Leif Andersson Henriksbergsvägen 104 136 67 Vendelsö 2010-03-14 - 2010-03-20
Seriehybrid med linjär motorgenerator
Bilar med elektrisk kraftöverföring
===================================
När man tankar en vanlig bensinbil är tillförd effekt ungefär 30 MW. Det är inte, inom överskådlig
tid, möjligt att få fram batterier som kan ta emot en sådan effekt eller elnät som kan leverera
denna effekt ute vid tankställen. Bilar som enbart går på sitt batteri har alltså nackdelen att de
kräver lång tid för laddning. Ett sätt att "snabbtanka" är naturligtvis att byta ut batteriet men
utbytessystem förutsätter någon typ av behållare som håller konstant kvalite. Batterier är alltför
ömtåliga för att fungera som utbytesbehållare. Batteribytesstationer skulle alltså snabbt bli
avstjälpningsplatser för uttjänta batterier. Laddtiden är alltså en konkurensnackdel som gör att så
kallade "rena elbilar" inte kan bli ett marknadsmässigt alternativ.
Under 1980-talet genomförde Posten, STU, Televerket och Vattenfall försök med elektrisk
fordonsdrift. Jag svarade för sammanhållning av detta försök.
Mycket snart stod det klart att rena elbilar inte är intressanta annat än som försöksfordon. Man
kan visserligen visa att de flesta resor är så korta att de mycket väl kan genomföras med en
elbil. Men en normal bilköpare köper inte bilen för de många korta resorna. Drömmen om en ny
bil handlar om de långa semesterresorna som visserligen är få men hägrande. Och jag har åkt
omkring med elbil och, the hard way, upptäckt varför den är omöjlig. Jag har kört vilse i Stockholm
och upptäckt att körsträckan inte räcker för att komma hem. Jag har åkt till en butik för att upptäcka
att den flyttat utom räckhåll för bilen. Jag har åkt ett ärende och upptäckt när jag kommit hem att
jag behöver åka ett till utan att det finns tid till laddning. Jag har åkt i snömodd som reducerat min
körsträcka så att jag inte kommit hem. Jag har åkt ut med eldriven sopbil för att upptäcka att
nycklarna till soprummen blev kvarglömda och att laddningen inte räckte för att åka hem och hämta
dem och därefter genomföra rundan och så vidare.
Varje gång jag hamnat i någon omöjlig situation med en elbil har jag tänkt: "Ingen normalt
funtad människa skulle acceptera detta".
Iden om den rena elbilen kunde alltså ganska snabbt avfärdas som dödfödd. Men försöket
fortsatte ändå eftersom det gav tillfälle att studera elektrisk kraftöverföring i bilar. Märkligt nog
var det mycket svårt att få någon att förstå denna inriktning av arbetet. Projektet uppfattades
som ett försök med omöjliga elbilar. Resultaten hamnade i min bokhylla där ingen frågade efter
dem. Och så småningom dog verksamheten i tysthet.
Men vad var då resultaten? Kan en bil med elektrisk kraftöverföring bli bättre än en konventionell
bil?
Säger man "elbil" möter man vanligtvis reaktionen "Jaså en bil där förbränningsmotorn är
ersatt med en elmotor". Säger man då "Nej, elmotorn skall inte ersätta förbränningsmotorn"
blir svaret "Jamen då får man ju två motorer. Det blir ju dyrt, tungt och komplicerat". Efter det
brukar fattningsluckan ha gått igen. Bedömningen är gjord. All vidare information i ärendet är
ointressant. Säger man "Elmotorn skall ersätta startmotor, koppling, växellåda och kardan. Och
den skall avlasta bromsarna och kanske ersätta stötdämparna. Använder man individuella
hjulmotorer försvinner också differentialen och man får fyrhjulsdrift med servostyrning och
anti-sladd" får man bara svaret "Det där låter krångligt".
Så är det kanske men de möjligheter som elektrisk kraftöverföring öppnar är faktiskt värda
besväret att sätta sig in i en del krångligheter.
När den hästdragna trillan skulle förses med motor gjorde man försök med en rad olika
motortyper. Ottomotorn hade fördelarna att den kunde tankas snabbt och genom att strypa
inflödet från förgasaren kunde man reglera vridmomentet tillräckligt snabbt för att följa
trafikens krav. Ottomotorn stora nackdel var att den måste startas men det löste man genom
att sätta in en elektrisk startmotor. Ottomotorn och så småningom även dieselmotorn blev
den självklara bilmotorn.
