Sähkömönkijän voimansiirtojärjestelmän komponentit
Korjula, Toni (2019)
Kandidaatintyö
Korjula, Toni
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201903209498
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201903209498
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkittiin mönkijän voimansiirron sähkökonversion toteutusta mahdollisesti myöhemmin toteutettavaa projektia varten. Työssä kartoitettiin lain asettamia vaatimuksia sähkökäyttöiselle mönkijälle, sekä simuloitiin kahta mahdollista käyttöskenaariota mönkijän voimansiirrolta vaaditun suorituskyvyn selvittämiseksi. Simulointia varten mönkijään vaikuttavista lineaarisista voimista laadittiin malli ja sitä simuloitiin Simulink-ohjelmistolla. Saatujen tuloksien ja tehdyn selvityksen pohjalta valittiin olennaisimmat komponentit voimansiirtoon ja arvioitiin komponenteista aiheutuvia kustannuksia.
Simulointia käytettiin apuvälineenä mönkijän moottoritehon ja väännön mitoittamiseen. Tämä mahdollisti vaikuttavan kokonaisvoiman komponenttien arvioimisen, jolloin moottorin suorituskyky on mitoitettavissa tarkemmin kuin perinteisesti arvioimalla tai vastaaviin kulkuneuvoihin vertailemalla. Tarkemmalla mitoituksella pyrittiin pienentämään lopputuotteen kustannuksia.
Akuston valinnassa tärkeimmäksi tekijäksi muodostui sovelluskohteen rajallinen tila. Tästä syystä akuston energiatiheys oli merkittävin tekijä. Tehdyn selvityksen pohjalta päädyttiin litiumakustoon, vaikka sen suorituskyvyn todettiin heikkenevän enemmän kylmissä olosuhteissa kuin esimerkiksi lyijyakuston.
Litiumakuston valinta aiheutti tarpeen akustonhallinnalle, sillä monikennoiset litiumakustot voivat vikaantua ilman tasaavaa latausta. Akustonhallinnan käyttäminen mahdollistaa myös käytettävissä olevan kapasiteetin tarkkailun reaaliajassa, sekä akuston kunnonvalvonnan.
Moottorinohjaimen valinta rajautui suoraan valitun moottorityypin perusteella. Moottorityypiksi tarkasteltiin pääosin kestomagnetoituja vaihtovirta- ja tasavirtamoottoreita. Vaikka kestomagnetoidulla tasavirtamoottorilla olisi mahdollista tuottaa matalilla kierrosluvuilla kestomagnetoitua vaihtovirtamoottoria korkeampi vääntömomentti, vaihtovirtamoottorin tasaisempi ja laajempi vääntöalue, sekä suurempi huippukierrosluku johtivat sen valintaan.
Simulaatiotulosten ja tehdyn selvityksen pohjalta valittiin Electric Motorsportin G4845-konversiosarja, Sevcon G4 moottorinohjain, BMS16 akustonhallintajärjestelmä, sekä litiumakusto. Konversiosarjan kustannuksiksi arvioitiin 5830 USD ilman alennusvaihdetta, tai 6289 USD alennusvaihteen kanssa. Työssä esitetty konversiosarja pystyy kilpailemaan polttomoottorikäyttöisten verrokkiensa kanssa kaikilla muilla osa-alueilla, paitsi toimintamatkansa osalta. This paper examines the conversion of an All-Terrain Vehicle (ATV) to electric, for a possible project in the future. Research was conducted to find out what obligations the law presents to an electric ATV and a created model was simulated with two different scenarios to discover what kind of performance is demanded from the drivetrain. For simulation purposes a model was created that represents the linear forces acting on the ATV, and it was simulated with Simulink-software. Based on the results and the conducted research, components were chosen for the powertrain and an evaluation of the costs was made.
Simulation was used as a tool in evaluating the power and torque of the ATV. This allows evaluation of components of the total force, which in turn allows the performance of the motor to be specified more accurately than only by evaluating or comparing against similar vehicles. With more accurate analysis the cost of the end product could be lower.
The most important aspect in choosing the battery type was the limited space in the application. Because of this the deciding factor was the energy density of the battery type. Based on the research done lithium batteries were chosen, while acknowledging the worse performance in cold conditions compared to lead-acid batteries.
Lithium batteries require use of a battery management system, as multi-cell lithium batteries can be damaged without balanced charging. The use of battery management system also allows real time monitoring of the usable capacity and battery condition.
