'The Wheel' ™: nieuwe kansen voor elektrische ombouwauto

De kennis is er, de technische middelen liggen klaar

Een nieuwe kans dient zich nu aan voor een betaalbare elektrische auto voor gebruik in en om de stad. Zo'n betaalbare auto zal een bestaande, tot elektrisch voertuig omgebouwde auto worden, die na ombouw met een vrijwillige snelheidsbegrenzing tot 60 km/u en elektrisch remmen op de motor veel minder slijten. Op grond van tests, in de afgelopen zeven jaar gedaan bij De Twaalf Ambachten wordt uitgegaan van een levensduurverlenging van tenminste 300%. Een nieuwe toepassing op het gebied van een in Nederland ontwikkelde elektrische aandrijftechniek, 'The Wheel' ™, zal de elektro-auto in het stedelijk gebied concurrerend kunnen worden ten opzichte van de vervuilende diesel- en benzine-auto's. De elektrische auto kan bovendien een belangrijke extra bijdrage leveren in de vermindering van CO2-emissies als de benodigde elektriciteit verkregen kan worden uit een brandstofcel-aan-huis*. 'The Wheel' is het concept voor rechtstreekse aandrijving van het wiel, zonder tussenkomt van tandwielen, waardoor 40% energiewinst en halvering van accu-capaciteit en -gewicht binnen het bereik komt.

In april 2000 is patent verleend (inmiddels verkregen in meerdere landen) op 'The Wheel' : een rechtstreeks elektrisch aangedreven wiel met bijbehorend computer-gestuurd regelprogramma. Het patent is verleend aan ing. A. J. Heinen van het Nederlands/Amerikaanse bedrijf 'E-Traction'. De vinding wordt reeds enkele jaren toegepast in een waterturbine voor elektriciteitsopwekking van Nuon bij Staverden, sinds kort in een elektrische vorkheftruck en binnenkort in een kleine personenbus met automatische besturing voor vervoer van personen van een parkeerplaats naar een bekend recreatiebedrijf. De eerste proefritten zijn met succes gemaakt. Het concept is ook uitermate geschikt als aandrijfbron voor bestaande tot elektrisch voertuig om te bouwen auto's. Uitgangspunt voor het 'Wheel'-concept was de 3-fase synchroon tandwielloze liftmotor van de Duitse Ziehl Abegg fabriek, waarvan inmiddels ook een kleinere versie beschikbaar is gekomen, waarvoor een duo-motorontwerp voor inbouw in auto's gereed is.
Tot op heden kregen de meeste elektrische omgebouwde voertuigen, wegens een te hoog accugewicht na ombouw geen goedkeuring op basis van het bestaande kenteken en was een dure type-keuring nodig. De omgebouwde auto die met het systeem van 'The Wheel' wordt uitgerust kan echter dankzij een gegarandeerde energiebesparing van circa 40% met een veel geringer accugewicht toe en zal daardoor in stedelijke gebieden eindelijk concurrerend kunnen worden met de gangbare auto met explosiemotor.
In 2001 werd 'The Wheel' onderscheiden met de nationale 'Mechatronics Trophy', terwijl het concept in september 2002 de jaarprijs Aandrijftechniek verwierf.

Ongezond stadsklimaat vraagt om andere voertuigen!
Door de slechte luchtkwaliteit in en om de steden tengevolge van fijnstof uit dieselauto's is vervanging hiervan door emissieloze voertuigen dringend gewenst. Dankzij 'The Wheel' wordt ombouw van bestaande auto's tot elektrische stadsauto een economisch en ecologisch interessante optie. Na ombouw geldt voor deze voertuigen bovendien een aanzienlijke levensduurverlenging door geringere slijtage en ombouw zal een nieuwe impuls voor kleine technische bedrijven betekenen. De inschakeling van veel kleine bedrijven kan een snelle, voor de stedelijke volksgezondheid dringend gewenste, komst van emissieloze ombouwauto's bespoedigen.

