Gemensamt projekt banar väg för anmärkningsvärd verkningsgrad på 98,2 procent

När den franska biltillverkaren samarbetat med sin kinesiska partner har resultatet blivit ett hybridsystem som under laboratorieförhållanden når en verkningsgrad på 98,2 procent. Nyckeln till energibesparingen ligger i ett ovanligt material i statorn.

Om dessa resultat kan verifieras i serietillverkning tvingas konkurrenterna att påskynda utvecklingen av sina egna teknologier. Under det gemensamma varumärket Horse har man utvecklat en elmotor avsedd för hybridbilar som i tester uppnår 98,2 procents verkningsgrad. Det överträffar majoriteten av dagens produktionsenheter, och förklaringen sägs vara en ny typ av stål som används i statorn.

Motor Amorfo – samarbete mellan Renault och kinesiska Geely

Horse är ett företag som grundats av biltillverkaren Renault tillsammans med den kinesiska koncernen Geely och fokuserar på utveckling av moderna drivenheter. Det senaste resultatet från ingenjörernas arbete är en motor kallad Amorfo, främst konstruerad för hybrider och bilar med förlängd räckvidd.

Namnet är långtifrån slumpmässigt. Det syftar direkt på statorns material – det amorfa stål som används har en oordnad atomstruktur. I konventionella motorer förekommer kristallinskt stål där atomerna ordnas i ett regelbundet mönster. De fysiska egenskaperna hos amorft stål möjliggör reduktion av förluster kopplade till magnetfältets påverkan, särskilt vid höga frekvenser.

Enligt Horse handlar det om mer än marknadsföring. Motor Amorfo når en verkningsgrad på 98,2 procent, vilket motsvarar ungefär hälften så stora interna förluster jämfört med ett typiskt elektriskt drivsystem. Den deklarerade effekten ligger på 190 hästkrafter med ett vridmoment på 360 newtonmeter, vilket är fullt tillräckligt för hybrid-SUV:ar, kompakta bilar och större sedaner med elektrisk framdrivning.

Skivor tunnare än ett människohår – så minskas förlusterna

Det mest imponerande aspekten är tjockleken på de element som statorn byggs upp av. Varje enskild skiva mäter bara 0,025 millimeter. Det är cirka tio gånger tunnare än hos typiska elmotorer monterade i bilar. Dessa extremt tunna lager bidrar till att minimera så kallade virvelströmmar.

Virvelströmmar är ett fenomen där oönskade strömflöden induceras i metallen och omvandlas till värme, vilket orsakar energiförluster. Ju tunnare elementen är, desto svagare blir denna effekt och desto mer effektivt omvandlar drivenheten ström till rörelse. Horse uppger en reducering av förlusterna i själva motorn på cirka 50 procent jämfört med en referenskonstruktion, samtidigt som effekt- och vridmomentsparametrarna bibehålls.

I praktiken innebär detta att motorn vid samma strömförbrukning kan utföra mer nyttigt arbete. Mindre energi går förlorad som värme, vilket reducerar kraven på kylsystemet. De tunna skivorna av amorft stål utgör dock en teknologisk utmaning vid tillverkningen eftersom de kräver mer precis bearbetning och mer skonsam montering än standardmaterial.

Hur ställer sig detta resultat gentemot andra motorer?

Nuvarande elektriska drivsystem i personbilar uppnår vanligtvis en verkningsgrad mellan 93 och 97 procent. Skillnaderna beror på belastning, temperatur, varvtal och den specifika konstruktionen. På pappret kan en ökning med en till två procent kanske inte verka imponerande jämfört med exempelvis en fördubbling av effekten.

Inom energieffektivitet betyder varje enskilt procent verkliga besparingar, särskilt när vi talar om stora fordonsflottor och miljontals körda kilometer. För tillverkarna är det dessutom ett verktyg för att bygga upp konkurrensfördelar – speciellt när motsvarande effekt- och räckviddsegenskaper kan uppnås med ett mindre batteri.

Moderna elmotorer i personbilar har en verkningsgrad på 93 till 97 procent
Motor Amorfo uppger 98,2 procent under laboratorieförhållanden
Varje procent i besparing innebär lägre förbrukning från batteri eller motor
Högre verkningsgrad möjliggör ett mindre batteri vid samma räckvidd
I praktiken visar sig besparingen vid långvarig användning av fordonet
Företagsflottor kommer märka skillnaden mest i driftskostnaderna
Lägre förluster betyder också mindre belastning på kylsystemet

Den totala bilden kompliceras av mätbetingelserna. Den uppgivna verkningsgraden på 98,2 procent kommer från tester utförda av företaget under strikt kontrollerade förhållanden. I daglig drift uppstår faktorer som är svåra att reproducera perfekt på en provbänk.

