Antispinn i elfordon – vad skiljer sig mot förbränningsmotorfordon?

Elektrifieringens påverkan på fordonsegenskaper är en aktuell fråga. Hittills har debatten i huvudsak handlat om påverkan av ökad vikt (från främst batteriet) vilket dels kan påverka fordonsegenskaper som kurvtagningsförmåga, dels ge högre krockvåld vid händelse av krock. Skillnaderna mellan förbränningsmotorfordon och laddbara fordon sträcker sig dock längre än fordonsvikt.

För några månader sedan skrev vi om batterielektriska bilar och däckslitage. En aspekt som dök upp då var att eldrivlinor eventuellt kan ha fördelar gentemot förbränningsdrivlinor i snabbare reaktioner för antispinnsystemet [1]. Vilket påstods ge lägre däckslitage men även förbättrade köregenskaper. Det fanns dock olika åsikter om så verkligen är fallet. Vi blev därför nyfikna att undersöka detta närmare. Dagens nyhetsbrev försöker reda ut skillnaderna i antispinnprestanda mellan förbränningsmotordrivlinor och eldrivlinor. Den tekniska utformningen av antispinnsystem är komplicerad. Dagens nyhetsbrev fokuserar därför mer på egenskaper än den underliggande teknologin.

Som bollplank har vi använt Lars Eriksson på Linköpings Tekniska Universitet som är professor i fordonssystem och Ivar Hammarstedt som arbetar på teknisk utveckling på Volvo Cars. Eventuella fel i texten nedan är dock helt författarens ansvar.

Antispinn bygger på styrning och omfördelning av vridmoment från motor och bromsar

Av intresse i detta nyhetsbrev är antispinn och inte antisladd vilket är ett annat typ av system som ska förhindra att fordonet får sladd eller ABS som är ett system som förhindrar att hjulen låses vid bromsning. De tre systemen samverkar för att ge bättre grepp och styrbarhet över fordonet för föraren.

Antispinnsystem ska förhindra att hjulen slirar. Den vanligaste engelska benämningen är Traction Control (TC) [2]. I grunden är principen enkel, systemet jämför rotationshastigheten på hjulet med fordonets hastighet [3]. Det drivande momentet på det slirande hjulet styrs då ner för att motverka/avhjälpa hjulspinn. Antispinnsystemets huvudsakliga funktion är att så snabbt som möjligt minska överflödigt vridmoment på drivhjulen [4].

I den mest välciterade vetenskapliga artikeln på området jämförs antispinn för förbränningsmotorer och eldrivlinor [4]. Artikeln är från år 1998 men ger en bra beskrivning över de teoretiska skillnaderna. Tre huvudsakliga metoder används av antispinnsystemet (förbränningsmotorfordon) för att förbygga/häva hjulspinn [4]:

• Motorkontroll: För att minska vridmomentet direkt på drivaxeln kan motorns vridmoment minska. Vanliga sätt är minskad tillförsel av luft och/eller bränsle och styrning av tändning.
• Bromskontroll: Bromsarna stoppar rotationen i hjulet. Vilket har mer auktoritet och kan bromsa mer jämfört med endast motorbroms [6].
• Missionskontroll: Överföring av vridmoment till det andra drivande hjulet (aktiv differential).

Teoretiska fördelar med eldrivlinor

Artikeln tar upp tre teoretiska antispinnssystemsfördelar för eldrivlinan jämfört med förbränningsmotordrivlinan: lägre kostnader, snabbare svarstid och enklare styralgoritmer [4].

Att minska en förbränningsmotors vridmoment kräver hårdvara i form av ställdon för att reglera exempelvis luft- och bränsleflöden [4]. I en eldrivlina går samma funktion att göra med mjukvara. I dagens förbränningsmotorfordon sker dock styrning alltmer av mjukvara och ställdonen är standard, vilket gör att skillnaderna är mer marginella idag jämfört med när artikeln skrevs för över 20 år sedan [6]. Det är vidare värt att notera att det kan krävas hårdvarukomponenter i styrboxen för att styra invertern i en eldrivlina. Men det kan skilja sig mellan olika fordonstillverkare och underleverantörer hur de utformar systemet [5].

Den kanske viktigaste fördelen för eldrivlinor i ett antispinnkontext enligt artikeln är snabbare svarstid [4]. I en förbränningsmotor tar det cirka 200 ms från det att ställdonet öppnas till att momentet ut från motorn utvecklats, till detta ska tilläggas en mekanisk tröghet vilket ökar responstiden ytterligare. Ett viktigt tillägg är att det går mycket snabbare att minska än att öka momentet i en förbränningsmotor, under rätt förutsättningar kan svarstiden vara betydligt lägre än 200 ms [6]. Samma funktion kan göras i en elmotor på under 10 ms [4].