Men den goda reglerbarheten hos ottomotorn får man till priset av låg verkningsgrad. En ottomotor
kan strypas men inte överbelastas. Om man vid backtagning och omkörning vill kunna ta ut 100 kW
ur motorn måste man sätta in en motor på 100 kW. Men vid vanlig landsvägskörning på jämn väg
behöver man ungefär 15 kW. En ottomotor har bästa verkningsgrad när man ligger nära maxlast.
Då är verkningsgraden drygt 30 %. Men om man stryper ner en 100 kW motor till 15 kW sjunker
verkningsgraden ner mot 15 %.
Om man har en elektrisk kraftöverföring med ett buffertbatteri räcker det med en förbränningsmotor
på 15 kW. Den kan då få gå vid bästa möjliga verkningsgrad. När den ger mer än vad som krävs
för att driva bilen låter man överskottet gå in i batteriet och när man behöver mer än 15 kW tar
man ut från batteriet och överbelastar elmotorn (eller elmotorerna). Skulle batteriet bli fulladdat
stänger man av förbränningsmotorn.
På det sättet kan man få en förbränningsmotor som alltid går med verkningsgraden 35 % i stället
för en förbränningsmotor som vanligen går med 15 % verkningsgrad. Men vinsten är inte självklar.
En elektrisk kraftöverföring kan ha lägre verkningsgrad än en mekanisk. En mekanisk kraftöverföring
med koppling, växellåda, kardan och differetial har en verkningsgrad som ligger nära 90 %. För 100
år sedan var man för en elektrisk kraftöverföring hänvisad till att använda en likströmsgenerator
med magnetiseringslindning och en elmotor med magnetiseringslindning. Verkningsgraden för
dessa komponenter ligger kring 80 % och hela överföringen fick alltså en verkningsgrad på
c:a 60 %. Resultatet blev alltså att praktiskt taget hela vinsten av att köra förbränningsmotorn i en
bättre arbetspunkt gick förlorad i kraftöverföringens förluster.
Idag finns halvledare och material för permanentmagneter som gör att man kan åstadkomma
elektriska kraftöverföringar med en total verkningsgrad på över 80 % det vill säga ungefär samma
verkningsgrad som för en mekanisk kraftöverföring med automatisk växellåda. Men intresset för att
tillvarata denna möjlighet har varit förbluffande litet.
Om energilagrets vikt är en försumbar del av hela fordonsvikten gäller att man kommer dubbelt
så långt om man tar med ett dubbelt så stort energilager. Men om energilagrets vikt utgör en
påtaglig del av fordonsvikten går det tyngre att dra fordonet ju större lager man tar med eftersom
fordonet då blir tyngre. Ett onödigt tungt energilager, till exempel ett onödigt stort batteri, medför
alltså att fordonet blir onödigt tungt och kräver onödigt mycket drivenergi. Man bör därför inte
använda större buffertbatteri än vad som behövs för att man skall kunna ta ut tillräckligt hög
effekt. För att studera hur dessa storheter samverkar kan man simulera fordon så att man
enkelt kan ändra konfigurationen och se hur det påverkar slutresultatet. Två exempel på sådana
simuleringsprogram finns på denna hemsida.
Med elektrisk kraftöverföring och buffertbatteri kan man alltså frikoppla förbränningsmotorn
från kravet att varvtal och moment skall följa trafikens krav. Förbränningsmotorn kan gå i en
och endast en arbetspunkt. Den arbetspunkten kan man välja så att man får bästa möjliga
verkningsgrad. Men inte bara det. När kravet på reglerbarhet bortfaller får man helt nya
möjligheter att optimera motorn. I en fyrtaktsmotor driver en takt medan tre takter dras runt
med sina friktionsförluster utan att de ger någon drivning. I en tvåtaktsmotor driver varannan
takt vilket ger mindre friktionsförluster i förhållande till avgiven energi. Men i tvåtaktsmotorn
är det svårt att få ut alla avgaser och tillföra all bränsle-luft eftersom den tid som står till
förfogande för utbytet varierar när man ändrar arbetspunkt. Om man från början vet att
motorn endast skall gå vid en viss arbetspunkt kan man dimensionera så att gasbytet i cylindern
fungerar optimalt vid denna arbetspunkt. En tvåtaktsmotor kan då få högre verkningsgrad än
en fyrtaktsmotor. Det är rent av tänkbart att man skulle kunna åstadkomma en entaktsmotor,
det vill säga en motor där varje takt driver. Förutom att det ger högre verkningsgrad utnyttjas
motorn bättre så att man får ut högre effekt utan att motorn blir större.
