MIS GEEN ENKEL NIEUWS!

Met de gratis nieuwsbrief geeft HELLA om de twee weken informatie over alle nieuwe ontwikkelingen in HELLA Tech World

Blijf op de hoogte!
Meer informatie over onze nieuwsbrief weergeven Meer informatie over onze nieuwsbrief uitschakelen
 

Met de gratis nieuwsbrief geeft HELLA om de twee weken informatie over alle nieuwe ontwikkelingen in HELLA Tech World, bijvoorbeeld:

  • Nieuwe voertuigspecifieke reparatie-aanwijzingen
  • Technische informatie - van basiskennis tot diagnosetips
  • Productinnovaties
  • Werkplaatsrelevante marketingacties en wedstrijden

Daarvoor hoeft u alleen uw e-mailadres op te geven. Klik hier als u zich voor de nieuwsbrief wilt afmelden.

Thermomanagement in hybride voertuigen

Hier vindt u nuttige basiskennis en waardevolle tips voor de praktijk over thermomanagement in hybride voertuigen.

Als tussenstap naar zuivere elektrische voertuigen komen steeds meer modellen met hybride techniek op de markt. Die vereisen nieuwe oplossingen voor de interieurairconditioning en het thermomanagement. Deze pagina geeft een goed overzicht over hybride voertuigen: van de basisprincipes en de systeemeigenschappen over oplossingen voor het thermomanagement tot de bijzonderheden bij onderhouds- en reparatiewerkzaamheden.

Belangrijke veiligheidsaanwijzing
De volgende technische informatie en praktijktips werden door HELLA opgesteld om werkplaatsen tijdens hun werk professioneel te ondersteunen. De aangegeven informatie op deze website mag alleen door daarvoor opgeleid vakpersoneel worden gebruikt.

 

OVERZICHT VAN DE HYBRIDE TECHNOLOGIEËN: VERGELIJKING

Het begrip 'hybride' staat voor een bepaalde combinatie of mengsel. In de voertuigtechniek betekent dit, dat in een voertuig een verbrandingsmotor met traditionele techniek wordt gecombineerd met de elementen van een elektrisch aangedreven voertuig.

 

De hybridetechnologie wordt in drie stappen technisch steeds veeleisender: van microtechnologie via lichte, tot volledige hybridetechnologie. Ondanks technische verschillen hebben alle technologieën gemeen dat de gebruikte accu door terugwinning van remenergie wordt opgeladen.

MICROHYBRIDEN

zijn over het algemeen uitgerust met een conventionele verbrandingsmotor met automatisch start-stopsysteem en terugwinning van remenergie (zogenaamde recuperatie).

 

MILDE HYBRIDEN

zijn daarentegen ook met een kleine elektromotor en een sterkere batterij uitgerust. De elektrische hulpaandrijving wordt uitsluitend gebruikt voor de ondersteuning bij het wegrijden en voor meer vermogen bij het inhalen, het zogenaamde "Boosten".

 

VOLLEDIGE HYBRIDEN

kunnen niet alleen "Boosten", maar ook volledig elektrisch rijden. Hiervoor zijn ze uitgerust met een complete elektrische aandrijflijn. Deze heeft echter een veel sterkere accu nodig dan een lichte hybride.

Een optie van de volledige hybride is de 'plug-in-hybride'. Deze heeft de mogelijkheid de accu's in de nacht op te laden. Het positieve neveneffect bij dit voertuigtype is, dat de passagiersruimte tegelijkertijd op de gewenste temperatuur kan worden gebracht. Zo is het voertuig de volgende ochtend direct klaar voor gebruik.

 

Op dit moment zijn de typische vertegenwoordigers van de Full-Hybrid-voertuigen de Toyota Prius, de BMW ActiveHybrid X6 (E72) en de VW Touareg Hybrid. Daarentegen zijn de BMW ActiveHybrid 7 en de Mercedes S400 (F04) voorbeelden van een milde hybride.

  Microhybride Mild hybride Full-Hybrid
Vermogen van de elektromotor / dynamo 2 – 3 KW
(terugwinning van de remenergie door dynamo)
10 – 15 KW > 15 KW
Spanningsbereik 12 V 42 – 150 V > 100 V
Bereikbare brandstofbesparing ten opzichte van een conventioneel aangedreven voertuig < 10 % < 20 % > 20 %
Functies die bijdragen aan brandstofbesparing – Start-/stopfunctie
– Recuperatie
– Start-/stopfunctie
– Boost-functie
– Recuperatie
– Start-/stopfunctie
– Boost-functie
– Recuperatie
– Elektrisch rijden

 

Zoals uit het overzicht blijkt, zijn er bij elke technologie verschillende functies die bijdragen aan de brandstofbesparing. Deze vier functies worden hierna beknopt beschreven.

