Elektrische Voertuigen: Een Duurzame Revolutie in het Vervoer

Achtergrond

In tegenstelling tot de benzine-auto ontwikkelde de elektrische auto zich niet eenvoudig tot een haalbaar vervoersmiddel. In de vroege twintigste eeuw werd het elektrisch rijden door onderzoekers vigoros nagestreefd; de gemakkelijk massaproduceerbare benzine-auto onderdrukte echter het belang. Onderzoek daalde van 1920-1960 tot milieukwesties van vervuiling en afnemende natuurlijke hulpbronnen de noodzaak van een milieuvriendelijker vervoer herwakkerden. Technologieën die een betrouwbare batterij en het gewicht van de benodigde batterijen ondersteunden, verhoogden de prijs van een elektrisch voertuig. Aan de positieve kant zijn automobiële elektronica zo gesofisticeerd en klein geworden dat ze ideaal zijn voor elektrische voertuigen.

Geschiedenis

De vroege ontwikkeling van de automobile richtte zich op elektrische aandrijving in plaats van benzine. In 1837 bouwde Robert Davidson uit Schotland waarschijnlijk de eerste elektrische auto, maar pas in de jaren 1890 werden elektrische auto's in Europa en Amerika geproduceerd en verkocht. In de late jaren 1890 waren er meer elektrische auto's op Amerikaanse wegen dan met verbrandingsmotoren.

Een van de meest succesvolle bouwers van elektrische auto's in de VS was William Morrison uit Des Moines, Iowa, die in 1890 zijn product op de markt bracht. Andere pioniers waren S.R. en Edwin Bailey, een vader-zoon team van wagenbouwers in Amesbury, Massachusetts, die in 1898 een elektrische motor en batterij aan een van hun wagens monteerden. De combinatie was te zwaar voor de wagen om te trekken, maar de Baileys bleven volharden tot 1908 toen ze een praktisch model produceerden dat ongeveer 50 mijl (80 km) kon rijden voordat de batterij opgeladen moest worden.

Een groot deel van het verhaal van de elektrische auto is eigenlijk het verhaal van de ontwikkeling van de batterij. De loodzuurbatterij werd in 1890 uitgevonden door H. Tudor, en Thomas Alva Edison ontwikkelde de nikkel-ijzerbatterij in 1910. Edison's versie verhoogde de productie van elektrische auto's en vrachtwagens, en de uitvinder zelf was geïnteresseerd in de toekomst van de elektrische auto. Hij combineerde krachten met de Baileys toen ze een van zijn nieuwe opslaatbatterijen aan een van hun voertuigen monteren, en promooten het in een reeks publieke demonstraties. De Bailey Company produceerde elektrische auto's tot 1915, en was onder de meer dan 100 elektrische automobielmaatschappijen die begin de eeuw in de VS bloeiden. De Detroit Electric Vehicle Manufacturing Company was de laatste die overleefde, en stopte in 1941.

Elektrische auto's waren populair omdat ze schoon, stil en gemakkelijk te bedienen waren; twee ontwikkelingen verbeterde de benzine-auto echter zoveel dat concurrentie niet bestond. In 1812 vindt Charles Kettering de elektrische starter uit, waardoor de handkrik overbodig werd. Tegelijkertijd ontwikkelde Henry Ford een bandproductieproces voor zijn Model T. De band was efficiënter en goedkoper dan de productie van de elektrische auto. Daardoor daalde de prijs van een benzine-voertuig genoeg om het voor elk gezin betaalbaar te maken. Alleen elektrische trams, bezorgvoertuigen die frequente stops maakten, en een paar andere elektrisch aangedreven voertuigen overleefden na de jaren 1920.

In de jaren 1960 steeg het belang voor de elektrische auto opnieuw door de stijgende kosten en afnemende voorraad van olie en zorgen over vervuiling door verbrandingsmotoren. De heropleving van de elektrische auto in het laatste deel van de twintigste eeuw was echter bezwaard met technische problemen, serieuze vragen over kosten en prestaties, en wisselende publieke belangstelling. Voorstanders pleiten voor elektrische auto's vanwege lage elektriciteitsverbruik en -kosten, lage onderhoudseisen en -kosten, betrouwbaarheid, minimale emissie van verontreinigingen (en dus voordeel voor het milieu), gemak van bediening en lage geluidsproductie.

