E-bike aandrijvingen – Deel 3

‍

In deel 3 over E-bike aandrijvingen doen we het ingenieuze aandrijfsysteem van Ellio uit de doeken. Krijg je na dit artikel maar niet genoeg? Lees meer over andere systemen in E-bike aandrijvingen - Deel 1 en Deel 2.

We zijn aangekomen bij deel drie van onze reeks over E-bike aandrijfsystemen. In deel één hebben we de verschillende hybride concepten besproken waarmee E-bike aandrijvingen kunnen worden gebouwd. Seriële hybrides bleken een aantal aantrekkelijke voordelen te bieden, maar omwille van de twee grote elektrische machines en het gebrekkige rijgevoel dat ze opleveren zijn ze voorlopig een uitzondering in de markt. De parallel hybrides zijn vandaag heer en meester. Afhankelijk van het type E-bike gaat het om een voorwielnaafmotor, middenmotor of een achterwielnaafmotor. De voor- en nadelen van deze drie types werden besproken in deel twee van deze reeks. Het enige systeem dat we nog niet hebben besproken is dat van Ellio, omdat het niet thuishoort tussen de parallel hybride systemen. Zoals we zullen zien is het zelfs moeilijk om Ellio’s aandrijfconcept onder de seriële of de parallelle hybrides onder te brengen. Het is namelijk een slimme combinatie van beiden.

Het Toyota Power Split Hybride concept

HSD, THS en meer afkortingen

We maken er geen geheim van dat we voor Ellio de mosterd een klein beetje zijn gaan halen bij Toyota. Het was Tomas die al in 2008 met het idee kwam om het Toyota hybride aandrijfsysteem – vooral bekend van de Toyota Prius – te gaan toepassen op E-bikes. Het Toyota hybride systeem, door hen de Hybrid Synergy Drive (HSD) of simpelweg Toyota Hybrid System (THS) genoemd, is een slimme integratie van de versnellingsbak en de elektrische aandrijving van een hybride wagen. Het systeem maakt gebruik van wat Toyota het Power Split Device (PSD) is gaan noemen. In essentie is het niet meer dan een gek uitziende tandwielkast die bestaat uit een groot ringwiel, een klein centraal zonnewiel en tussenin een aantal kleinere tandwielen die planeten worden genoemd. Zo’n tandwielkast wordt dan ook vaak een planetaire tandwielkast genoemd.

Werking van het Power Split Device

Het bijzondere aan een planetaire tandwielkast is dat hij niet twee maar drie afzonderlijke uitgaande assen heeft: het ringwiel, het zonnewiel en de planetendrager hebben elk hun eigen koppel en snelheid (denk even terug aan deel 2). Een klassieke tandwielkast heeft typisch een ingaande as en een uitgaande as, denk maar aan een klassieke versnellingsbak of zelfs aan de derailleur van je fiets. Tussen de snelheid en het koppel van de drie uitgaande assen zijn er een aantal wetmatigheden die best schematisch voor te stellen zijn. Op de website http://eahart.com/prius/psd/ vind je een interactieve simulatie die je veel inzicht geeft in hoe de Toyota PSD werkt.

Het principe van de PSD is eenvoudig: de snelheid van 1 as van het systeem wordt bepaald door de snelheid van het voertuig. Bij de hybride wagens van Toyota is dit de snelheid van het ringwiel, dat gekoppeld is aan de voorwielen van de wagen. De snelheid van de tweede as wordt bepaald door het optimale toerental van de hoofdmotor. Bij Toyota is dit de verbrandingsmotor (ICE in de tekening). Dit optimale toerental is afhankelijk van het vermogen dat de motor moet leveren. Voor elk vermogen heeft een verbrandingsmotor een toerental waar hij het zuinigst kan werken. Toyota probeert in zoveel mogelijk gevallen de motor op dit toerental te gebruiken om zo een uiterst zuinige wagen te bouwen. Nu er twee van de drie toerentallen gekozen zijn, bepaalt de toerentalwetmatigheid van de planetaire tandwielkast wat het derde toerental moet zijn. Deze wetmatigheid wordt in het diagram getoond door de rechte lijn die de drie punten verbindt. Wanneer er twee punten gekend zijn, volgt het derde punt altijd uit de twee anderen. Om ervoor te zorgen dat het zonnewiel op het correcte toerental draait, koppelt Toyota er een motor aan die zij MG1 noemen. Omdat Toyota in de meeste rijsituaties geen energie wil verbruiken vanuit de batterij van zijn wagens, wordt MG1 meestal als generator gebruikt en niet als motor (te zien doordat hij een negatief toerental heeft). MG1 wekt dus stroom op eerder dan ze te verbruiken. Die stroom moet ook ergens naartoe en daarvoor gebruikt Toyota een tweede motor, MG2 genaamd, die de opgewekte stroom rechtstreeks aflevert aan de voorwielen van de wagen. Zo werkt een Toyota hybride wagen heel erg zuinig en heeft hij toch slechts een kleine batterij nodig. Door de twee motoren moet er immers nauwelijks energie worden opgeslagen. Wil je toch even een sprintje trekken, dan levert het systeem energie uit de (kleine) batterij naar MG2 voor een extra boost. De batterij wordt dan later weer aangevuld door de energie die MG1 opwekt tijdens het rijden.

