Väliraportti. Alkuperäinen tehtävänanto. Projektityö Fiat Doblo sähköauton kunnostaminen. Valvoja: Jorma Selkäinaho

Transkriptio

1 1 Väliraportti Projektityö Fiat Doblo sähköauton kunnostaminen Valvoja: Jorma Selkäinaho Tekijät: Kai Bredenberg Joel Saastamoinen Roope Savolainen Alkuperäinen tehtävänanto

2 Aalto yliopiston autolaboratorio osti muutama vuosi sitten kaksi vähän ajettua Fiat Doblo sähköautoa. Sähkömoottorin teho on 30 kw, jolla päästään ainakin 100 km/h nopeuteen. Mittarissa on noin 2000 km. Autoissa on käytetty 3,2 V LiFePO4 akkuja, joista suuri osa oli mennyt rikki kun autot saatiin Otaniemeen. Akun latausjännite on 4,0 V ja akun jännite ei saa koskaan laskea alle 2,5 V. Osa akuista on saatu kunnostettua ja projektityön tarkoituksena olisi kytkeä uudet akut auton battery management järjestelmään (BMS). Järjestelmän kanssa voi keskustella käyttäen sarjaportilla varustettua tietokonetta. Akkulaturin jännite on 216 V eikä laturi suostu lataamaan, jos yksikin akku on tyhjä. Akkuja on sarjassa noin kpl. Autojen kunnostamisesta on tehty diplomityö vuonna 2012 eli dokumentointi on hyvässä tilassa. Tehtävänä on siis kytkeä ehjät akut autoon ja tutustua auton akkujen balansointiin. 2

3 3 Sisältö 1. Johdanto 1.1 Tausta 1.2 Tavoitteet 1.3 Riskit 2. Projektin kulku 2.1 Aikataulu 2.2 Ongelmat 2.3 Muutokset 3. Toteutus 3.1 Turvallisuus, työskentelytilat ja välineet 3.2 Akkulaturi Akkulaturin toiminnan selvittäminen Uuden akkulaturin suunnittelu ja toteutus Laturin testaus 3.3 BMS Akkujen kunnostus ja asennus BMS toiminnan selvitys 3.4 Auton testaus 4. Tulokset 5. Yhteenveto ja johtopäätökset Lähteet Liitteet

4 4 1. Johdanto 1.1 Tausta Aalto yliopisto hankki muutama vuosi sitten kaksi vähän käytettyä Fiat Doblo sähköautoa. Fiat Doblo on konvergoitu sähköautoksi korvaamalla perinteinen polttomoottori 30kW sähkömoottorilla. Sähkömoottoria ohjataan taajuusmuuttajalla ja käyttöjännite varastoidaan akkupatteristoon, joka koostuu 3,2 V LiFePO4 akuista. Näistä akuista suurin osa oli mennyt rikki, kun auto hankittiin Otaniemeen. Osa näistä on kuitenkin saatu elvytettyä. Akkupatteriston ja moottoria käyttävän taajuusmuuntajan välistä toimintaa ohjaa akkujen hallinta järjestelmä (BMS). Sen tarkoitus pitää huolta että akkupatteriston akkuja kuormitetaan tasaisesti.tämän työn tarkoituksena on selvittää akkujen tila ja kytkeä ne auton BMS:ään. Lisäksi akkujen laturi olisi tarkoitus korjata ja lopuksi saada auto toimimaan. 1.2 Tavoitteet Akkulaturin toiminnan selvittäminen Uuden akkulaturin suunnittelu ja toteutus Laturin testaus Akkujen kunnostus Akkujen asennus BMS:n tutustuminen BMS:n säätäminen kuntoon Auton testaus Dokumentaatio 1.3 Riskit Tässä kappaleessa listataan projektiin liittyviä riskejä ja niiden hallitsemiseen liittyvät toimenpiteet. Riski 1: Joku projektiin osallistuvista keskeyttää kurssin. Välttäminen: Tehdään tarkka aikataulutus projektille ja sovitaan viikoittaiset projektin teko ajat. Tällöin projektiin kuluva aika on helpommin ennustettavissa. Toimenpiteet realisoituessa: Vähennetään projektin työmäärää karsimalla tavoitteita. Riski 2. Akut vioittuvat. Välttäminen: Tarkkaillaan akkujen jännitteitä säännöllisesti käytettäessä ja varmistetaan etteivät ne ylilataudu ladattaessa

5 5 Toimenpiteet realisoituessa: A) Etsitään korvaavia akkuja. Mikäli uusia akkuja ei löydy ja 200 volttiin ei päästä, varmistaan järjestelmän toimivuus ilman akkuja. B) Keskitytään enemmän laturin korjaamiseen. Riski 3. Laturin korjaaminen/uudelleen rakentaminen vie liikaa aikaa. Välttäminen: Aloitetaan laturin toimintaa perehtyminen hyvissä ajoin ja lähestytään sen toimintakuntoon saattamista pienin harppauksin. Aluksi luodaan laturista yksinkertaistettu piirikaavio, purkamalla laturi ja tunnistamalla pääkomponentit. Toimenpiteet realisoituessa: Hylätään laturien korjaaminen tai tähdätään suurempaan opintopistemäärään Riski 4. Laturin purkamisen yhteydessä häviää kriittisiä osia. Vältäminen: Säilytetään laturia osineen laatikossa. Siirretään pienimmätkin osat laturia purettaessa suoraan laatikkoon. Toimenpiteet realisoituessa: Hankitaan uusia osia tilalle tai käytetään osia toisesta rikkinäisestä laturista. Riski 5. Akkujen hallintajärjestelmä ei toimi ja vaatiikin paljon aikaa. Välttäminen: Tutustutaan järjestelmään hyvissä ajoin ja perehdytään sen toimintaa kirjallisuuden kautta. Toimenpiteet realisoituessa: Asetetaan BMS:än toimintakuntoon saattaminen etusijalle ja käytetään vähemmän aikaa laturien parissa.

