Första 4x4 bränslecellsbilen med plug-in hybridteknik
I samband med Los Angeles Auto Show 2014 presenterades konceptbilen A7 Sportback h-tron..
I bränslecellsläge behöver A7 Sportback h‑tron quattro bara omkring ett kilo väte för att köra 100 kilometer – energiinnehållet är likvärdigt med 3,7 liter bensin. Tankkapaciteten innebär att bilen har en räckvidd på mer än 500 kilometer .
Tankningen går på bara några minuter, precis som för en bil med förbränningsmotor. Räckvidden kan förlängas med upp till 50 kilometer med hjälp av ett batteri med en kapacitet på 8,8 kilowattimmar. Batteriet laddas genom rekuperation eller via ett eluttag. Med plug-in hybridtekniken är det möjligt att köra kortare sträckor på enbart el och dessutom med extra räckvidd i reserv.
Den accelererar från 0 till 100 km/h på 7,9 sekunder och topphastigheten är 180 km/h. Räckvidden mer än 50 mil på en tank – och den släpper bara ut några droppar vatten: A7 Sportback h-tron quattro, som Audi lanserar på bilsalongen i Los Angeles drivs av bränslecellsteknik. Den arbetar tillsammans med ett hybridbatteri och en extra elmotor bak. Den totala elsystemeffekten på 230 hk överförs till både fram- och bakhjul, vilket gör utsläppsfria Audi A7 Sportback fyrhjulsdriven.
"H" i namnet h-tron betecknar det kemiska grundämnet väte. Konceptbilen som Audi visar upp på Los Angeles Auto Show ser ut som en vanlig Audi A7 förutom modellnamnet h-tron på höger bak. Tillsammans med e-tron och g-tron markerar tron-namnet att det handlar om en Audi med alternativ drivkälla. Till det yttre finns det inga andra tecken på att detta är en bil med bränsleceller som omvandlar väte till elström.
Den stora skillnaden hittar man under motorhuven på A7 Sportback. Bränslecellen i konceptbilen är monterad fram som i en A7 Sportback med konventionell förbränningsmotor. Eftersom avgassystemet bara behöver hantera vattenånga är det tillverkat av viktbesparande plastmaterial.
Själva bränslecellen består av 300 individuella celler som tillsammans bildar en enhet. Kärnan i var och en av dessa celler är ett polymerbaserat membran. På vardera sidan av membranet finns en platinabaserad katalysator.
Bränslecellen fungerar på följande sätt: Väte tillförs anoden, där det splittras till protoner och elektroner. Protonerna passerar genom membranet till katoden, där de reagerar med syret i luften och bildar vattenånga. Samtidigt leder elektronerna på utsidan av cellblocket elektrisk ström, beroende på laddningspunkt är spänningen för varje cell mellan 0,6 och 0,8 volt. Hela bränslecellen drivs i ett spänningsintervall på mellan 230 och 360 volt.
De viktigaste hjälpaggregaten består av en turboladdare som pressar in luft i cellerna, en s.k. cirkulationsfläkt som skickar tillbaka oanvänt väte till anoden och på så sätt ökar effekten, och en kylvätskepump. Dessa drivs med högspänning via bränslecellen. Ett separat kylkretssystem kyler ner bränslecellen. En värmeväxlare och ett termoelektriskt, självreglerande värmeelement ser till att det alltid är en behaglig temperatur i kupén.
Bränslecellen, som arbetar över ett temperaturområde på 80 grader Celsius, ställer högre krav på kylning av fordonet än motsvarande förbränningsmotor, men med en effektivitet på hela 60 procent - nästan dubbelt så mycket som en konventionell förbränningsmotor. Problemfri kallstart garanteras ner till -28 grader Celsius.
Unikt för A7 Sportback h‑tron quattro är plug‑in hybrid konceptet – en logisk vidareutveckling från de tidigare testade konceptbilarna Audi A2 H2 och Q5 HFC. I bilen finns ett litium-jon batteri, som kan laddas via en sladd till ett vägguttag. Det har en kapacitet på 8,8 kWh och finns redan i A3 Sportback e‑tron. Batteriet är placerat under bagageutrymmet och har ett eget kylkretssystem för värmestyrning.
Det högeffektiva batteriet fungerar perfekt tillsammans med bränslecellen. Det kan lagra energi vid bromsåtervinning och leverera tillräckligt med ström för att snabbt ge full laddning. Det skapar förutsättningar för en imponerande acceleration och gör att A7 Sportback h-tron quattro lever upp till förväntningarna på en quattro. Fram- och bakaxeln har inga mekaniska förbindelser för överföring av kraften. Vid halt väglag kan vridmomentet för de båda drivaxlarna styras elektroniskt och justeras kontinuerligt.