Enkele van het hernieuwde belang is gedreven door regelgeving. Californië's wetgever stelde dat 2% van de nieuwe auto's die in de staat verkocht werden, tegen 1998 moet worden aangedreven door nul-emissie motoren. Deze eis stijgt naar 4% in 2003. Fabrikanten investeerden in elektrische auto's op de aanname dat het publieke belang de regelgeving zou volgen en de bescherming van de luchtkwaliteit en het milieu zou steunen. General Motors (GM) introduceerde de Impact in januari 1990. De Impact had een topsnelheid van 110 mijl/u (176 km/u) en kon 120 mijl (193 km) afleggen bij 55 mijl/u (88 km/u) voordat een oplaadstop nodig was. De Impact was experimenteel, maar later in 1990 begon GM de testauto om te bouwen tot een productiemodel. Batterijen waren het zwakke punt van deze elektrische auto omdat ze elke twee jaar vervangen moesten worden, wat de kosten van het voertuig verdubbelde ten opzichte van de exploitatiekosten van een benzine-model. Oplaadstations zijn niet wijdverspreid beschikbaar, en deze ongemakken en kosten hebben potentiële kopers afgeschrikt. In 1999 kondigde Honda aan dat het de productie van zijn elektrische auto, die in mei 1997 op de markt was gekomen, zou staken, aangevend gebrek aan publieke steun door dezelfde belemmeringen.

Componenten

In tegenstelling tot primair batterijen die een beperkte levensduur van chemische reacties hebben die energie produceren, zijn de secundaire batterijen in elektrische voertuigen herlaadbare opslagcellen. Batterijen zijn in T-vorming langs het midden van de auto geplaatst met de top van de 'T' aan de achterkant voor betere gewichtsverdeling en veiligheid. Batterijen voor elektrische auto's zijn gemaakt met nikkel-ijzer, nikkel-zink, zink-chloride en loodzuur.

Het gewicht van de elektrische auto is ook een terugkerend ontwerpmoeilijkheid. In elektrische auto's zijn de batterij en het elektrische aandrijvingssysteem typisch 40% van het gewicht van de auto, terwijl in een verbrandingsmotor-auto de motor, koelsysteem en andere specifieke aandrijfcomponenten slechts 25% van het gewicht bedragen.

Andere technologieën in ontwikkeling kunnen alternatieve oplossingen bieden die meer acceptabel zijn voor het publiek en lage (indien niet nul) emissies. Het gebruik van de brandstofcel in een hybride auto is de meest veelbelovende ontwikkeling op de horizon, per 1999. De hybride auto heeft twee aandrijvingen, één elektrisch en één verbrandingsmotor. Ze werken alleen onder de meest efficiënte omstandigheden voor elk, met elektrische aandrijving voor stop-en-go rijden bij lage snelheden en benzineaandrijving voor snelwegen en lange afstanden. De elektrische motor bespaart benzine en vermindert vervuiling, en het benzine-gedeelte maakt ongemakkelijke oplaadstops minder frequent.

Brandstofcellen hebben een chemische bron van waterstof die elektronen levert voor het genereren van elektriciteit. Ethanol, methanol en benzine zijn deze chemische bronnen; als benzine wordt gebruikt, verbruiken brandstofcellen het efficiënter dan de verbrandingsmotor. Prototypes van brandstofcellen zijn met succes getest, en de Japanners begonnen in 1998 met de productie van een hybride voertuig. Een andere toekomstige hoop voor elektrische auto's is de lithium-ionbatterij die een energiedichtheid heeft die drie keer groter is dan die van een loodzuurbatterij. Drie keer de opslag zou drie keer het bereik moeten geven, maar de productiekosten zijn nog te hoog. Lithiumbatterijen blijken nu de meest veelbelovende te zijn, maar beperkte voorraden aan grondstoffen om al deze batterijtypen te maken zullen de kans belemmeren dat alle voertuigen omgezet kunnen worden naar elektrische aandrijving.

Grondstoffen

Het skelet van de elektrische auto heet een space frame en is gemaakt van aluminium om zowel sterk als licht te zijn. De wielen zijn ook van aluminium in plaats van staal, weer als gewichtsbesparende methode. De aluminiumonderdelen worden in een gieterij gegoten met speciaal ontworpen gietvormen uniek voor de fabrikant. Zetelframes en het hart van het stuur zijn van magnesium, een licht metaal. De carrosserie is gemaakt van een slagvast composietkunststof dat recycleerbaar is.