När man började bygga drivande och drivna maskiner utvecklade man den roterande axeln som
ett standardiserat kopplingselement. Det blev självklart att en drivande maskin avslutades med en
roterande axel, och en driven maskin utgick från en roterande axel. På det sättet kunde man
utveckla drivande maskiner utan ständigt behöva ta hänsyn till vad de skulle driva och man kunde
utveckla drivna maskiner utan att veta vad som skulle driva dem.
I en bil skall drivhjulen rotera och det framstod därför som helt självklart att man behövde en
drivande maskin som avslutats med en roterande axel. I ottomotorn ger också den roterande
axeln möjlighet att använda ett svänghjul för att utjämna energiflödet mellan drivande och
icke-drivande takter.
En generator som utgår från en roterande axel kopplad till en rotor fungerar utmärkt för att ge
sinusformad växelström. När halvledartekniken kom övergav man den gamla likströmsgenratorn
i bilen och satte in en trefas växelströmsgenerator som via en likriktare fick ladda batteriet.
En motorgenerator som skall arbeta mot en elektrisk kraftöverföring med ett buffertbatteri skall
avge likström. Det finns ingen anledning att använda någon roterande axel i den. I en kolvmaskin
går kolvarna fram och tillbaka och i en linjär generator drar man magneter fram och tillbaka över
lindningarna. Om man inte har behov av någon roterande axel eller av sinusformad ström kan
man direkt förbinda magneterna med kolvarna. Det betyder att hela vevpartiet bortfaller. Det
ger en betydligt enklare och lättare maskin. Verkningsgraden förbättras eftersom man slipper
alla friktionsförluster i vevpartiet. Och livslängden kan bli betydligt bättre eftersom de felkällor
som vevpartiets lager innebär bortfaller. Dessutom slipper man alla de sidlaster på kolvarna
som orsakas av vevstaksrörelsen. Och det mekaniska svänghjulet kan ersättas av ett
"elektriskt svänghjul" det vill säga att man låter elmaskinen gå som motor under en del
av takten och som generator under resten av takten.
Det borde vara möjligt att åstadkomma en linjär 15 kW motorgenerator som inte är större än en
mindre resväska och som enkelt kan lyftas i och ur bilen. Den skall ju bara anslutas elektriskt till
bilen. Den behöver inte spännas fast för att kunna överföra några krafter till en mekanisk
kraftöverföring.
Utvecklingen inom halvledarteknik och datateknik har gett nya möjligheter att styra elektriska
maskiner. Det är idag möjligt att styra den eller de elektriska maskin(er) som svarar för
framdrivningen så att de kan ge såväl drivande som bromsande moment. Genom att mata
tillbaka energi till batteriet vid bromsning får man inte bara fördelen att denna energi tas tillvara,
man undviker även den värmeutveckling som medför att mekaniska bromsar kan bli överhettade
och man kan bromsa utan något slitage av bromsklotsar.
Man kan använda en hjulupphängning som gör att bilens markfrigång påverkas av drivmomentet.
Gör man så är det möjligt att använda drivmaskinen för att dämpa ut svängningar, det vill säga
att använda drivmaskinen som stötdämpare. På det sättet kan man överföra den energi som
idag går bort som värme i stötdämparna till att bidra till framdrivningen. På normalt slät väg
är det fråga om ganska obetydliga energimängder men den största fördelen är att man slipper
kostnad för stötdämpare och för stötdämparslitage.
En konventionell bilmotor är en komplicerad produkt som samverkar med flera andra komplicerade
produkter i en bil som därigenom blir en produkt med många felkällor och därmed kort livslängd.
En normal elektrisk industrimotor går 50 000 timmar mellan lagerbyten. 50 000 timmar i en
bil som körs med medelhastigheten 60 km/h innebär 300 000 mil. Kör man 3 000 mil per år ger
det 100 år mellan serviceintervallen för lagerbyte. Det bör alltså vara möjligt att bygga bilar med
en bottenplatta som har en helt annan livslängd än dagens bilar. Detaljer som batteri och
motorgenerator skall bara anslutas elektriskt och de kan då göras som lösa enheter som lätt kan
lyftas ur för utbyte eller service.
