Zes innovatieve technieken voor actieradius verlenging in koude klimaten

De opmars van elektrische voertuigen (EV’s) is onstuitbaar, gevoed door een groeiend besef van het milieu en de ambitie naar duurzame mobiliteit. Cruciaal voor huidige en toekomstige EV-rijders is de actieradius, het aantal kilometers dat een EV op een volle batterij kan rijden. Dit speelt met name een rol in regio’s met koude klimaten. De impact van lage temperaturen op de batterijprestaties, met een intern verlies van circa 15% capaciteit, en de energiebehoefte voor verwarming kan de actieradius aanzienlijk reduceren, soms zelfs met 30% tot 40%. Dit verschijnsel, vaak aangeduid als actieradiusangst, belemmert de bredere acceptatie van elektrische auto’s.

De actieradius van een elektrische auto in de winter is essentieel voor het gebruiksgemak en de praktische inzetbaarheid. Dit geldt zeker voor mensen die dagelijks langere afstanden moeten afleggen, tot wel 200 kilometer enkele reis, of in minder bevolkte gebieden wonen waar oplaadpunten minder frequent aanwezig zijn. Het is van groot belang dat een auto, ook bij zeer lage temperaturen, de beloofde actieradius grotendeels kan waarmaken om betrouwbaarheid te waarborgen. Gelukkig zijn er diverse innovatieve energietechnieken ontwikkeld om de actieradius van elektrische voertuigen in koude klimaten te optimaliseren. Deze energie-efficiënte technieken richten zich op het beheer van de batterij, de energie-efficiëntie van de verwarming, en de verbetering van de aerodynamica.

E-mobility: geïntegreerde E-Warmtepomp systemen

Een van de meest effectieve manieren om de actieradius van een EV in de winter te verbeteren, is het gebruik van een e-warmtepomp. Anders dan traditionele elektrische kachels, die energie direct omzetten in warmte, onttrekt een warmtepomp warmte uit de omgeving en transporteert deze naar de cabine. Dit is veel efficiënter omdat er minder energie nodig is om dezelfde hoeveelheid warmte te leveren. Een e-warmtepomp kan tot 3 keer efficiënter zijn dan een conventionele elektrische verwarming, wat een aanzienlijke verlenging van de actieradius oplevert. Door deze verbetering kan de verwarming, wat circa 25% van de totale energieconsumptie vertegenwoordigt, drastisch worden gereduceerd.

De innovatie zit in de integratie van de e-warmtepomp in het gehele thermische management systeem van de auto. De e-warmtepomp verwarmt niet alleen de cabine, maar ook de batterij en de e-motor. Het systeem kan warmte die door de batterij of motor wordt gegenereerd hergebruiken om de cabine te verwarmen, of omgekeerd, warmte uit de cabine afvoeren om de batterij te koelen. Deze holistische aanpak zorgt voor een optimale energie-efficiëntie, minimaliseert energieverlies, en maximaliseert de potentiële actieradius. Dit kan resulteren in een besparing van wel 10% op het energieverbruik.

Voordelen van e-geïntegreerde warmtepomp systemen

• Sterk verbeterde energie-efficiëntie in vergelijking met elektrische verwarming: De e-warmtepompen verbruiken tot 70% minder energie dan traditionele elektrische kachels.
• Verbeterde actieradius in koude klimaten: Door efficiënter met energie om te gaan, kan de actieradius in de winter met 10% tot 20% worden verlengd.
• Reductie van CO2-uitstoot: Minder energieverbruik staat gelijk aan een kleinere ecologische voetafdruk, circa 800 kg CO2 per jaar.

Verschillende EV-modellen, zoals de Tesla Model Y Long Range en de Hyundai Kona Electric, zijn al uitgerust met geïntegreerde e-warmtepomp systemen. Tests laten zien dat de Model Y, dankzij de e-warmtepomp, tot wel 15% meer actieradius heeft in koude omstandigheden dan modellen zonder deze techniek. De Kona Electric profiteert eveneens van de efficiëntie van de e-warmtepomp, waardoor de actieradius in de winter minder daalt dan bij andere concurrenten. Dit betekent een effectieve actieradius van meer dan 350 kilometer, zelfs in de winter.