Start-/stopfunctie

Komt het voertuig tot stilstand, bijvoorbeeld bij een stoplicht of in een file, dan wordt de verbrandingsmotor uitgeschakeld. Wanneer de koppeling wordt ingetrapt en de eeste versnelling ingeschakeld, dan start de verbrandingsmotor vervolgens automatisch. Zodoende staat deze direct ter beschikking om verder te rijden.

Recuperatie

Recuperatie (terugwinning) is de techniek waarmee een deel van de remenergie wordt teruggewonnen. Normaal gesproken zou deze energie bij het afremmen als warmte-energie verloren gaan. Bij de recuperatie wordt de generator van het voertuig als extra motorrem gebruikt – naast de normale wielremmen.

 

De door de generator (tijdens het vertragen) geproduceerde energie, wordt toegevoegd aan de energieopslag (accu). Deze energie kan vervolgens bijvoorbeeld weer worden gebruikt bij het optrekken.

Boost-functie

Tijdens de acceleratiefase lopen de beschikbare draaimomenten van de verbrandings- en elektromotor op. Een elektromotor kan de verbrandingsmotor door middel van de boost-functie ondersteunen voor extra vermogen of ontlasten voor energiebesparing op de verbrandingsmotor. Dit maakt het hybridevoertuig zuiniger, maar zo kan een hybridevoertuig ook sneller accelereren dan een vergelijkbaar, traditioneel aangedreven voertuig.

 

De boost-functie dient voor het ondersteunen bij het wegrijden en voor meer vermogen bij het inhalen. Deze kracht wordt door de elektromotor afgegeven en ingezet bij optrekken vanuit stilstand en tussenacceleraties bij inhalen. Voorbeeld: bij de VW Touareg betekent dit een vermogenstoename van 34 KW.

Elektrisch rijden

Is een gering aandrijfvermogen nodig, zoals in het stadsverkeer, wordt alleen de elektromotor gebruikt als aandrijving. De verbrandingsmotor wordt uitgeschakeld. Voordelen van dit type aandrijving zijn: geen benzineverbruik en geen uitstoot.

 

Deze technologieën in het voertuig hebben ook veranderde voorwaarden tot gevolg, waarmee u in uw dagelijkse werk rekening moet houden.

Elektrische spanning in het boordnet

De vereisten en de vermogens die de elektrische aandrijving van een hybride voertuig moet vervullen en leveren, zijn met de spanningsbereiken van 12 of 24 volt niet te realiseren. Hiervoor zijn aanzienlijk hogere spanningsbereiken nodig.

 

Daarbij moet er absoluut rekening mee worden gehouden dat bij wisselspanningen hoger dan 25 V en bij gelijkspanningen hoger dan 60 V, het hoogspanningsbereik begint. Volgens de ISO-norm geldt dit spanningsbereik als gevaarlijk voor mensen.

BASISREGEL BIJ WERKZAAMHEDEN AAN HYBRIDE VOERTUIGEN: PRAKTIJKTIPS

In hybridevoertuigen is het dan ook noodzakelijk dat hoogvoltage componenten worden ingebouwd. Deze zijn gemarkeerd met uniforme waarschuwings-stickers. Daarnaast zijn alle hoogspanningsleidingen bij alle fabrikanten in fel oranje ontwikkeld.

 

Als basisregel bij werkzaamheden aan hybridevoertuigen geldt de volgende werkwijze:

  1. Spanning uitschakelen
  2. Tegen opnieuw inschakelen beveiligen
  3. Spanningsloosheid controleren

 

Houd tevens altijd rekening met de richtlijnen van de fabrikant!

INTERIEURAIRCO: BASISPRINCIPES

Bij traditionele aandrijfconcepten met verbrandingsmotor is de airconditioning door de mechanisch aangedreven compressor direct afhankelijk van de werking van de motor. Ook in voertuigen die in vakkringen als microhybride worden aangeduid en alleen een start-/stopfunctie hebben, worden compressoren met riemaandrijving toegepast. Het probleem daarbij is, dat bij stilstand van het voertuig en uitgeschakelde motor al na 2 seconden de temperatuur bij de verdamperuitgang van de airco oploopt. De daarbij behorende langzame toename van de uitblaastemperatuur van de ventilatie, evenals de toename van de luchtvochtigheid, kan door de inzittenden als storend worden ervaren.