Det bör vara möjligt att utveckla en linjär motorgenerator med en verkningsgrad som blir
jämförbar med bränslecellens. Men motorgeneratorn har två viktiga fördelar:
1. Den kan konstrueras med lätt utbytbara slitagedelar så att den blir praktiskt taget outslitlig.
2. Den kan anpassa för många olika sorters bränsle.
Bilen, huset, bränslet och elnätet
==================================
En seriehybrid med ett buffertbatteri som räcker för någon mils körning klarar många kortresor
utan att man behöver dra igång motorgeneratorn. Sådana kortresor är en betydande del av alla
resor och om de kan genomföras utan att man använder något bränsle till förbränningsmotorn
minskar marknaden för fordonsbränsle påtagligt. Dessutom minskar behovet genom att hybriden
får betydligt lägre bränsleförbrukning per mil jämfört med en konventionell bil. Det är långt ifrån
säkert att man i det läget kan bibehålla nuvarande system för distribution av flytande bränsle via
tankställen.
Det finns alltså skäl att fundera kring frågan om hur framtidens fordonsbränsle bör se ut. Vilka
typer av bränsle skulle man kunna använda för en linjär motorgenerator?
1. Fasta bränslen i form av pulver eller block som kan smältas till vätska
2. Vätska
3. Gas
4. Substanser som förändras kemiskt före användning.
När det gäller vätska eller gas har vi redan nu erfarenheter från användning av vätskor och gaser
som fordonsbränsle.
Att använda pulver har diskuterats i många sammanhang. När Rudolf Diesel utvecklade
dieselmotorn var hans dröm att kunna få fram en kolpulvermotor. Men det fanns gott om billig
råolja som fungerade utmärkt som dieselbränsle och arbetet på kolpulverdieseln lades ner.
Under oljekrisen på 1970-talet gjordes en del försök i Sverige med pulvermotorer. Arbetet kom
så långt att en försöksmotor kunde köras några varv för att studera förbränningen i cylindrarna
men oljepriset sjönk och projektet avbröts. Pulverbränsle skulle kunna distriburas på liknande
sätt som mjöl (som ju faktiskt är ett tänkbart pulverbränsle) eller cement. Det vill säga i säckar
på 5 till 25 kg som säljs i dagligvarubutiker. En bra hybridbil borde kunna gå drygt 50 mil på
en 25 kg säck kolpulver.
Möjligheten att smälta fast bränsle till vätska skulle kunna användas för ett margarinliknande
bränsle. Detta skulle också kunna säljas i dagligvarubutiker när det inte längre finns underlag
för en speciell distributionskanal för fordonsbränsle.
Under andra världskriget fick vi en del erfarenheter av bränsle som förändrades kemiskt innan
det gick in i motorn. Vi använde kolförgasning via gengasaggregat. I ett gengasaggregat drar
man luft genom en het bädd av kol eller ved och får då kolmonoxid som man använder som
motorbränsle. Ett problem är då att luften till stor del består av kväve som späder ut bränslet.
Resultatet blir att motoreffekten sjunker. Jag har själv upplevt gengastiden och varit med om
att skjuta på i uppförsbackarna.
Ett alternativ till gengas är så kallad vattengas. Om man drar vattenånga i stället för luft genom
bädden får man en gas som består av väte och kolmonoxid. Eftersom man då slipper utspädningen
med kväve får man en bränslegas med betydligt högre brännvärde än gengas. Att använda sådan
gas är väl beprövat inom stålindustrin där man använder den vid tillverkning av järnsvamp.
Ytterligare en möjlighet är att framställa väte som kan användas som bränsle. Man har till
exempel diskuterat att använda metallhydrid som under färd får avge väte som motorbränsle.
Men en mycket intressant vätebindande "metall" är ju kol. I forna tiders gasverk framställde
man stadsgas, det vill säga väte, genom att upphetta stenkol. Då avgick väte och kolet blev
kvar som koks. På liknande sätt skulle man kunna ta med kolväte, driva av vätet och tar hem
koksresten för att på nytt låta den binda väte till kolväte.
Oavsett vilken typ av förberedande omvandling man använder är det naturligtvis inte helt
enkelt att göra den ombord på ett fordon. Men det finns en viktig skillnad mellan en vanlig
bilmotor och en motorgenerator. Att köra bilmotorn är helt meningslöst om den inte skall
driva bilen. Att köra motorgeneratorn ger däremot en möjlighet att få fram ström för många
andra ändamål än för att driva bilen. Möjlighet att förgasa fasta bränslen som ved och halm
till motorbränsle kan därför få stor betydelse som ett sätt att i en stationär anläggning
omvandla tillgängligt bränsle till säljbar el.