Batterijen van elektrische auto's bestaan uit kunststofbehuizingen die metaal anoden en kathoden en vloeistof genaamd elektrolyt bevatten. Op dit moment worden loodzuurbatterijen nog het meest gebruikt, hoewel andere combinaties van vloeistof en metalen beschikbaar zijn met nikkel-metalhydried (NiMH) batterijen als de volgende meest waarschijnlijke energiebron. Elektrische autobatterijen houden hun vloeistof in absorberende pads die niet lekken als ze scheuren of doorboord worden tijdens een ongeluk. De batterijen worden gemaakt door gespecialiseerde leveranciers. Een elektrische auto als de General Motors EV1 bevat 26 batterijen in een T-vormige eenheid.

De motor of aandrijvingssysteem heeft metaal- en kunststofonderdelen die geen smeermiddelen nodig hebben. Het bevat ook gesofisticeerde elektronica die de energiestroom van de batterijen regelt en de omzetting naar aandrift controleert. Elektronica zijn ook sleutelcomponenten voor het controlepaneel in de console; het boordsysteem bedient deuren, ramen, een bandenspanningsmonitor, airconditioning, het starten van de auto, de CD-speler en andere faciliteiten die gemeenschappelijk zijn aan alle auto's.

Kunststoffen, schuim, vinyl en stoffen vormen het dashboard, deurbekledingen en zitplaatsen. De banden zijn van rubber, maar in tegenstelling tot standaardbanden zijn deze ontworpen om op te pompen tot hogere drukken zodat de auto met minder rolweerstand rijdt om energie te besparen. De banden van de elektrische auto bevatten ook een dichtingsmiddel dat lekkages automatisch afdicht, ook voor energiebesparing. Zelfdichtende banden elimineren ook de noodzaak voor een reserveband, een ander gewichts- en materiaalbesparend kenmerk.

De voorruit is zonneglas dat het interieur tegen oververhitting in de zon en vorst in de winter beschermt. Materialen die thermische isolatie bieden verminderen de energiedrain die verwarming en airconditioning op de batterijen uitoefenen.

Ontwerp

Tegenwoordig worden elektrische auto's beschreven als 'moderne productie-elektrische voertuigen' om ze te onderscheiden van de reeks mislukte pogingen om een elektrische auto te ontwerpen op basis van bestaande productiemodellen van benzine-auto's en van 'kit'-auto's of privé-geëngineerde elektrische auto's die misschien leuk en functioneel zijn maar niet productiewaardig. Van de jaren 1960-1980 was het belang voor de elektrische auto diepgaand, maar de ontwikkeling was traag. Het ontwerpopstacle van de hoge energievraag van batterijen kon niet opgelost worden door aanpassing van ontwerpen. Uiteindelijk, in de late jaren 1980, herdachten automobilistische ingenieurs het probleem vanaf het begin en begonnen een elektrische auto te ontwerpen vanaf nul met zware aandacht voor aerodynamica, gewicht en andere energie-efficiënties.

De space frame, zitframes, wielen en carrosserie werden ontworpen voor hoge veiligheid en het laagst mogelijke gewicht. Dit betekende nieuwe configuraties die ondersteuning bieden voor componenten en bezetting met minimale massa en gebruik van high-tech materialen zoals aluminium, magnesium en geavanceerde composietkunststoffen. Omdat er geen uitlaatsysteem is, is de onderkant aerodynamisch gemaakt met een volledige buikpan. Alle overbodige details moesten worden geëlimineerd terwijl de comforts die bestuurders wenselijk vinden behouden bleven en nieuwe overwegingen uniek voor elektrische auto's werden toegevoegd. Een geëlimineerd detail was de reserveband. De staartvormige radio-antenne werd verwijderd; het veroorzaakt windweerstand die energie steelt en energie gebruikt om omhoog en omlaag te gaan. Een toegevoegde overweging was het voetgangerswaarschuwingssysteem; tests van prototypes toonden aan dat elektrische auto's zo stil rijden dat voetgangers ze niet horen naderen. Door de bestuurder geactiveerde knipperende lichten en pieptjes waarschuwen voetgangers dat de auto naderkt en werken automatisch wanneer de auto in achteruitrijden is. Voorruiten van zonneglas waren ook een belangrijke toevoeging om de interieurtemperatuur te regelen en de noodzaak voor airconditioning en verwarming te minimaliseren.