De ontwikkeling van e-warmtepompen staat niet stil. Momenteel wordt er onderzoek gedaan naar e-warmtepompen die nog efficiënter werken bij extreem lage temperaturen, tot -25 graden Celsius, bijvoorbeeld door het gebruik van CO2 als koelmiddel. CO2 heeft een hogere warmtecapaciteit dan traditionele koelmiddelen, waardoor de e-warmtepomp ook bij zeer lage temperaturen warmte kan onttrekken aan de omgeving.

Accu-techniek: geavanceerde batterijverwarming en batterijkoeling

Een van de belangrijkste factoren die de prestaties en levensduur van een EV-batterij beïnvloedt, is de temperatuur. Batterijen presteren optimaal binnen een bepaald temperatuurbereik, doorgaans tussen 20 en 40 graden Celsius. Bij lage temperaturen neemt de interne weerstand van de batterij toe, wat leidt tot een verminderd vermogen, een lagere actieradius, en een tragere laadsnelheid. Omgekeerd kunnen hoge temperaturen de batterij beschadigen en de levensduur reduceren. Daarom is een geavanceerd batterij temperatuurbeheer cruciaal voor de prestatie en de duurzaamheid van de batterij.

Er zijn verschillende innovatieve methoden voor batterijverwarming en koeling. Een hiervan is submersie koeling, waarbij de batterijcellen direct worden ondergedompeld in een diëlektrische koelvloeistof. Dit bevordert de warmteafvoer en een gelijkmatige temperatuurverdeling, wat de prestaties en levensduur van de batterij verbetert. Adaptieve voorverwarming is een andere innovatie, waarbij de batterij automatisch wordt voorverwarmd voordat de bestuurder vertrekt of een laadstation bereikt. Dit gebeurt op basis van GPS-data en actuele weersvoorspellingen. Tevens zijn er temperatuurgevoelige isolatiematerialen die hun isolatiewaarde aanpassen aan de omgevingstemperatuur voor optimale isolatie.

Voordelen van geavanceerde batterijverwarming en Accu-Koeling

• Optimaal batterijprestaties, ook bij lage temperaturen: Door de batterij op de juiste temperatuur te houden, kan de actieradius in de winter met 5% tot 10% worden verhoogd.
• Verlengde batterijlevensduur: Temperatuurbeheer beschermt de batterij tegen potentiele schade en verlengt de levensduur met 20% tot 30%.
• Snellere laadtijden in koude omstandigheden: Een voorverwarmde batterij kan tot wel 30% sneller worden opgeladen, zelfs bij lage temperaturen.

Bedrijven als StoreDot en Tesla investeren in de ontwikkeling van geavanceerde batterijverwarming en koeling techniek. Tesla’s Supercharger netwerk past geavanceerde voorverwarmingstechnieken toe, waardoor laadtijden significant verkorten. StoreDot focust op batterijen die extreme snellaadtechnologie ondersteunen, en tevens een superieure temperatuurregulatie bezitten. Dit resulteert in een snellere laadtijd van 10 tot 80% in slechts 15 minuten.

Momenteel wordt er onderzoek gedaan naar solid-state batterijen, die een grotere tolerantie voor temperatuurschommelingen hebben. Solid-state batterijen hebben een hogere energiedichtheid, zijn minder gevoelig voor temperatuurschommelingen en hebben een langere levensduur. Dit maakt het een veelbelovende technologie voor de toekomst van e-mobility.

Smart energy: slimme energiebesparingsmodi

Software en algoritmen spelen een steeds grotere rol in het optimaliseren van de energieconsumptie van een EV. Door het analyseren van data, en door de systemen van de auto intelligent aan te sturen, kan de energie-efficiëntie sterk worden verbeterd. Dit resulteert in een grotere actieradius, en een lager energieverbruik per 100 kilometer.

Een voorbeeld van een slimme energiebesparingsmodus is predictieve energiebeheer. Dit systeem analyseert data over de rijstijl van de bestuurder, routeplanning, weersomstandigheden en verkeersinformatie om de energieconsumptie te optimaliseren. Het systeem kan de snelheid aanpassen, de regeneratieve remming optimaliseren en de verwarming uitschakelen wanneer dit niet noodzakelijk is. Intelligentere stoel- en stuurverwarming is eveneens een innovatie. In plaats van de gehele cabine te verwarmen, wordt de warmte gericht op de stoelen en het stuur. Ook geoptimaliseerde verwarming van de voorruit, waarbij enkel de ijsvorming wordt bestreden, reduceert het energieverbruik.