Vid batteridrift är räckvidden för Audi A7 Sportback h‑tron quattro 50 kilometer. Batteriet, som sitter i bakre delen av plug-in hybriden, kan laddas via en sladd till ett vanligt vägguttag. Beroende på spänning och strömstyrka tar det mellan två och fyra timmar att ladda batteriet fullt.
Batteriet arbetar på en annan spänningsnivå än bränslecellen. Därför finns det en DC-omvandlare (DC/AC) mellan de båda enheterna. Denna tri-port omvandlare är placerad bakom cellblocket och utjämnar spänningen, vilket gör att elmotorerna kan arbeta med en maximal effekt på hela 95 procent.
Kraftelektroniken fram och bak på bilen omvandlar likströmmen från bränslecellen och batteriet till växelström för elmotorerna så att dessa kan driva fram- och bakaxlar separat. De båda elmotorerna, som kyls ner av en lågtemperaturkrets och spänningsomvandlare, är permanentmagnitiserade synkronmaskiner. Var och en av dem ger en effekt på 85 kW, eller till och med 114 kW om spänningen ökas temporärt. Maximalt vridmoment är 270 Newtonmeter per elmotor. I elmotorernas höljen finns planetväxlar med en singelutväxling på 7,6:1. Mekaniskt parkeringslås och differential ingår också i systemet.
I Audi A7 Sportback h‑tron quattro finns eldrift i kombination med nya e-quattro. Den tysta gången märks redan från start och bränslecellen når sin maximala effekt inom en sekund vid full laddning – med mer dynamisk respons än från en förbränningsmotor eftersom hela drivsystemet bara omfattar ett fåtal mekaniska komponenter.
Audi A7 Sportback h-tron quattro, som har ett vridmoment på 540 Nm som är tillgängligt konstant och en vikt på bara 1 950 kilo, accelererar från stillastående till 100 km/h på 7,9 sekunder. Topphastigheten ligger på 180 km/h. E-quattro-konceptet kräver exakt koordination mellan elmotorerna. Konceptbilen ger en sportig, stabil och kraftfull körning, som kan jämföras med en serietillverkad bil med mekanisk fyrhjulsdrift.
En effektmätare, som ersätter varvräknaren på instrumentbrädan, informerar föraren om effektflödet. De yttre sektionerna visar bränslenivån i vätetanken och laddningsnivån i batteriet. Grafiska diagram på MMI-monitorn visar energiflödet. När föraren trycker på EV-knappen går konceptbilen endast på batteriet.
När man byter från automatväxelläge D till S ökas energiåtervinningen vid bromsning, så att batteriet laddas upp effektivt vid sportig körning. Utnyttjande av bromsarna sker också nästan alltid helt elektriskt. Elmotorerna arbetar då som växelströmsgeneratorer och omvandlar bilens rörelseenergi till elektrisk energi som lagras i batteriet. De fyra skivbromsarna utnyttjas endast vid extra kraftull inbromsning eller vid nödbromsning.
Tankluckan, som döljer ett aggregat för påfyllnad av väte, sitter på högra sidan av bilen. Full tankning med H2 tar cirka tre minuter, ungefär den tid det tar att tanka en vanlig bil. Tankarna kommunicerar med påfyllnadssystemet genom infrarött interface och jämnar ut tryck- och temperaturnivåer.
De fyra vätetankarna på Audi A7 Sportback h-tron quattro är placerade under bagageutrymmet, framför bakaxeln och i kardantunneln. Ett yttre hölje tillverkat av kolfiberförstärkta polymer (CFRP) skyddar det inre aluminiumskalet. Tankarna rymmer omkring fem kilo väte vid ett tryck på 700 bar – det är tillräckligt för en räckvidd på mer än 500 kilometer. Enligt NEDC-cykeln är bränsleförbrukningen ungefär ett kilo väte per 100 kilometer – ett energiinnehåll som ungefär motsvarar 3,7 liter bensin.
Genom att använda förnybart väte som bränsle säkerställs nollutsläpp även vid produktionen av vätgas. Sedan 2013 driver Audi en pilotfabrik i norra Tyskland där man använder förnybar vindkraft för att producera väte genom elektrolys. För närvarande genomgår vätet en extra produktionsprocess för att framställa syntetiskt metan, Audie-gas, som driver gasbilen g-tron. Men i framtiden skulle vätet kunna levereras direkt i ett nät till vätgasstationer för tankning av bränslecellsbilar. Det skulle då bli ett konkret bidrag till hållbar mobilitet med nollutsläpp.