Onder de vele andere ontwerp- en ingenieurskenmerken die in aanmerking moeten worden genomen bij de productie van elektrische auto's zijn de volgende:

• Batterijen die energie opslaan en de elektrische motor aandrijven zijn een wetenschap op zich in het ontwerp van elektrische auto's, en veel opties worden bestudeerd om de meest efficiënte batterijen te vinden die ook veilig en kosteneffectief zijn. Een elektrische motor die elektrische energie van de batterij omzet en naar de aandrijving overdraagt. Zowel gelijkstroom- (DC) als wisselstroom- (AC) motoren worden in deze aandrijvingssystemen voor elektrische auto's gebruikt, maar AC-motoren gebruiken geen borstels en vereisen minder onderhoud.
• Een controller die de energiestroom van de batterij naar de motor regelt, stelt instelbare snelheid in. Weerstanden die hiervoor in andere elektrische apparaten worden gebruikt, zijn niet praktisch voor auto's omdat ze te veel energie zelf absorberen. In plaats daarvan worden silicium-gecontroleerde gelijkrichters (SCR's) gebruikt. Ze laten de volledige stroom van de batterij naar de motor gaan maar in pulsen, zodat de batterij niet overbelast wordt en de motor niet onderbelast.
• Elk type remmen kan op elektrische auto's worden gebruikt, maar regeneratieve remsystemen worden ook bevorzugd in elektrische auto's omdat ze een deel van de energie die bij remmen verloren gaat, herwinnen en terugvoeren naar het batterijsysteem.
• Twee soorten opladers zijn nodig. Een volle oplader voor installatie in een garage is nodig om de elektrische auto 's nachts op te laden, maar een draagbare oplader (genoemd comfortoplader) is standaarduitrusting voor de kofferbak zodat de batterijen in een noodgeval of thuiskomend of een oplaadstation opgeladen kunnen worden. Voor veiligheid is een inductieve oplader gecreëerd voor elektrische auto's met een paddle die in de voorkant van de auto wordt ingestoken. Het gebruikt magnetische energie om de batterijen op te laden en de kans op electrocutie te beperken.

Het Productieproces

Het productieproces vereiste bijna evenveel ontwerpoverwegingen als het voertuig zelf; en dat ontwerp omvat handwerk en vereenvoudiging alsook enkele high-tech benaderingen. De monteurs werken in build-station teams om teamgeist en wederzijdse steun te bevorderen, en onderdelen worden opgeslagen in modulaire eenheden genaamd creform rekken van flexibele kunststofbuizen en verbindingen die gemakkelijk te vullen en te herschikken zijn voor verschillende onderdelen. Aan de high-tech kant is elk station uitgerust met één draaimomentsleutel met meerdere koppen; wanneer de monteur de juiste kop vastmaakt, selecteren computerbesturingen voor de machine de juiste draaimomentinstelling voor de bevestigingsmiddelen die bij die kop passen.

Carrosseriewerkplaats

De carrosserie voor de elektrische auto wordt op zes werkstations handmatig geproduceerd.

• 1 Onderdelen van de aluminium space frame worden in secties genaamd subassemblies samengesteld die bestaan uit vorgefabriceerde stukken die worden gelast of gelijmd. De lijm is een adhesief bindmiddel, en het biedt een verbinding die duurzamer en stijver is dan lassen. Naarmate de subassemblies voor het chassis van de auto voltooid zijn, worden ze aan elkaar gelijmd totdat het hele onderlichaam klaar is.
• 2 De subassemblies voor het bovenste deel van de carrosserie worden ook aan elkaar gelijmd om grotere secties te maken. De voltooide secties worden op dezelfde manier gelast of gelijmd totdat het carrosserieframe klaar is. De carrosserie wordt aan het onderlichaam toegevoegd. Het lijmmiddel dat doorheen de gefaseerde montage van het frame wordt gebruikt, wordt vervolgens uitgehard door de carrosserie door een twee-trapsoven te voeren.
• 3 Het dak wordt bevestigd. Net als andere delen van het exterieur is het al geschilderd. Het onderlichaam en de rest van het frame worden beschermd met coatingen, en de voltooide carrosserie wordt naar de algemene montagegebied verplaatst.

Algemene Montage

Algemene montage van de werkende componenten en interieur van de elektrische auto wordt op acht andere werkstations voltooid.