Met het Toyota PSD is een versnellingsbak volledig overbodig omdat de motor en de wielen onafhankelijk kunnen werken. MG1 zorgt ervoor dat de snelheidsverhouding tussen wielen en motor altijd correct is.

Het Ellio systeem

Ellio maakt gebruik van precies hetzelfde mechanisme als het Toyota PSD, met twee elektromotoren en de planetaire tandwielkast. Bij Ellio zit die tandwielkast in de achternaaf, zoals te zien op het vooraanzicht hieronder. De drie uitgaande assen zijn het achterwiel (centraal), de linker riemschijf die naar de trappers gaat en de rechter riemschijf die met de middenmotor verbonden is.

Ook bij Ellio wordt de snelheid van twee assen bepaald door de snelheid van het voertuig (het achterwiel van Ellio dus in dit geval) en door het optimale toerental van de hoofdmotor. Hier komt het hybride equivalent uit deel 1 om de hoek kijken. Bij Ellio is de hoofdmotor namelijk geen verbrandingsmotor maar de fietser. Ook een fietser heeft een optimaal toerental, alleen noemen we dat natuurlijk niet zo. We kennen ons optimaal fiets-toerental beter als onze optimale trapfrequentie of trapcadans. De trappers zijn bij Ellio verbonden met het ringwiel en dus bepaalt de door de gebruiker ingestelde trapfrequentie de snelheid van het ringwiel. Het zonnewiel is net als bij Toyota verbonden met een elektromotor. Bij Ellio is dit de middenmotor maar bij IntuEdrive noemen we hem ook MG1, uit respect voor Toyota als het ware ;).

Door de snelheid van de middenmotor heel snel te laten variëren kunnen we bij elke rijsnelheid de trapfrequentie constant houden op de optimale trapcadans. Bij het versnellen komt dit erop neer dat de middenmotor uit stilstand vertrekt en geleidelijk aan versnelt tot zijn maximaal toerental van 3000 toeren per minuut. Je trapt dan 65 toeren per minuut bij een snelheid van 45 km/u. Vertraag je plots, dan gebeurt precies het tegenovergestelde. De middenmotor kan van stilstand versnellen tot 3000 toeren per minuut in minder dan een seconde. Dat komt overeen met het quasi ogenblikkelijk schakelen van het volledige versnellingsbereik. Dat schakelen gebeurt zo snel en in zo’n kleine stapjes dat je er helemaal niets van merkt. Daarom noemen we de overbrenging van Ellio ook de Ellio e-CVT, voor elektrische continu variabele transmissie. Je schakelt immers niet in trappen maar houdt gewoon continu de juiste trapfrequentie aan.

Verschillen tussen Ellio en Toyota

Merk op dat bij Ellio de middenmotor wel degelijk werkt als motor, in tegenstelling tot MG1 bij Toyota die meestal als generator dienst doet. Dat komt omdat we in een speed pedelec net elektrische energie willen krijgen van de motor en niet alles op eigen kracht willen doen. De grote batterij van Ellio dient niet als buffer maar als energiebron. Het Ellio e-CVT systeem is dus een versnellingssysteem en aandrijfsysteem in één: hoe sneller de middenmotor draait, hoe meer vermogen hij levert. Dat is ook precies wat je wil, want hoe sneller je rijdt, hoe meer vermogen je nodig hebt.

En de tweede motor?

Hoewel de middenmotor meestal vermogen levert wanneer je het wil, namelijk bij hoge snelheden, zijn er momenten waarop je liever wat meer vermogen zou willen dan de middenmotor kan leveren. Denk bijvoorbeeld aan het vertrekken op een helling, waar de middenmotor stilstaat en dus weinig vermogen kan leveren. Om dat op te vangen maakt Ellio gebruik van een tweede elektromotor die extra power geeft wanneer de middenmotor die niet kan leveren. Bij Ellio zit die motor in het voorwiel, omdat er daardoor ook een all-wheel drive systeem ontstaat. Op de voordelen van all-wheel drive gaan we in bij een latere post.

