Architecturen met meerdere motoren voor elektrische auto's

Door motoren toe te voegen krijgt een elektrische auto meer onafhankelijk regelbare koppelbronnen, maar nemen ook de massa, de hoeveelheid vermogenselektronica, de koelbehoefte en het aantal draaiende onderdelen toe. De waarde van een architectuur met meerdere motoren hangt af van de doeltreffendheid waarmee de auto deze motoren gebruikt bij accelereren, in bochten, bij constante snelheid, tijdens regeneratie en bij storingen.

Architecturen met één motor

Eén motor drijft normaal gesproken twee wielen aan via een reductietandwiel en een differentieel. Bij voorwielaandrijving bevindt de aandrijfeenheid zich dicht bij de stuuras. Dit kan platforms vereenvoudigen die zijn afgeleid van auto's met voorwielaandrijving. Achterwielaandrijving scheidt de aandrijving van de besturing en kan de grip tijdens het accelereren verbeteren, doordat de belasting naar achteren wordt verplaatst.

Ook één motor kan nauwkeurige tractieregeling, regeneratief remmen en een remingreep in de gierbeweging bieden. Een mechanisch differentieel laat het linker- en rechterwiel met verschillende snelheden draaien, terwijl een elektronisch geregelde sperfunctie of de wrijvingsremmen het bruikbare wielkoppel kunnen herverdelen.

De voordelen zijn een klein aantal onderdelen, een lage massa, lage kosten en geringe parasitaire verliezen. De belangrijkste beperking is dat één as alle aandrijving en regeneratie moet leveren.

Twee motoren en elektrische vierwielaandrijving

De meest voorkomende opstelling met meerdere motoren gebruikt één motor op elke as. Er loopt geen mechanische cardanas tussen beide. De voertuigregelaar kan de koppelverdeling tussen de voor- en achteras snel wijzigen, binnen de grenzen van de bandengrip, de motoren en omvormers, de asbelastingen en het batterijvermogen.

De twee motoren hoeven niet identiek te zijn. Een fabrikant kan voor de primaire as een zeer efficiënte permanentmagneetmotor kiezen en voor incidentele ondersteuning een inductiemotor. Audi gebruikt in de Q6 e-tron quattro achteraan een synchrone permanentmagneetmotor en vooraan een asynchrone motor, terwijl Tesla voor de desbetreffende versies van de Model 3 AWD achteraan een permanentmagneetmotor en vooraan een inductiemotor vermeldt.

Bij lichte belasting kan de regelaar voornamelijk de efficiëntere as gebruiken, de andere motor inschakelen voor acceleratie of extra grip en één of beide motoren inzetten voor regeneratie. Deze strategie hangt af van de efficiëntiekaart van elke aandrijfeenheid en niet van een vaste regel dat één as altijd beter is.

Een as spanningsloos maken en ontkoppelen

Een spanningsloze motor kan nog steeds verliezen veroorzaken. Permanente magneten induceren spanning wanneer de rotor draait, terwijl tandwielen, lagers, afdichtingen en olie in beweging blijven. Inductiemachines en elektrisch bekrachtigde machines kunnen de rotorflux verminderen wanneer ze geen koppel leveren, maar hun mechanische verliezen blijven bestaan.

Een ontkoppelingskoppeling voorkomt dat een deel van de secundaire aandrijving met de wielen meedraait. Dit kan de verliezen bij constante snelheid beperken, vooral bij een permanentmagneetmotor, maar de koppeling en actuator voegen massa en kosten toe, vereisen geregelde overgangen en vormen nog een mogelijke foutbron. Bij het opnieuw koppelen moeten de draaiende delen worden gesynchroniseerd en moet het koppel zonder merkbare verstoring worden hersteld.

Of ontkoppelen energie bespaart, hangt af van de gebruikscyclus. Het voordeel kan klein zijn wanneer de tweede as vaak nodig is, terwijl dezelfde apparatuur waardevol kan zijn bij gelijkmatige snelwegritten.

Systemen met drie motoren

Een elektrische auto met drie motoren heeft gewoonlijk één motor op de ene as en twee onafhankelijk geregelde motoren op de andere. Als elk van de twee motoren een afzonderlijke tandwielverbinding naar één wiel heeft, kan de as het positieve en regeneratieve koppel tussen links en rechts verdelen zonder een conventioneel differentieel.

Deze opstelling maakt rechtstreekse regeling van het giermoment mogelijk: meer aandrijfkoppel op het buitenste wiel kan de auto helpen insturen, terwijl verschillende regeneratieve koppels tijdens het vertragen kunnen bijdragen. De beschikbare koppelvectoring blijft beperkt door de gecombineerde grip in lengte- en dwarsrichting van elke band.