Voordelen van smart energy technologie

• Significante reductie van de energieconsumptie: Slimme energiebesparingsmodi kunnen het energieverbruik met 10% tot 15% reduceren.
• Verbeterde actieradius met behoud van comfort: De bestuurder ondervindt minimale hinder van de energiebesparingsmaatregelen, en profiteert van een grotere actieradius.
• Personalisatie van energiebesparingsinstellingen: De bestuurder kan de instellingen naar wens aanpassen.

Verschillende EV-modellen zoals de BMW iX en de Mercedes EQS implementeren slimme energiebesparingsmodi. De BMW iX maakt gebruik van een predictief energiebeheersysteem dat de route analyseert, en de energieconsumptie optimaliseert gebaseerd op de verwachte rijomstandigheden. De Mercedes EQS is voorzien van intelligente stoel- en stuurverwarming die de warmte automatisch aanpast aan de behoeften van de inzittenden, gebaseerd op een algoritme.

De integratie van AI in energiebesparingsalgoritmen is veelbelovend. AI kan algoritmen continu verbeteren op basis van de feedback van de bestuurder, en de data die door de auto wordt verzameld. Dit resulteert in een efficiënter energieverbruik, en een grotere actieradius. Hierdoor kan, afhankelijk van de rijstijl, de actieradius met circa 5 tot 7% worden verhoogd.

Vehicle design: aerodynamische optimalisatie

Luchtweerstand is een belangrijke factor die de energieconsumptie van een EV beïnvloedt, voornamelijk bij hogere snelheden. Hoe lager de luchtweerstand, hoe minder energie de auto verbruikt om een bepaalde snelheid aan te houden. Aerodynamische optimalisatie is een belangrijk aspect in het ontwerpen van EV’s. Zo kan een gestroomlijnd ontwerp leiden tot een besparing van ongeveer 8% op het energieverbruik.

Er zijn verschillende manieren om de aerodynamica van een EV te verbeteren. Een hiervan is actieve aerodynamica, waarbij beweegbare elementen, zoals spoilers en flaps, worden gebruikt om de luchtweerstand te verminderen afhankelijk van de snelheid en rijomstandigheden. Bij een snelheid van 120 kilometer per uur kan een spoiler automatisch worden uitgeschoven om de luchtweerstand te reduceren en de stabiliteit te verbeteren. Geoptimaliseerde wielontwerpen, die de luchtweerstand minimaliseren, dragen eveneens bij aan een betere aerodynamica. De verlaagde luchtweerstandscoëfficiënt (Cd) is een belangrijke indicator voor de aerodynamische efficiëntie.

Voordelen van een aerodynamisch design

• Verminderde luchtweerstand: Een lagere luchtweerstand resulteert in een lager energieverbruik, voornamelijk bij hogere snelheden.
• Verbeterde actieradius: Door de luchtweerstand te reduceren, kan de actieradius op de snelweg met 5% tot 10% worden vergroot.
• Betere stabiliteit en handling: Aerodynamische optimalisatie bevordert de stabiliteit en handling van de auto.

De Mercedes EQS is een voorbeeld van een EV met een bijzonder lage Cd-waarde van 0,20. Dit draagt bij aan de actieradius van 770 kilometer. Andere modellen, zoals de Tesla Model 3, hebben ook een lage Cd-waarde van 0,23. Dit resulteert in een hoger aantal kilometers per lading, en een groter rijbereik.

Er wordt continu onderzoek gedaan naar nieuwe materialen en coatings om de luchtweerstand verder te minimaliseren. Coatings kunnen de luchtstroom langs de auto gladder maken, wat de luchtweerstand nog verder reduceert, en tot wel 3% extra rijbereik opleveren.