Slutligen hävdar artikeln att eldrivlinan har en enklare styralgoritm då reglering av vridmoment kan göras exakt och omedelbar genom elektronik [4]. Förbränningsmotorn har en mer icke-linjär momentkurva vilket gör det mer komplext att styra och matematiskt modellera [4].

I praktiken kan skillnaden vara liten

Efter dialog med Lars Eriksson och Ivar Hammarstedt är det svårt att dra slutsatsen att eldrivlinor i praktiken har bättre antispinnegenskaper jämfört med förbränningsmotorversioner. Det finns väldokumenterade teoretiska fördelar för elmotorn i att snabbt kunna styra ner vridmoment. Men ett effektivt antispinnsystem handlar inte bara om motorstyrning. I ett förbränningsmotorfordon kan bromsarna och till viss del även omfördelning av vridmoment mellan drivhjulen vara effektiva sätta att häva hjulspinn [5].

Uttalanden om att antispinnsystemen i elfordon kan minska däckslitaget jämfört med förbränningsmotorfordon är därmed troligen överdrivet. Det kan även noteras att däckslitage sker marginellt vid hjulspinn. Däckslitage sker främst vid lägre nivåer av slip (vilket är den formella benämningen på glidrörelsen mellan däck och vägbana) [5, 6]. Faktum är att det krävs en viss slipnivå för att bygga upp momentum för framdrift [6]. Främsta orsaker till däckslitage är fordonsvikt och rådande friktion under normal körning [5]. Lars Eriksson lägger även till att kombinationen av slip och överförd kraft driver däckslitage, och att ökad fordonsvikt ökar både slip och överförd kraft [6].

Styrning kan ske annorlunda med ett elfordon

Även om det inte går att säga att antispinn i elfordon har bättre förutsättningar finns det intressanta skillnader i styrningen. Utan att gå in för mycket i detalj finns det potential i eldrivlinan att styra mer och snabbare med hjälp av korrigeringar i elmotorns vridmoment [5]. Har man t ex två elmotorer på drivande axel öppnar sig dramatiska möjligheter att momentstyra med elmotorerna och tona ned bromsingrepp och helt utesluta behov av aktiv differential [5]. Det är möjligt att nya strategier för antispinn har utvecklats med mer tonvikt på motorstyrning än styrning via bromsar och aktiv differential mellan drivhjulen.

Det bör även tilläggas att antispinn har olika utlägg och ställbarhet mellan olika fordonstillverkare då dess utformning påverkar bilens köregenskaper [5]. Exempelvis kan en bil som ska ha sportigare köregenskaper ges möjlighet till mer slip innan antispinnsystemet griper in och en bil med mer fokus på säkerhet ha en mer konservativ slipbegränsning [5].

Fokus i detta nyhetsbrev är på antispinn men det är värt att notera att eldrivlinan innebär nya förutsättningar även för utformningen av antisladd och ABS systemen. ABS systemet i ett elfordon måste även ta hänsyn till variabeln energiåtervinning (regenerativ bromsning) vilket ökar komplexiteten, speciellt för bakhjulsdrivna fordon [5].

Egen kommentar

Antispinn kommersialiserade redan på 1970-talet och är numera standard i de flesta större fordonsmarknaderna. En miniminivå har troligen etablerats och ett antispinnsystems egenskaper är sannolikt ingen viktig faktor i val av bil. Samma kan möjligen även sägas om antisladdsystem, vilket sedan år 2016 inte är med i säkerhetsbedömningen från Euro NCAP [7].

Avsaknaden av standardiserade och generellt applicerade (exempelvis genom Euro NCAP) antispinntester gör det svårt att dra slutsatser på faktiska skillnader mellan olika fordonstillverkare och drivlinor. Eldrivlinan har ett antal teoretiska fördelar som kan förenkla och förbättra antispinnsystemen men det är alltså oklart hur stora skillnaderna är i praktiken. Det förfaller därför lite förhastat att hävda att antispinnsystemen i elfordon kan minska däckslitage, speciellt när mycket av däckslitaget sker på lägre slipnivåer innan antispinnsystemen bryter in.

Jag vill tacka Lars Eriksson och Ivar Hammarstedt för hjälpen att navigera detta komplicerade ämne.

Referenser

[1] OmEV. 2023. länk

[2] Driving Electric. 2020. länk

[3] Viking Vägassistans. 2024. länk

[4] Hori, Yoichi, Yasushi Toyoda, and Yoshimasa Tsuruoka. ”Traction control of electric vehicle: basic experimental results using the test EV” UOT electric march”.” IEEE transactions on Industry Applications 34.5 (1998): 1131-1138. länk

[5] Intervju med Ivar Hammarstedt Volvo Cars. Februari 2024

[6] Intervju med Lars Eriksson Linköpings Universitet. Februari 2024

[7] Euro NCAP. 2024. länk