Elbilsskolan: Så fungerar motorn i elbilar

Elmotorn i en modern elbil har väldigt lite att göra med elmotorn du hittar i din borrmaskin.

DC-likströmsmotor

Batterier har en plus- och en minuspol och lämnar ifrån sig likström. Därför borde det vara naturligt att använda likströmsmotorer i elbilar. Det är lätt att få snurr på en likströmsmotor – den ansluts bara till batteriet så börjar den snurra. Men det är svårt att reglera varvtalet på dem, speciellt om man vill göra det energieffektivt. Därför har inga elbilar förutom enkla hemmabyggen likströmsmotorer.

AC-växelströmsmotor

En växelströmsmotor är mycket svårare att få snurr på. Likströmmen från batterierna måste först omvandlas till växelström innan den kan matas till motorn. Omvandlingen kräver stora och dyra effekttransistorer i en växelriktare som klarar de höga spänningar och ström som finns i en modern elbil. Fördelen är att motorn då kommer rotera med samma varvtal som växelströmmen – ökar man frekvensen på strömmen ökar också motorn sitt varvtal.

Synkron växelströmsmotor

En synkron växelströmsmotor heter så för den roterar med exakt samma varvtal som frekvensen på växelströmmen den matas med. Den roterande rotorn mitt i motorn har stora starka permanentmagneter. När växelström förs in i spolarna runt den uppstår ett roterande magnetfält som drar med sig magneterna i rotorn och får den att snurra. Ju mer högfrekvent växelström motorn matas med, desto snabbare snurrar den, och därför kan motorns varvtal regleras otroligt exakt. Så gott som alla elbilar på marknaden idag har synkrona växelströmsmotorer.

Asynkron växelströmsmotor

Problemet med synkrona växelströmsmotorer är att de kräver extremt starka magneter för att bli kraftfulla. Det är inga kylskåpsmagneter precis som sitter i dem, utan speciella legeringar med sällsynta jordartsmetaller som förstärker magneternas styrka.

Nikola Tesla uppfann år 1887 en väldigt annorlunda elmotor. Den roterande rotorn mitt inne i hans motor hade inga spolar – inga magneter – den såg mest ut som en hamsterhjul av metall. Runt den fanns likadana spolar som i synkrona växelströmsmotorer.

När växelström leds ut i spolarna uppstår ett roterande magnetfält. Det magnetfältet inducerar ström i "hamsterhjulet" och den strömmen i sin tur inducerar ett magnetfält igen. Det behövs alltså inte några magneter i rotorn, och därmed inga sällsynta jordartsmetaller heller.

Motorn heter asynkron eftersom den inte roterar lika snabbt som magnetfältet runt den, utan lite långsammare. Styrningen av motorn blir mer komplicerad – men motorn blir enklare och mindre resurskrävande att tillverka.

Naturligtvis är det just Tesla Motors som har asynkrona växelströmsmotorer i sina bilar.

Överbelastning av motorn i en elbil

Elmotorer tål en viss mängd med mycket högre strömstyrkor – bara de får tillfälle att kyla ner sig. Finns det ordentlig kylning kan en elmotor tillfälligt överbelastas flera gånger sin nominella effekt. Därför brukar de flesta elbilar ha vattenkylda elmotorer.

Under till exempel "Ludicrous"-accelerationerna i Tesla Model S överbelastas bilens två elmotorer med drygt fyra gånger motorernas nominella effekt, vilket de tål i och med kraftig vattenkylning. Efter några minuters hårdkörning blir dock motorn för varm.

Mjukvaran begränsar då strömmen för att motorn får tillfälle att kylas ned. Det är därför Teslas bilar inte riktigt räcker till för bankörning.

Alla elbilar överbelastar sina elmotor tillfälligt vid kraftfulla accelerationer, dock i mindre omfattning än Tesla. Då klarar sig bilen med en klenare dimensionerad kylning av motorn.

Det är dock viktigt att betona att inget "slits" i elmotorer när de överbelastas. Kopparlindningarna i motorn blir varma, men så länge motorn kyls ned finns inget som tar stryk.

Acceleration i elbil

Det är svårt att greppa det mentalt först, men det är inte motorn i sig som avgör elbilens accelerationstakt. Elmotorns hastighet bestäms av frekvensen på växelströmmen den matas med. Ökad frekvens ger ökat varvtal – det vill säga acceleration. För att få en elbil att accelerera behöver växelriktaren generera växelström först med låg frekvens, sedan öka frekvensen undan för undan.

Själva växelriktaren kan generera växelström som går från noll till max varvtal på bråkdelen av en sekund, vilket skulle ge blixtsnabba 0–100-accelerationer. Nu kan dock inte motorn få upp sitt varvtal så snabbt eftersom den har en hel bil att få fart på.

Om frekvensen på växelströmmen ökar för snabbt, snabbare än vad motorn orkar hänga med i, börjar motorn slira – tappa varvtal och kraft precis när du absolut inte vill det. Det gäller alltså att öka frekvensen på växelströmmen precis lagom snabbt. Då blir accelerationen snabb men motorn orkar ändå alltid följa med i fartökningen.

Foto: Zureks/Creative Commons/Wikimedia

Att trimma en elmotor

Biltillverkare har alltid säkerhetsmarginaler. Elmotorerna överbelastas bara lagom mycket. Alla exemplar av motorerna, oberoende av tillverkningsvariationer, ska alltid hänga med i accelerationen. Allt detta styrs med mjukvaran.

Framtidens trimmade elbilar kommer inte ha dubbla förgasare och turboaggregat utan hackade mjukvaror som brassar på med mer ström till motorerna och ökar frekvensen på växelströmmen snabbare. Och bättre kylning av motorerna med större radiatorer – eller kanske flytande kväve?

Bromsar i elbilar

Precis som när motorn snurrar snabbare när frekvensen på växelströmmen ökar, snurrar den också långsammare när frekvensen sänks. Det blir som en väldigt kraftig motorbroms – det går att få samma bromskraft som vanliga bromsar på en bil. Väldigt många elbilar "fuskar" och motorbromsar när du trycker lätt på bromspedalen. Bara när du stampar pedalen i botten används de riktiga bromsarna.

Fördelen med att motorbromsa är att motorn då fungerar som en generator – magnetfälten i motorn börjar generera elektricitet som då leds omvända vägen tillbaka till växelriktaren som gör likström av den och laddar batterierna.

En genomsnittlig elbil kan ta tillvara ungefär 70 procent av bromskraften och använda den igen vid nästa acceleration. Det är därför elbilar passar så bra som stadsbilar – ryckig stadstrafik påverkar dem mindre när de kan återvinna sin bromsenergi. Åker du i nerförsbacke i Alperna kan du till och med komma fram med högre laddnivå i batteriet än när du startade!

Antisladdsystem och ABS-bromsar i elbilar

Ett elmotors varvtal kan regleras mycket exaktare och snabbare än varvtalet i en bensinmotor. Det gäller bara att justera frekvensen på växelströmmen som motorn matas med. Det kan göras flera hundra gånger i sekunden, och elmotorns varvtal följer efter. Därför är det enklare att göra system som antisladd och ABS på en elbil. Det finns ingen anledning att ha bromsar som kämpar mot bensinmotorn. En elbil kan gå direkt på källan och blixtsnabbt minska elmotorns varvtal om systemet till exempel märker att hjulen spinner loss.


Mer i Elbilsskolan

Del 1: Laddaren
Del 2: Batterierna
Del 3: Växelriktaren
Del 4: Motorn