Ett problem med att inte bara använda motorgeneratorn i bilen utan även i en stationär
anläggning för elproduktion är att man då får mycket längre drifttid. Man använder idag
så kallade totemaggregat för att göra el av reningsverkens rötgaser. Där har man
anslutit en vanlig bilmotor till en elgenerator. Men en vanlig bilmotor går kanske 2000 timmar
innan bilen skrotas. Och ett år består av 8000 timmar. En vanlig fyrtaktsmotor har topplock
med ventiler. Det är framför allt dessa ventiler som brukar haverera vid kontinuerlig drift. Ett
problem som borde gå att lösa genom att använda en linjär motorgenerator.
Med en 15 kW motorgenerator i varje bil kommer Sveriges bilägare att förfoga över betydligt
större elproduktionskapacitet än vårt nuvarande elnät. Samtidigt närmar vi oss en situation där
solceller blir det billigaste taktäckningsmaterialet, billigare än tegelpannor, betongpannor eller
takplåt. Det gör att frågan om hur vi skall använda elnätet kommer i ett helt nytt läge.
Bättre brukningsmetoder, ökad tillgång till kväve genom utsläpp av NOx och höjd koldioxidhalt i
luften har medfört att våra skogar idag växer dubbelt så fort som för hundra år sedan. Det ger oss
c:a 50 miljoner kubikmeter extra ved per år. Och den veden har ett brännvärde på c:a 100 TWh,
tillräckligt för att driva alla våra effektiva framtida fordon. Men får vi så bra betalt för sågtimmer
och papper att vi får ett bra netto om vi köper annat bränsle utifrån skall vi naturligtvis göra det.
Det viktiga är att vi enkelt kan bli självförsörjande om vi vill.
I en vanlig bilmotor går en betydande del av bränslets brännvärde bort som värmeförlust. Om man
i stället kör motorgeneratorn hemma kan man ladda buffertbatteriet och värma huset med
förlustvärmet.
I ett hus med solcellstak skulle man alltså kunna göra så att man på sommaren kör alla småresor
på takets överskottsel och säljer resten av elöverskottet till nätet. Under vintern ger taket dåligt
med ström och huset behöver energi för varmhållning. Då kör man motorgeneratorn på ved
eller importerat bränsle, till exempel kol. Förlustvärmet från motorgeneratorn får värma huset
och det elöverskott den ger får ladda buffertbatteriet och resten säljer man via elnätet. Det
skulle betyda att huset såväl sommar som vinter levererar el till elnätet. Våra hus skulle gå från
att vara elkonsumenter till att bli elproducenter.
Om man har ett fåtal stora producenter som via ett elnät levererar el till en mängd småförbrukare
på måttligt avstånd kan man använda ett växelströmssystem. Producenternas generatorer kan
synkroniseras så att alla ligger i samma fasläge. Och konsumenterna får ta emot strömmen sådan
den kommer. Om de inte matar tillbaks något stör de inte synkroniseringen.
Men hur blir det i ett elnät där många små producenter skall leverera el. Producenter som
dessutom är mycket instabila och snabbt växlar mellan produktion och konsumtion. Så länge
det är fråga om att koppla in en enstaka liten producent på ett starkt nät kan man naturligtvis
fasa in innan man ansluter. Men ju fler små enheter man får ju otydligare blir det vem som
egentligen bestämmer takten i nätet.
Anslutning till ett likströmsnät är mycket enklare än anslutning till ett växelströmsnät. Man behöver
ingen infasning. Man behöver bara en spärrdiod som ser till att man kopplas bort om man
genererar lägre spänning än nätet och kopplas in om man genererar högre spänning.
Olyckligtvis har vi nu byggt fast oss i ett växleströmssystem. Men det börjar bli hög tid att
fundera på hur vi skulle kunna gå över till ett system som blir användbart i framtiden. Detta
är inte minst viktigt med tanke på alla de länder som nu bygger upp sina elsystem. Globalt handlar
det om enorma investeringar där man skulle kunna undvika felsatsningar. Och där vi skulle kunna
plocka till oss en del russin ur kakan genom att offerera genomtänkta alternativ. Efter Internets
revolution på kommunikationsnäten är det snart dags för en revolution på elnäten. Microsoft
lyckades pricka in ett sätt att tjäna pengar på kommunikationsrevolutionen. Hur vore det att försöka
hitta en roll för ett svenskt Microsoft på elnäten?
Eller skall vi upprepa misstaget som Facit gjorde när de försökte sätta elmotorer på Odhner-
snurrorna. Skall vi hålla oss till våra förlegade lösningar och leta efter minsta möjliga förändring?
Odhner-snurran, trefas-systemet och den konventionella bilen var en gång fantastiska produkter.
men den tid som de passade in i har passerat. Hur ser framtiden ut?
Till http://www.lexsup.se