betrekking tot de uitstoot van schadelijke gassen.

We zullen een aantal constructies bekijken. Ook de voordelen en nadelen worden vermeld.

De auto met het start-/stopsysteem

Deze auto is geen echt hybride voertuig. De startmotor is zwaar uitgevoerd, omdat deze vaker in actie moet komen dan die van een ‘normale’ auto. Met een dergelijke auto kan je niet elektrisch rijden. Ook het opslaan van de energie die bij het remmen vrijkomt en weer gebruikt kan worden, is niet mogelijk. Dus van regeneratief remmen is geen sprake.

Constructie P1

Een dergelijke hybride-auto die met P1 wordt aangeduid heeft een elektromotor die aan de verbrandingsmotor is gekoppeld. Deze werkt ook als startmotor en bijna altijd als een start-/stopsysteem. De startduur is ongeveer 300 milliseconden. Ook het starttoerental is hoog. De verbrandingsmotor kan dan ook snel aanslaan.

Omdat de elektromotor aan de verbrandingsmotor is gekoppeld, draaien beiden met hetzelfde toerental. Een nadeel is dus dat een dergelijke hybride-auto nooit alleen elektrisch kan rijden. Het gemiddelde brandstofverbruik is daarom ook hoger dan van andere hybride-auto’s waarbij dat wel kan.

Afb. 3: Constructies P1, P2 en P3, waarbij de elektromotor en koppeling gewijzigde posities hebben.

Constructie P2

Bij een hybride-auto die we met P2 aanduiden, is tussen de verbrandingsmotor en de elektromotor een koppeling gemonteerd. De elektromotor zit achter de koppeling.

Er zijn twee verschillende uitvoeringen van de P2-hybride. De ene uitvoering is zoals hiervoor omschreven; dus met een koppeling tussen de verbrandingsmotor en de elektromotor. De andere uitvoering heeft tussen de elektromotor en de versnellingsbak ook nog een hydraulische koppelomvormer. Hoe die werkt kan je lezen in het deel ‘Voertuigen’.

Een aparte startmotor zorgt voor de start-/stopfunctie. Hierdoor start de verbrandingsmotor los van de elektromotor. De elektromotor hoeft dan alleen maar voor de aandrijving te zorgen.

Beide uitvoeringen van de P2-hybride zijn dus geschikt voor het rijden met alleen de ingeschakelde elektromotor, maar ook voor de recuperatie van de remenergie. Laat de bestuurder tijdens het rijden het gaspedaal los, dan wordt de verbrandingsmotor losgekoppeld van de rest van de aandrijflijn. In dat geval gaat de elektromotor als dynamo werken. De auto remt af en de batterij wordt geladen. Ook boosten is met de P2 uitvoering goed mogelijk.

Constructie P3

Bij de P3-uitvoering van de hybride-auto is de elektromotor achter de versnellingsbak of vóór het differentieel gemonteerd. Door die plaats in de aandrijflijn merken de inzittenden minder van het schakelen van de versnellingsbak. Een aparte startmotor verzorgt de start-/stopfunctie.

Als de bestuurder het gas loslaat (de auto decellereert), wordt de motor losgekoppeld van de aandrijflijn. Als de auto dan vertraagt werkt in dat geval de elektromotor als generator. De elektrische energie laadt de batterij bij. De P3-hybride kan ook heel goed elektrisch rijden. De elektromotor die in de P3-uitvoering is gemonteerd heeft over het algemeen een vermogen tussen de 20 kW en 50 kW. De actieradius – dat is hoever de auto bij elektrisch rijden kan komen – is afhankelijk van de grootte en laadtoestand van de batterij.

Afb. 4: Elektro-aandrijfunit gecombineerd met de achteras (foto Schaeffler)

Constructie P4

Zoals je in afbeelding 4 kan zien is de elektromotor met de achteras gecombineerd. De verbrandingsmotor drijft de voorwielen aan. Je kan dit ontwerp ‘inbouwen’ bij een benzine- of dieselauto met voorwielaandrijving. De aandrijflijn (met koppeling, versnellingsbak, differentieel en aandrijfassen) blijft hetzelfde. Alleen moet de achteras aangepast worden om aandrijving door een elektromotor mogelijk te maken.

De gecombineerde parallelle hybride-auto’s

Van de hiervoor beschreven hybride uitvoeringen P1 t/m P4 kan een autofabrikant ook allerlei combinaties maken. Die ontwikkeling staat nog lang niet stil.

Veiligheid!

Als je aan elektrische auto’s en hybride-auto’s werkt, krijg je te maken met hoge spanningen. Daarbij moet je denken aan 400 tot 600 Volt.

Dat betekent dat je ‘meer dan normaal’ veiligheidsvoorschriften moet opvolgen. In de installatietechniek zijn die veiligheidsvoorschriften vastgelegd in een NEN-norm. Dat is voor de installatietechniek NEN 3140. Voor de autotechniek is dat NEN 9140.

Een paar belangrijke aanwijzingen als je aan een elektrische of hybride-auto gaat werken.

 

Doe dat alleen samen met de docent of de praktijkbegeleider. Verder:

- Bekijk in de werkplaatsdocumentatie en in de auto waar de onderdelen zijn gemonteerd die met een hoge spanning werken. Vergelijk wat je in de werkplaatsdocumentatie staat met wat je in de auto ziet. Lees de waarschuwingen in de werkplaatsdocumentatie.

Afb. 5: Raadpleeg voor de plaatsing van de onderdelen – zeker die gevaar voor elektrocutie kunnen opleveren – aan de hand van de werkplaatsdocumentatie. Bij een Mercedes S-Klasse is een en ander zeer complex (foto Daimler)

- Let er op dat je de hoogspanningsdelen in de goede volgorde spanningsvrij maakt. Zorg er ook voor dat ze spanningsvrij blijven. Dus stekkers helemaal lostrekken en opzij leggen. Niet tijdens de werkzaamheden een stekker aansluiten om te proberen…

- Let op dat je de aangepaste persoonlijke beschermingsmiddelen gebruikt en ook het juiste geïsoleerde gereedschap.

- Gebruik de juiste meetapparatuur. Dus sowieso met een hoog meetbereik. Gebruik een dubbelpolige spanningsaanwijzer (spanningszoeker). Zorg dat met een isolatietester kan werken. Deze moet in ieder geval bestand zijn tegen een spanning van 1000 Volt op de meetpennen. Een dergelijke multimeter voldoet aan de veiligheidseisen CAT III).

- Als je in de praktijk aan elektrische en hybride-auto’s gaat werken, neem deel aan trainingen en cursussen. Zelfs als je aan het airconditioningssysteem van een elektrisch of hybride-auto gaat werken heb je kennis nodig van het hoogspanningsgedeelte van de auto.

Wie mag wat doen?

In principe moet in ieder autobedrijf dat aan EV’s en hybride-voertuigen werkt een EV-verantwoordelijke aanwezig zijn.

Dan hebben we het over de norm NEN 9140

Volgens de normering in document NEN 9140 zal het bedrijf over de volgende veiligheidsmaterialen moeten beschikken (en gebruiken!):
- multimeter CAT III;
- elektrisch isolerende handschoenen;
- afzetting; 6 palen met 25 meter ketting;
- opbergkoffer voor bovengenoemde materialen;

- overige persoonlijke beschermingsmiddelen, zoals een schort als er aan batterijen gewerkt moet worden, in combinatie met een gezichtsbescherming;
- certificaten met vermelding dat in de gevolgde training ook de NEN9140 is uitgelegd;
- bedrijf moet over de benodigde BKS certificaten beschikken.

Atte Roskam