 

Om dit probleem tegen te gaan, kan in de toekomst een nieuw ontwikkelde koudeopslag worden gebruikt, de zogenaamde opslagverdamper.

De opslagverdamper bestaat uit twee blokken: een verdamper- en een opslagblok. Tijdens de startfase dan wel bij draaiende motor, stroomt koudemiddel door beide blokken. Het in de opslagblok aanwezige medium wordt intussen zo ver afgekoeld, dat het bevriest. Hierdoor ontstaat een koude-opslag.

 

In de stopfase is de motor uitgeschakeld en wordt de compressor dus niet aangedreven. De door de verdamper stromende warme lucht wordt vanaf dat moment gekoeld door het bevroren opslagmedium. Deze extra verkoeling gaat door, tot het medium volledig is gesmolten. Bij het verder rijden begint het proces opnieuw, zodat al na een minuut de opslagverdamper weer lucht kan koelen via het dan weer bevroren opslagmedium.

 

Bij voertuigen zonder opslagverdamper is het bij zeer warm weer al na een korte stilstand noodzakelijk de motor weer te starten. Alleen op deze manier kan de interieurkoeling in stand worden gehouden.

Bij de klimaatregeling in het voertuig behoort ook het verwarmen van de passagiersruimte, indien dit gewenst is. Bij volledig hybride voertuigen wordt de verbrandingsmotor tijdens het elektrisch rijden uitgeschakeld. De aanwezige restwarmte in het watercircuit is voor de verwarming van het interieur slechts voor korte tijd toereikend. Ter ondersteuning worden in dat geval PTC-verwarmingselementen ingeschakeld, die de verwarmingsfunctie overnemen. De werkwijze is vergelijkbaar met een haarföhn: de door de interieurventilator aangezogen lucht wordt bij het passeren van de verwarmingselementen verwarmd en stroomt daarna het interieur binnen.

HOOGSPANNINGSCOMPRESSOR: WERKING

Werking van de hoogspanningscompressor

In voertuigen met volledige hybridetechnologie worden elektrische hoogvoltage-compressoren toegepast, die niet afhankelijk zijn van de werking van de verbrandingsmotor. Door dit innovatieve aandrijfconcept worden functies mogelijk die zorgen voor nog meer comfort bij de airconditioning in het voertuig.

Het is mogelijk het verwarmde interieur voor het wegrijden voor te koelen op de gewenste temperatuur. De aansturing is mogelijk via een afstandsbediening.

 

Deze koeling bij stilstand kan alleen afhankelijk van de beschikbare accucapaciteit plaatsvinden. Rekening houdend met de voor de airco noodzakelijke vereisten wordt de compressor daarbij aangestuurd met het kleinst mogelijke vermogen.

 

Bij de momenteel toegepaste hoogspanningscompressoren geschiedt de vermogensregeling door een overeenkomstige toerentalaanpassing in trappen van 50 tpm. Hierdoor is een interne vermogensregeling niet nodig.

 

In tegenstelling tot het tuimelschijfprincipe, dat op het gebied van riemaangedreven compressoren bij voorkeur wordt gebruikt, wordt bij hoogvoltage-compressoren het scrollprincipe gebruikt voor het comprimeren van het koudemiddel. De voordelen zijn een gewichtsbesparing van ca. 20% en een vermindering van de cilinderinhoud met eenzelfde waarde bij gelijkblijvend vermogen.

 

Om het overeenkomstig grote draaimoment voor de aandrijving van de elektrische compressor op te wekken, wordt een gelijkspanning van meer dan 200 Volt gebruikt – een voor het motorvoertuigsegment zeer hoge spanning. De in de elektromotoreenheid geïntegreerde omvormer vormt deze gelijkspanning om naar de voor de borstelloze elektromotor noodzakelijke driefasige wisselspanning. De noodzakelijke warmte afvoer van de omvormer en de motorwikkelingen wordt door de doorstroming van de koudemiddel-retourstroom mogelijk gemaakt.

TEMPERATUURMANAGEMENT VAN DE BATTERIJ: VERGELIJKING

De accu is essentieel voor het gebruik van een hybridevoertuig. Deze moet de aanzienlijke benodigde hoeveelheid energie voor de aandrijving snel en betrouwbaar leveren. Meestal zijn deze accu's nikkel-metaal-hybride-hoogspanningsaccu's, in toenemende mate worden echter lithium-ion-hoogspanningsaccu's toegepast. Hierdoor nemen de afmetingen en het gewicht van de accu's voor hybride voertuigen steeds meer af.