Uitgebreid onderzoek, gedaan onder leiding van ing. Heinen (in het dagelijks leven directeur van het al vele jaren bestaande Apeldoornse bedrijf voor elektrische tractietechnieken SPI, nu het Nederlands/Amerikaanse bedrijf 'E-Traction') is vastgesteld, dat het 'Wheel'-principe niet alleen ingrijpend kan besparen op het energieverbruik, maar ook bij inbouw de versnellingsbak overbodig maakt. Dat dit mogelijk wordt is te danken aan een nieuw type synchroon elektromotor met grote rotordiameter, recentelijk geïntroduceerd in de lifttechniek. Dit motortype is gebaseerd op het toepassen van een zeer groot aantal sterke permanente magneten en een elektronisch aanstuur- en regelsysteem, dat de velden van de stilstaande ankerschijf automatisch bekrachtigt. Een vrij er omheen draaiende krans van permanente magneten, onderdeel van het wiel of via een vaste as daarmee verbonden, levert de tractiekracht. Hierdoor zal deze motor vanuit stilstand en vervolgens voortgaand met laag toerental met een ongekend groot koppel de benodigde kracht leveren om het voertuig in beweging en vervolgens in korte tijd op volle snelheid te brengen. De elektronisch geprogrammeerde aandrijving geschiedt zodanig, dat steeds de maximaal benodigde aandrijfkracht wordt geleverd zonder dat (bijvoorbeeld bij glad wegdek) slip kan optreden. De nieuwe wielmotor bestaat uit slechts enkele bewegende delen en is in praktisch elke omgeving onderhoudsvrij toepasbaar.
Net zoals bij reeds langer toegepaste elektrische tractiesystemen wordt ook bij dit type motor energie teruggewonnen tijdens het op de motor afremmen, waardoor het eigen remsysteem van het voertuig aanzienlijk minder slijt.

Ombouw bestaande auto
In nauwe samenwerking met het bedrijf 'E-Traction' wil de Stichting De Twaalf Ambachten, die vanaf 1995 experimenteert met tot elektrisch voertuig omgebouwde auto's, toepassing van het principe van 'The Wheel' in bestaande auto's bevorderen. De toe te passen ombouwtechniek levert dankzij een ruime ervaring van samenwerkende technici geen problemen meer op. Zodra het voor kleinere stadsvoertuigen zoals bestel- en personenwagens geschikte type duo-schijfmotor beschikbaar komt kan met de inbouw worden begonnen. Moderne wagens met voorwielaandrijving en schijfremmen zullen zonder ingrijpende aanpassing en met behoud van alle in het kentekenbewijs vermelde kenmerken, zoals maximum toegelaten leeg- of beladen gewicht, ongewijzigd remsysteem, enz., succesvol kunnen worden omgebouwd.
Met de helft aan accucapaciteit en dus ook gewicht kan voor stadsauto's een actieradius bereikt worden van minimaal 100 kilometer op een acculading. Het probleem met eerder omgebouwde auto's, die door het grote accugewicht niet zonder (dure) nieuwe type-keuring de weg op mogen, zal zich niet meer voordoen. De ombouw wordt ook aanzienlijk eenvoudiger omdat na verwijdering van de bestaande motor en de versnellingsbak veel meer inbouwruimte onder de motorkap vrijkomt, waardoor het zelfs mogelijk wordt een deel van de accubatterij boven de voortrein te plaatsen.

Het uittesten van 'The Wheel'-aandrijving in een proefconstructie-chassis voor een 'people mover' met automatische besturing.