1. Op het eerste montagestation worden de eerste set van de complexe elektronica van de elektrische auto geplaatst. Dit omvat de carrosseriewiring en de plaatsing van de Power Electronics Bay die de Propulsion Control Module, geïntegreerde aandrijvingseenheid en een kleine radiator bevat. De geïntegreerde aandrijvingseenheid bestaat uit de wisselstroom-inductiemotor en een tweetraps vertraging en differentieel. Deze eenheden zijn allemaal voorgeassembleerd in hun eigen behuizingen. De componenten van de controleconsole worden ook geïnstalleerd.
2. Het interieur wordt uitgevoerd. Vloer, zitplaatsen, tapijt, en de console en dashboard worden in de auto geplaatst. Het proces is eenvoudig omdat het instrumentenpaneel en de consoleafdeking gemaakt zijn van gemold, glasvezel-versterkt urethan dat gecoat is met meer urethan van afwerkingskwaliteit en met een niet-reflecterend oppervlak. Deze twee stukken zijn sterk en hebben geen andere steunen, beugels of montageplaten nodig. Montage is rechttoe rechtaan, en prestaties zijn superieur omdat minder stukken de mogelijkheden voor ratels en kraken verminderen.
3. Op het derde werkstation worden de airconditioning, verwarming en circulatiesysteem geplaatst, en het systeem wordt gevuld.
4. Het batterijpakket wordt toegevoegd. De T-vormige eenheid wordt geplaatst door het zware pakket met een speciale hijskraan in de auto op te tillen. Het pakket wordt aan het chassis bevestigd, evenals de assen compleet met wielen en banden. Met zowel batterijen als de aandrijvingseenheid op hun plaats hoeft de auto niet meer van station naar station op speciaal ontworpen wagentjes te worden verplaatst. In plaats daarvan wordt het gereden naar de overige werkstations. Het systeem wordt opgezet en gecontroleerd voordat het naar het volgende team wordt gereden.
5. De voorruit wordt geïnstalleerd en andere vloeistoffen worden toegevoegd en gecontroleerd. De deursystemen (compleet met vinyl-interieurs, armsteunen, elektronica en ramen) worden ook bevestigd, en alle verbindingen worden voltooid en gecontroleerd. De exterieure panelen worden toegevoegd. Vergelijkbaar met het dak en de deuren, zijn ze voorbereid en geschilderd voordat ze naar het werkstation worden gebracht. De finale afwerking wordt bevestigd om het bovenste exterieur te voltooien.
6. Op het laatste werkstation wordt de afstelling gecontroleerd en aangepast, en het onderlichaamspaneel wordt vastgebouwd. Het proces eindigt met de laatste, uitgebreide kwaliteitscontrole. Geperst water wordt acht minuten lang op het voertuig gesproeid, en alle afdichtingen worden gecontroleerd op lekkages. Op een gespecialiseerde testbaan wordt de auto gecontroleerd op geluiden, kraken en ratels op een kwaliteitsgerichte testrit. Een lange en grondige visuele inspectie sluit de kwaliteitsaudit af.

Uniek voor het elektrische voertuig is het batterijpakket. Het batterijpakket bestaat uit herlaadbare secundaire batterijen die fungeren als opslagcellen. Batterijen zijn in T-vorming langs het midden van de auto geplaatst met de top van de 'T' aan de achterkant voor betere gewichtsverdeling en veiligheid.

Kwaliteitscontrole

De industrie heeft bewezen dat werkstations een zeer effectieve methode zijn om kwaliteitscontrole door het hele montageproces te bieden. Elk werkstation heeft twee teamleden om elkaar te steunen en interne controles op hun deel van het proces te bieden. Op een relatief kleine montagelijntje als deze voor de elektrische auto (75 monteurs in een General Motors-fabriek) kennen de werknemers elkaar allemaal, dus is er ook een grotere teamgeest die trots en samenwerking versterkt. Gevolglijk is de enige grote kwaliteitscontrole-operatie die het montageproces afsluit en bestaat uit een uitgebreide set tests en inspecties.

Uniek voor de productie van de elektrische auto, is de werking van de auto getest tijdens de laatste montage-stappen. De auto heeft geen uitlaatsysteem en emiteert geen gassen of verontreinigingen, dus na installatie van het batterijpakket en de aandrijvingseenheid kan de auto binnen in het fabriek gereden worden. Bewijs dat het product werkt verschillende stappen voordat het af is, is een geruststellende kwaliteitscheck.

Bijproducten/Afval

Er zijn geen bijproducten van de productie van elektrische auto's. Afval binnen de montagefabriek is ook minimaal tot niet-bestaand omdat onderdelen, componenten en subassemblies allemaal elders gemaakt werden. Afsnijselen en ander afval worden door deze leveranciers teruggewonnen, en de meeste zijn recycleerbaar.

De Toekomst

Elektrische auto's zijn van cruciaal belang voor de toekomst van de automobile-industrie en het milieu; de vorm die de elektrische auto uiteindelijk zal aannemen en de acceptatie door het publiek zijn echter nog onzeker. Verbruik van afnemende olievoorraden, zorgen over lucht- en geluidsvervuiling, en vervuiling veroorzaakt (en energie verbruikt) door verlaten auto's en de complicaties van het recyclen van benzine-auto's zijn alle drijvende krachten die lijken te duwen naar het succes van de elektrische auto.