Laboratorium kontra verklighet på vägen

Under normal drift påverkas fordonet av en rad faktorer som influerar drivenhetens verkliga verkningsgrad. Detta inkluderar temperatursvängningar från vinterkyla till sommarens brännande asfalt. Motorn arbetar inte i en optimal punkt utan under delbelastning över ett brett område.

Därtill kommer åldrande av material, inklusive isolering och själva stålet. Spänning och traktionsbatteriets prestanda varierar likaså. Tillverkare anger vanligtvis den maximala verkningsgraden uppnådd inom ett visst arbetsområde och inte ett genomsnitt från hela körcykeln. Oberoende laboratorier uppnår ofta lägre resultat än vad reklamaterialen utlovar.

Horse uppger ännu inte i vilka bilar och vilken konfiguration denna motor kommer användas, vilket gör det svårt att bedöma hur den kommer prestera i ett färdigt fordon. Företaget bakom projektet uppskattar att den totala energibesparingen – när hela hybridsystemet inkluderas, däribland batteri, inverter, växellåda och övrig utrustning – uppgår till cirka ett procent.

Verklig energibesparing – runt ett procent i hela systemet

En reducering av energiförbrukningen i en hybrid med ett procent kan verka obetydlig i skalan för en enskild bil, men över tusentals exemplar motsvarar det enorma mängder sparad elektricitet eller bränsle. Vid ett årligt körsträcka i storleksordningen 20 000 till 30 000 kilometer, kombinerat med företagsflottor och lång användningstid, börjar en sådan vinst få verklig betydelse – både för föraren och för CO₂-kalkylen.

För tillverkarna räknas även den minsta bråkdel av ett procent eftersom det kan göra det lättare att uppfylla allt strängare energieffektivitetsnormer. Motor Amorfo finns redan i Horses katalog, vilket innebär att företagets kunder när som helst kan beställa den till sina projekt. Den första avtagaren blir med största sannolikhet Renault-koncernen själv, inklusive anknutna märken.

Andra företag inom Geelys kapitalgrupp, såsom exempelvis Volvo, kan också komma ifråga. Denna motortyp är särskilt lämpad för nästa generation av laddhybrider där prioriteten är låg energiförbrukning framför rekordprestanda. Om de uppgivna specifikationerna bekräftas i seriefordon kommer användarna främst uppleva en lägre energiförbrukning i vardagen.

I en hybrids fall kan detta innebära färre tankstopp under året eller längre räckvidd på en laddning av traktionsbatteriet. En annan fördel är den reducerade värmeutvecklingen från själva motorn. En mer effektiv drivenhet värms upp mindre, så kylsystemet kan arbeta med lägre belastning. Det öppnar i sin tur möjlighet att förenkla fordonets konstruktion eller reducera vikten på vissa komponenter.

Varför konkurrerar tillverkarna om drivenhetens verkningsgrad?

Marknaden för bildrivningssystem förändras snabbare än för tio år sedan. Utöver batterier och styrelektronik har just elmotorerna blivit ett tävlingsfält. Kinesiska märken presenterar allt mer avancerade konstruktioner – från förbränningsmotorer med rekordhög verkningsgrad till innovativa elektriska drivsystem.

Europeiska och japanska företag som under åratal dominerat inom drivlinor är tvungna att reagera. Att presentera en motor med mycket hög verkningsgrad är ett sätt att behålla sin position och demonstrera att de fortfarande har mycket att erbjuda tekniskt sett. Forskare från båda företagen arbetade på projektet under flera år och testade olika varianter av amorfa material.

Utvecklingen av drivenheter påverkar fordonets totala arkitektur. Parallellt med effektivitetsförbättringar dyker det ofta upp förändringar i styrprogramvara, strategi för återvinning av bromsenergi eller val av växellåda. Den slutliga effekten upplever bilisten som ett jämnare drivsystem och en bättre respons på gaspedalen.

Det är värt att notera att motorutvecklingen återspeglas i den totala körupplevelsen. För ett fordon som tillryggalägger 200 000 kilometer under sin livstid kan skillnader i storleksordningen ett till två procent ackumuleras markant. Det slår igenom både i driftskostnaderna och i det enskilda fordonets CO₂-avtryck. Sett från användarens perspektiv är det värt att se närmare på inte bara effekt och vridmoment utan också på hur tillverkaren beskriver effektiviteten för drivenheten och hela systemet.