Comfort & isolatie: isolerende materialen en Isolatie-Techniek

Goede isolatie is cruciaal voor het behoud van de temperatuur in de cabine. Door warmte binnen te houden in de winter, en buiten te houden in de zomer, kan de behoefte aan verwarming en koeling worden gereduceerd. Dit resulteert in een lager energieverbruik en een grotere actieradius. Een goed geïsoleerde auto kan tot 12% meer rijbereik genereren.

Er zijn innovatieve manieren om de isolatie te verbeteren. Geavanceerde isolatiematerialen in de wanden, het dak en de vloer van de auto voorkomen warmteverlies. Dubbelglas ramen, vergelijkbaar met huisramen, minimaliseren eveneens warmteverlies. Thermo-elektrische generatoren (TEG’s) kunnen warmte omzetten in elektriciteit. TEG’s kunnen restwarmte van de e-motor, omzetten in elektriciteit.

Voordelen van comfort & isolatie

• Verminderde behoefte aan cabineverwarming: Goede isolatie kan de behoefte aan verwarming met 20% tot 30% verminderen.
• Verbeterd comfort: Goede isolatie creëert een stabielere temperatuur in de cabine.
• Efficiënter energieverbruik: Door de behoefte aan verwarming en koeling te verminderen, kan de energie efficiënter worden ingezet.

Veel EV’s, waaronder modellen van Polestar, maken gebruik van aerogel om de isolatie te verbeteren. Aerogel is een lichtgewicht materiaal met een hoge isolatiewaarde, en een minimale impact op het totale gewicht. Daarmee is aerogel een effectieve manier om het totale comfort in de auto te verbeteren, en de actieradius te vergroten.

Momenteel is er onderzoek naar zelfherstellende isolatiematerialen. Deze materialen kunnen kleine beschadigingen zelf herstellen. Dit verzekert de isolatiewaarde van de cabine. Hiermee kan de levensduur van de isolatie, en de effectiviteit ervan, aanzienlijk worden vergroot.

Rem-techniek: regeneratief remmen optimalisatie

Regeneratief remmen wint energie terug tijdens het afremmen. In plaats van de remenergie te verliezen, wordt deze omgezet in elektriciteit, en teruggevoerd naar de batterij. Regeneratief remmen verhoogt de efficiëntie, en verlengt de actieradius. In de winter kan regeneratief remmen problematisch zijn, bijvoorbeeld door gladheid of een lage batterijtemperatuur. Door regeneratief remmen slim in te zetten kan de actieradius tot 16% worden verhoogd, dit is afhankelijk van de rijomstandigheden.

Er zijn innovatieve manieren om regeneratief remmen te optimaliseren. Een hiervan is het gebruik van aangepaste remalgoritmen. Het systeem past de intensiteit van het regeneratieve remmen aan op basis van de wegcondities, en de temperatuur van de batterij. Op een gladde weg zal het systeem minder regeneratief remmen toepassen om slippen te voorkomen. Hybride remsystemen, een combinatie van regeneratief remmen en frictieremmen, bieden uitkomst. De frictieremmen worden automatisch ingeschakeld op een gladde weg. Tevens kan de verwarming van de remblokken ijsvorming op de remmen voorkomen.

Voordelen van regeneratief remmen

• Efficiënte energieterugwinning: Geoptimaliseerd regeneratief remmen kan meer energie terugwinnen, ook bij lage temperaturen.
• Betere veiligheid en stabiliteit: Aangepaste remalgoritmen verzekeren een veiliger remgedrag op gladde wegen.
• Minder slijtage aan de frictieremmen: Regeneratief remmen reduceert de belasting van de frictieremmen.

Diverse EV-fabrikanten implementeren diverse strategieën voor regeneratief remmen. Tesla maakt gebruik van een adaptief systeem dat de intensiteit van het regeneratieve remmen aanpast gebaseerd op de wegcondities, en de temperatuur van de accu. Dit systeem is gebaseerd op de technologie die in de Tesla Model 3 wordt gebruikt, en is daarmee uitermate veilig.

Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar manieren om regeneratief remmen te integreren met slimme rijhulpsystemen (ADAS). ADAS kan de remkracht optimaliseren gebaseerd op de verkeerssituatie, en de aanwezigheid van obstakels. Dit verhoogt de veiligheid en de efficiëntie van het remmen, waardoor de auto in staat is de best mogelijke remprestaties te leveren.