 

Het is absoluut noodzakelijk de gebruikte accu's te gebruiken binnen een bepaald temperatuurbereik. Vanaf een bedrijfstemperatuur van +40 °C vermindert de levensduur, terwijl onder -10 °C het rendement afneemt en het vermogen daalt. Bovendien mag het temperatuurverschil tussen de individuele cellen niet groter zijn dan 5° à 10° Kelvin.

 

Kortstondige piekbelastingen in combinatie met hoge stromen, zoals bij recuperatie en boosten, leiden tot een aanzienlijke verwarming van de cellen. Daarnaast dragen hoge buitentemperaturen in de zomermaanden eraan bij, dat de temperatuur snel de kritische waarde van 40 °C bereikt.

 

Het gevolg van een temperatuuroverschrijding is een snelle veroudering en een daarmee gepaard gaande vervroegde uitval van de accu. Voertuigfabrikanten streven naar een berekende acculevensduur van 1 autoleven (ca. 8-10 jaar). Een buitensporig verouderingsproces kan alleen met een correct temperatuurmanagement worden tegengegaan.

 

Op dit moment worden drie verschillende methoden voor temperatuurmanagement toegepast.

Mogelijkheid 1

Lucht uit het gekoelde voertuiginterieur wordt aangezogen en gebruikt voor het koelen van de accu. De aangezogen koele lucht uit het voertuiginterieur heeft een temperatuur van minder dan 40 °C. Deze lucht wordt gebruikt om de vrij toegankelijke oppervlakken van de accu te ventileren.

 

Nadelen van deze methode zijn:

  • De geringe effectiviteit van de koeling.
  • De uit het interieur aangezogen lucht kan niet worden gebruikt voor een gelijkmatige temperatuurverlaging.
  • De aanzienlijke inspanningen voor het geleiden van de lucht.
  • Eventueel storende geluiden in het interieur door de ventilator.
  • Via de luchtkanalen ontstaat een direct verbinding tussen de passagiersruimte en de accu. Dit kan uit veiligheidsoverwegingen problematisch zijn (bijvoorbeeld door gasdampen uit de accu).
  • Omdat de lucht uit het interieur ook veel stof bevat, moet het gevaar voor inwerking van vuil in de accu niet worden onderschat. Het stof zet zich af tussen de cellen en vormt in combinatie met condenserend vocht uit de lucht een geleidende laag. Deze laag bevordert het ontstaan van lekstromen in de accu. Om dit gevaar tegen te gaan, wordt de aangezogen lucht gefilterd.

 

Om dit gevaar tegen te gaan, wordt de aangezogen lucht gefilterd. Als alternatief kan de luchtkoeling ook door middel van een afzonderlijk klein aircoapparaat gebeuren, vergelijkbaar met de afzonderlijke airco's achterin luxevoertuigen.

Mogelijkheid 2

Een speciale, in de accucel ingesloten verdamperplaat wordt aangesloten op de in het voertuig aanwezige airconditioning. Dit gebeurt in een zogenaamde splitting-proces aan de hogedruk- en lagedrukzijde via pijpleidingen en een extra expansieventiel. Zo zijn de interieurverdamper en de verdamperplaat van de accu, die werkt als een normale verdamper, aangesloten op dezelfde kringloop.

 

Door de verschillende taken van de beide verdampers is er sprake van verschillende eisen aan de koudemiddeldoorstroming. Terwijl het koelen van het interieur moet voldoen aan de eisen die passagiers stellen aan het comfort, moet de hoogspanningsaccu, afhankelijk van de rijtoestand en omgevingstemperatuur, meer of minder sterk worden gekoeld.

 

Op basis van deze eisen ontstaat een complexe regeling voor de hoeveelheid te verdampen koudemiddel. De bijzondere constructie van de verdamperplaat en de hierdoor mogelijke integratie in de accu, biedt een groot contactoppervlak voor warmte-uitwisseling. Hierdoor wordt gewaarborgd dat de kritische maximale temperatuur van 40 °C niet wordt overschreden.

 

Bij zeer lage buitentemperaturen is een temperatuurverhoging tot de ideale accutemperatuur van min. 15° C nodig. De verdamperplaat kan in deze situatie echter geen bijdrage leveren. Een koude accu is minder krachtig dan een accu met de juiste temperatuur en kan bij temperaturen duidelijk onder het vriespunt bijna niet meer worden opgeladen. In een mild hybride voertuig kan dit worden getolereerd: in extreme situaties is de hybride functie dan slechts beperkt beschikbaar. Rijden met de verbrandingsmotor is nog steeds mogelijk. Bij een zuiver elektrisch voertuig zal echter een accuverwarming moeten worden voorzien, om in de winter in elke situatie te kunnen starten en rijden.