Parallel of serieel hybride?

Is het Ellio systeem nu een parallel of een serieel hybride? Eigenlijk alle twee een beetje. De motor in het voorwiel van Ellio werkt volledig parallel aan de aandrijving via het planetair systeem. Zonder de voorwielmotor kan je prima rijden met Ellio, alleen heb je dan weinig vermogen wanneer de middenmotor traag draait. De opdeling parallel-serieel wordt moeilijk door het planetair systeem. Herinner je dat de opdeling vooral slaat op de manier waarop het vermogen doorheen het systeem vloeit. Bij Ellio vloeit het vermogen van de fietser rechtstreeks naar het achterwiel via het ringwiel en de planetendrager. In die zin is Ellio dus een zuivere parallel hybride. Alleen kan die vermogensstroom niet bestaan als tegelijkertijd de middenmotor niet ook precies het correcte vermogen levert. De trappers en de middenmotor staan via het planetair systeem altijd in verbinding. Je kan het vergelijken met een balansweegschaal: De planetendrager werkt als een soort scharnierpunt waarrond het ringwiel en het zonnewiel kunnen bewegen. Het ringwiel is groter en heeft dus de kortste hefboom. Het zonnewiel is kleiner en heeft een lange hefboom. Zet de fietser kracht op de trappers, dan zal de middenmotor net voldoende kracht op het zonnewiel moeten uitoefenen om het systeem in evenwicht te houden.

Dit is te vergelijken met een elektrische koppeling tussen de trappers en het achterwiel. Zonder middenmotor kan de fietser niet rijden met Ellio. Ellio is dus ook niet echt een parallel hybride want zonder elektrische energie kan het systeem niet werken, net zoals een serieel hybride niet kan rijden zonder energie voor de trapgenerator. Voor systemen als het PSD van Toyota en het Ellio e-CVT systeem is er dan ook de nogal evidente vakterm parallel-serieel hybrides uitgevonden.

Voor- en nadelen van de Ellio e-CVT

De Ellio e-CVT heeft een heel aantal voordelen tegenover meer conventionele systemen. Het is een geïntegreerd systeem voor zowel aandrijving als overbrenging en bovendien is het met voorsprong het meest performante overbrengingssysteem op de markt op vlak van gebruiksgemak, robuustheid en schakelsnelheid. Door de elektrische koppeling is het systeem niet te overbelasten en zal het zichzelf perfect kunnen beschermen wanneer er teveel kracht op de trappers wordt gezet. Dat spaart de riemen en tandwielen. Bovendien is het planetair systeem in de naaf bijzonder eenvoudig en robuust in vergelijking met complexe naafversnellingen en derailleurs. Tot slot gaat al het elektrisch vermogen rechtstreeks naar de wielen en wordt de aandrijflijn dus niet onnodig belast, zoals wel het geval is bij een klassiek middenmotor systeem.

Een nadeel van het systeem is dat je de optimale efficiëntie aan de trapas een beetje terugbetaalt met een verminderde elektrische efficiëntie, gezien de motoren niet altijd in hun optimale toerentalgebied werken. Dit scheelt slechts een paar procent en is zeker voor een speed pedelec met hoog vermogen niet doorslaggevend. Een tweede nadeel dat ook de Toyota hybrides partte speelt is het relatief beperkte klimvermogen. Dat komt omdat bij lage snelheden de middenmotor ook erg traag moet draaien om de trapfrequentie op peil te houden. Bij die lage snelheden kan de motor niet veel vermogen leveren en is Ellio dus vooral aangewezen op zijn voorwielmotor. De voorwielmotor van Ellio is daarom speciaal gekozen voor optimaal klimvermogen.

Potentieel van het Ellio systeem

Het feit dat de Ellio e-CVT quasi ogenblikkelijk kan schakelen tussen eender welke versnelling biedt een heel nieuw scala aan mogelijkheden om de fietservaring en de veiligheid op de E-bike te verbeteren. Daaraan werken we bij Ellio elke dag verder. Via onze software updates halen we dit potentieel stap per stap naar boven in elke Ellio. Zo wordt Ellio alleen maar beter wanneer hij ouder wordt!

‍

Lees meer over andere systemen in E-bike aandrijvingen - Deel 1 en Deel 2.