Selection of motor controller was limited by the chosen motor type. Motor type was mainly selected between permanent magnet alternating current and direct current motors. Even though permanent magnet direct current motors are able to produce greater torque on low
revolutions per minute than permanent magnet alternating current motors, the more even and wider torque range and greater top revolutions per minute were deciding factors for the alternating current motor.
Based on the simulation results and research Electric Motorsport’s G4845 conversion kit, Sevcon G4 motor controller, BMS16 battery management system and lithium batteries were proposed. The cost of said conversion kit was estimated to be 5830 USD without reduction gearing, or 6289 USD with reduction gearing. The proposed conversion kit is able to compete with its combustion engine counterparts on all other areas, except the maximum driving range.
Simulointia käytettiin apuvälineenä mönkijän moottoritehon ja väännön mitoittamiseen. Tämä mahdollisti vaikuttavan kokonaisvoiman komponenttien arvioimisen, jolloin moottorin suorituskyky on mitoitettavissa tarkemmin kuin perinteisesti arvioimalla tai vastaaviin kulkuneuvoihin vertailemalla. Tarkemmalla mitoituksella pyrittiin pienentämään lopputuotteen kustannuksia.
Akuston valinnassa tärkeimmäksi tekijäksi muodostui sovelluskohteen rajallinen tila. Tästä syystä akuston energiatiheys oli merkittävin tekijä. Tehdyn selvityksen pohjalta päädyttiin litiumakustoon, vaikka sen suorituskyvyn todettiin heikkenevän enemmän kylmissä olosuhteissa kuin esimerkiksi lyijyakuston.
Litiumakuston valinta aiheutti tarpeen akustonhallinnalle, sillä monikennoiset litiumakustot voivat vikaantua ilman tasaavaa latausta. Akustonhallinnan käyttäminen mahdollistaa myös käytettävissä olevan kapasiteetin tarkkailun reaaliajassa, sekä akuston kunnonvalvonnan.
Moottorinohjaimen valinta rajautui suoraan valitun moottorityypin perusteella. Moottorityypiksi tarkasteltiin pääosin kestomagnetoituja vaihtovirta- ja tasavirtamoottoreita. Vaikka kestomagnetoidulla tasavirtamoottorilla olisi mahdollista tuottaa matalilla kierrosluvuilla kestomagnetoitua vaihtovirtamoottoria korkeampi vääntömomentti, vaihtovirtamoottorin tasaisempi ja laajempi vääntöalue, sekä suurempi huippukierrosluku johtivat sen valintaan.
Simulaatiotulosten ja tehdyn selvityksen pohjalta valittiin Electric Motorsportin G4845-konversiosarja, Sevcon G4 moottorinohjain, BMS16 akustonhallintajärjestelmä, sekä litiumakusto. Konversiosarjan kustannuksiksi arvioitiin 5830 USD ilman alennusvaihdetta, tai 6289 USD alennusvaihteen kanssa. Työssä esitetty konversiosarja pystyy kilpailemaan polttomoottorikäyttöisten verrokkiensa kanssa kaikilla muilla osa-alueilla, paitsi toimintamatkansa osalta.
Simulation was used as a tool in evaluating the power and torque of the ATV. This allows evaluation of components of the total force, which in turn allows the performance of the motor to be specified more accurately than only by evaluating or comparing against similar vehicles. With more accurate analysis the cost of the end product could be lower.
The most important aspect in choosing the battery type was the limited space in the application. Because of this the deciding factor was the energy density of the battery type. Based on the research done lithium batteries were chosen, while acknowledging the worse performance in cold conditions compared to lead-acid batteries.
Lithium batteries require use of a battery management system, as multi-cell lithium batteries can be damaged without balanced charging. The use of battery management system also allows real time monitoring of the usable capacity and battery condition.
Selection of motor controller was limited by the chosen motor type. Motor type was mainly selected between permanent magnet alternating current and direct current motors. Even though permanent magnet direct current motors are able to produce greater torque on low
revolutions per minute than permanent magnet alternating current motors, the more even and wider torque range and greater top revolutions per minute were deciding factors for the alternating current motor.
Based on the simulation results and research Electric Motorsport’s G4845 conversion kit, Sevcon G4 motor controller, BMS16 battery management system and lithium batteries were proposed. The cost of said conversion kit was estimated to be 5830 USD without reduction gearing, or 6289 USD with reduction gearing. The proposed conversion kit is able to compete with its combustion engine counterparts on all other areas, except the maximum driving range.