'Heinencoëfficient'
Bij toepassing van een gangbaar type elektromotor als energiebron in een auto is een vermindering van het (hoge!) motortoerental bij wegrijden onontkoombaar, en daardoor was de in alle (dus ook in om te bouwen) auto's aanwezige versnellingsbak of vergelijkbaar toerenregelend systeem onmisbaar. Van meet af aan koesterde ing. Heinen de verdenking, dat zelfs de beste tandwieloverbrenging bij elektrische tractie erg veel energie kost. Metingen hebben hem dat keer op keer bevestigd.
Ter verduidelijking: de versnellingsbak in een moderne auto is gemaakt voor hoge maximum snelheden van zeg 160 km/u. De elektrische auto, zoals Heinen die in en om de stad zou willen zien rijden, hoeft echter niet sneller te gaan dan 60 km/u en is ook dus niet bedoeld voor de snelweg (en profiteert dan tevens van een verzekeringspremiekorting van 50%**). Een omgebouwde auto met een moderne, conventionele elektromotor kan dus niet zonder versnellingsbak om vooral bij de start voldoende trekkracht te leveren. Omdat een veel minder hoge snelheid van de elektro-stadsauto wordt verlangd zou een veel lichtere versnellingsbak al voldoende zijn, maar bij ombouw heb je die keuze niet! Maar zelfs al had je die wel, dan nog zou het helemaal weglaten van de tandwielkast groot voordeel opleveren.
Heinen kwam daar achter, toen hij een kleine nieuwe personenbus met conventionele elektromotor en accu's, een zogenaamde 'people mover' bestemd voor luchthaven Schiphol en afgekeurd omdat hij te weinig kilometers kon rijden op één acculading, systematisch ging doormeten. De bus werd ook opgekrikt, zodat de aandrijfwielen vrij konden draaien. De accustroom werd bij maximum toerental gemeten. Daar kwam 144 Ampère uit. Toen werd bij volle belasting en bij hoogste rijsnelheid de accustroom gemeten. De meter gaf toen 266 Ampère aan. Vervolgens deelde hij de eerste waarde (144) door de tweede (266) en verkreeg 0.54. De uitgangwaarde stelde hij 1 en trok daar 0.54 van af en verkreeg het getal 0.46. Vermenigvuldig deze waarde met 100 en je hebt het werkelijke rendement van het voertuig, 46%, heel slecht dus!
Deze nieuwe, door hem bedachte rekenmethode heet nu de 'Heinencoëfficient'. Hiermee is het snel en eenvoudig mogelijk ieder elektrisch voertuigrendement te meten, ook bij andere wijzen van aandrijving. Ing. Heinen kreeg recentelijk ook de kans een vergelijking te maken bij een elektrische Linde vorkheftruck, vóór en na ombouw met 'The Wheel'. De heftruck met een gewicht van 4,5 ton, aandrijfmotor met tandwielkast van 16 kW en een 80 V accu van 1250 Ah haalde een coëfficientgetal van 0.54. Na ombouw met twee rechtstreeks aangedreven wielen (principe 'The Wheel') haalde de truck een coëfficientwaarde van 0.84. Bedroeg de maximum rijtijd op één acculading eerst iets meer dan 7 uur, na ombouw met de wielmotoren kan de heftruck met dezelfde accu bijna 16 uur rijden! Het belangwekkende van de inmiddels gemaakte berekeningen bij diverse voertuigen is dat de uitkomst nauwkeurig voorspelbaar is en dat op grond hiervan kan worden gesteld, dat toepassing van het 'Wheel'-principe bij ombouw van bestaande auto's een gegarandeerd succes zal opleveren.

Elektrische vorkheftruck met 'The Wheel'-aandrijving.

Wanneer zal de eerste ombouwauto met 'Wheel'-aandrijving rijden?
De kennis is er, de computergestuurde regeling is er, de ervaring met voertuigombouw is er en zelfs de voor ombouw van stadsauto's bij uitstek geschikte 9 kW Ziehl Abegg liftmotor voor tandwielloze aandrijving is er, inclusief het duo-inbouwmotorontwerp. Zodra de eerste opdracht binnen is voor serie-ombouw van naar verhouding bescheiden omvang kan worden begonnen en komt een gezonder stadsklimaat binnen bereik!

* Bij Shell Nederland is al enige jaren een duurtest gaande van een voor woningen bestemde unit, die aardgas via waterstofgas omzet in elektriciteit, door middel van een brandstofcel. Deze mini-'warmte-krachtcentrale' levert naast elektriciteit ook voldoende restwarmte voor verwarming van het huis en levering van warm water. Elektriciteit aan-huis betekent het niet langer afhankelijk zijn van elektrische centrales en hoogspanningsleidingen en levert als zodanig een rendementswinst op van tientallen procenten (circa 90 procent t.o.v. circa 40 procent voor de elektrische centrale inclusief het elektriciteitstransport).

**De verzekeringsmaatschappij Interpolis verzekert een omgebouwde (goedgekeurde) elektro-auto met snelheidsbeperking tot 60 km/u op basis van een normale polis met no-claimkorting) voor de halve premie van hetzelfde type met explosiemotor.

December 2002
© Stichting De Twaalf Ambachten, Centrum voor ecologische technieken