Drie motoren betekenen niet altijd dat het koppel per wiel onafhankelijk kan worden geregeld. In andere architecturen kunnen drie machines via gemeenschappelijke tandwielen of koppelingen worden gecombineerd. Het mechanische krachtpad moet bekend zijn voordat uit het aantal motoren conclusies over de mogelijkheden worden getrokken.

Vier motoren

Een architectuur met vier motoren kan aan elk wiel één motor toewijzen, al kan een auto ook twee motoren in elke asaandrijfeenheid onderbrengen. De regelaar kan dan de aandrijving en regeneratie bij alle vier de wielen aanpassen.

Het Quad-Motor-systeem van de tweede generatie van Rivian gebruikt afzonderlijk geregelde motoren en een automatische ontkoppeling van de achteras. Mercedes-Benz beschrijft drie axiale-fluxmotoren — geen vier — in zijn AMG GT 4-Door Coupe uit 2026. Dit toont aan waarom de asindeling belangrijker is dan eenvoudige marketingcategorieën.

Onafhankelijke wielmotoren kunnen snel reageren en de compromissen van een mechanisch differentieel vermijden. Ze vermeerderen echter ook het aantal omvormers of omvormerkanalen, sensoren, lagers, tandwielen en koelcircuits en vergroten de behoefte aan softwarematige coördinatie. Het nadeel van een hogere onafgeveerde massa bij echte wielnaafmotoren geldt niet automatisch voor op de carrosserie gemonteerde motoren die de wielen via aandrijfassen aandrijven.

Koppelvectoring is een systeemcapaciteit

Koppelvectoring betekent dat bewust verschillende bruikbare aandrijf- of regeneratieve koppels tussen assen of wielen worden gecreëerd. De term geeft niet aan hoe dit wordt bereikt. Systemen kunnen gebruikmaken van:

onafhankelijke motoren;
een actief differentieel of een koppelingspakket;
remingrepen;
verschillende opdrachten voor de voor- en achtermotor;
een combinatie van deze methoden.

De regelaar schat de capaciteit van de banden aan de hand van de wielsnelheden, stuurhoek, acceleratie, giersnelheid en voertuigmodellen. Hij moet de gevraagde aandrijving afstemmen op de stabiliteitsregeling en de wrijvingsremmen. Bij hoge dwarsversnelling kan de band nog maar weinig grip in lengterichting overhebben voor extra vectoringkoppel.

Motorkoppel is ook niet hetzelfde als wielkoppel. De overbrengingsverhouding en de efficiëntie van de aandrijflijn vermenigvuldigen het askoppel, terwijl de bandstraal het wielkoppel omzet in kracht in de lengterichting. Systemen vergelijken aan de hand van het opgegeven motorkoppel zonder deze grootheden is misleidend.

Efficiëntie, prestaties en thermische grenzen

Meer geïnstalleerd motorvermogen kan de acceleratie verbeteren zonder één machine tot haar grens te dwingen. Het kan ook het regeneratieve remmen verdelen en thermische reserve bieden bij herhaald gebruik onder hoge belasting.

Tijdens normaal rijden veroorzaken extra aandrijfeenheden echter elektrische en mechanische verliezen. Een efficiënte regelaar kiest de combinatie met het laagste totale verlies van batterij tot wiel bij het gevraagde werkpunt. Dit kan één as zijn, beide assen met een lichtere belasting of een ontkoppelde as.

De gecombineerde piekvermogens van de motoren kunnen niet altijd worden opgeteld. Het ontlaadvermogen van de batterij, de stroom in de DC-bus, de capaciteit van de omvormers, de grip van de assen en thermische grenzen kunnen het systeemvermogen onder de rekenkundige som begrenzen. Hetzelfde geldt voor regeneratie wanneer de laadacceptatie van de batterij de actieve beperking vormt.

Redundantie en beperkt bedrijf

Meerdere motoren maken het mogelijk om te blijven rijden nadat één aandrijfeenheid is uitgeschakeld, maar redundantie ontstaat niet automatisch. Gemeenschappelijke batterijschakelaars, koelcircuits, regeleenheden, communicatieverbindingen of hoogspanningsbussen kunnen gezamenlijke foutpunten blijven.

Een veilige beperkte bedrijfsmodus moet ook de gierbeweging beheersen. Plotseling koppelverlies aan één kant van een as met onafhankelijk aangedreven wielen kan een stuurmoment veroorzaken. De regelaars moeten storingen kunnen detecteren, de koppelverlaging coördineren en voldoende resterende rem- en stabilisatiecapaciteit behouden.

Ga verder met de motorenserie

Ga terug naar Electric Motors and Drive Units voor de volledige reeks over motoren en aandrijfeenheden.