 

Opmerking
Verdamperplaten, die direct in de accu zijn geïntegreerd, kunnen niet individueel worden vervangen. Daarom moet bij schade altijd de gehele accu worden vervangen.

Mogelijkheid 3

Bij accu's met een hogere capaciteit speelt een correcte temperatuurregeling een centrale rol. Daarom is bij zeer lage temperaturen een extra verwarming van de accu noodzakelijk, om deze binnen het ideale temperatuurbereik te brengen. Alleen binnen dit bereik kan een bevredigende actieradius in de modus "elektrisch rijden" worden bereikt.

 

Om deze extra verwarming te realiseren, wordt de accu in een secundair circuit opgenomen. Met dit circuit wordt gewaarborgd dat de ideale bedrijfstemperatuur van 15 °C – 30 °C continu wordt gehandhaafd.

 

In het accublok stroomt koelvloeistof, bestaande uit water en glycol (groen circuit), door een ingebouwde koelplaat. Bij lage temperaturen kan de koelvloeistof via een verwarming snel worden verwarmd, om zo de ideale temperatuur te bereiken. Ontstaat tijdens het gebruik van de hybridefuncties een temperatuurstijging in de accu, dan wordt de verwarming uitgeschakeld. De koelvloeistof kan vervolgens door de accukoeler, die zich in de voorkant van het voertuig bevindt, door middel van rijwind worden gekoeld.

Speciale warmtewisselaar

Is de koeling door de accukoeler bij hoge buitentemperaturen onvoldoende, stroomt de koelvloeistof door een speciale warmtewisselaar. Hierin wordt koudemiddel uit het voertuigaircosysteem verdampt. Bovendien kan warmte zeer compact en met een hoge capaciteit uit het secundaire circuit worden overgedragen op het te verdampen koudemiddel. Er vindt een extra afkoeling van de koelvloeistof plaats. Door het gebruik van de speciale warmtewisselaar, kan de accu worden gebruikt binnen het temperatuurbereik voor het hoogste rendement.

VEREISTE BIJSCHOLING VAOOR DE REPARATIE VAN HYBRIDE VOERTUIGEN: WETENSWAARDIGHEDEN

Om de complexe warmtebeheersystemen in hybride voertuigen te kunnen onderhouden en repareren, is een permanente bijscholing noodzakelijk. Medewekers die werkzaamheden aan dergelijke hoogspanningssystemen uitvoeren, hebben in Duitsland bijvoorbeeld een extra 2-daagse opleiding als "Elektricien voor hoogspanningssystemen" nodig.

 

Door de daar verkregen kennis is het mogelijk gevaren bij de noodzakelijke werkzaamheden in te schatten en te zorgen voor spanningsloosheid tijdens de werkzaamheden. Zonder de betreffende opleiding is het verboden werkzaamheden uit te voeren aan hoogvoltagesystemen.

ONDERHOUD VAN HYBRIDE VOERTUIGEN: WERKPLAATSTIPS

Ook bij algemene inspectie- en reparatiewerkzaamheden (zoals aan uitlaatsystemen, banden, schokdempers, olieverversing, bandenwissel, etc.) is er sprake van een bijzondere situatie.

 

Deze werkzaamheden mogen alleen worden uitgevoerd door medewerkers die door een "elektromonteur voor hoogspanningssystemen" op de gevaren van deze hoogspanningssystemen zijn gewezen en de noodzakelijke instructies hebben gekregen.

 

Bovendien moeten verplicht gereedschappen worden gebruikt, die voldoen aan de specificaties van de fabrikant van de hybride voertuigen.

 

Bij de airconditioningcontrole en -service moet erop worden gelet dat de elektrische aircocompressoren niet met de gangbare PAG-oliën worden gesmeerd. Deze beschikken niet over de noodzakelijke isolerende eigenschappen. Doorgaans wordt er POE-olie gebruikt, die deze kenmerken wel bezit.

 

Daarom wordt voor de aircocontrole en -service het gebruik van aircoserviceapparatuur met een interne spoelfunctie en een gescheiden reservoir voor verse olie aanbevolen. Zo kan vermenging van de verse olie met verschillende oliesoorten worden uitgesloten.