6 6 2. Projektin kulku 2.1 Aikataulu 2.2 Ongelmat Akkulaturin toiminnan selvittäminen osoittautui haastavaksi ilman dokumentaatiota ja piirikaavioita Auton akut olivat yllättävän huonossa kunnossa, jonka johdosta akkuja jouduttiin kuljettamaan edestakaisin automaatio konelaboratorion ja Design Factoryn välillä Akkujen lataus oli hidasta koska käytössä ainoastaan pieni laturi ja akut irrotettava autosta erikseen. Osa BMS:n piirilevyistä oli rikki 2.3 Muutokset TODO:?

7 7 3. Toteutus 3.1 Turvallisuus, työskentelytilat ja välineet Työssä perehdyttiin sähkötöihin liittyviin riskeihin sekä määräyksiin [Sähköturvallisuus]. Kytkennöissä olimme erityisen huolellisia, koska akkupatteristosta oleva jännite voi olla jopa hengenvaarallinen.sähkötöiden vaarallisuuteen vaikuttaa auton johtava runko, ympäristön likaisuus ja kosteus sekä johdotuspaikkojen ahtaus ja sekavuus. Tämän takia asianmukaisten työkalujen ja varusteiden käyttö töissä on hyvin suositeltavaa. Kytkennöissä tulisi ottaa huomioon eristykset ja erotukset, jotta auton käyttäjä ei missään vaiheessa pystyisi edes vahingossa pääsemään kosketukseen vaarallisen jännitteen kanssa. Lisäksi suojauksessa tulisi ottaa huomioon lämpötila vaihtelut, tärinä ja jyskytys sekä kosteuden vaikutus. Eristys voidaan hoitaa esimerkiksi asianmukaisilla muovieristeillä ja isoloinnit elektroniikkapiirien optoilla. Ajoakun virtapiiri on oltava eristetty rungosta, jonka takia ajovirtapiirin vikoja ei voida valvoa perinteisellä vikavirtasuojauksen avulla. Lisäksi ajoneuvon kaikkien metallikoteloiden tulisi olla maadoitettuja auton runkoon. Sähköturvallisuus määräyksien mukaan autossa tulisi olla: Pääkytkin Hätäkatkaisin Asiallinen sulakemitoitus suhteessa osiin, kaapeleihin ja liittimiin Sopiva materiaali lämpenevien kohtien lähellä (erityisesti suurivirtaiset liitokset) Ketjuun kytkettyjen akkujen sarjassa on oltava sulakkeita monessa paikassa, jotta pitkää akkukennojen muodostamaa ketjua ei saa oikosuljettua ilman välissä olevaa sulakesuojaa Liitoksissa tulisi lisäksi huomioida että: Autossa kestää vain purkistusliitokset Johdotusten sitomiseen ja liitosten kiristämiseen on kiinnitettävä erityistä huomiota, jotta liitokset eivät aukeaisi tärinässä. Ruuviliitoksissa on oltava lukitus. Alumiinia ja kuparia ei saa suoraan liittää vaan on käytettävä siirtoliittimiä ja/tai asennusrasvaa.

8 8 Oheisessa taulukossa on eritelty vielä tarkemmin eri kohteiden turvallisuusvaatimuksia Työvälineet Työssä käytettiin eristettyä mutterinkiristäjää sekä hanskoja. Lisäksi käytössä oli yleismittari ja oskilloskooppi. Työskentely tilat: Suurin osa töistä tehtiin Start up Saunan tiloissa sekä automaatio laitoksen konelaboratoriossa. Erityisesti Start up Saunan tiloissa liikkuu paljon ihmisiä, joten asetimme auton läheisyyteen tarvittavat ilmoitukset vaarallisesta jännitteestä ja sähkötöistä. Töissä oli tärkeätä huomioida että liitosten vieressä ei ollut palovaarallista materiaalia

9 9 3.2 Akkulaturi Akkulaturin toiminnan selvittäminen Molemmat konelaboratorion akkulaturit olivat projektin alussa käyttökelvottomassa kunnossa. Latureille ei myöskään ollut saatavilla käyttöohjeita tai piirikaaviota, joten päätimme purkaa yhden laturin ja selvittää miten se olisi mahdollisesti voinut toimia. Kuvassa 1 näkyy akkulaturi ennen kuin piirilevyltä on otettu pois komponentteja. Kuvassa 2 osa komponenteista on otettu pois, jotta eri osien funktio on paremmin pystytty kartoittamaan. Vasemman puoleisessa kuvassa (kuva 1) näkyy laturi, josta on otettu suojakupu pois. Oikeanpuoleisessa kuvassa (kuva 2) piirilevyltä on otettu turhia komponentteja pois. Kuvassa 3 on hahmoteltu laturin suurinpiirteinen piirikaavio, jossa ei olla huomioitu esimerkiksi häiriö suojauksessa käytettyjä komponentteja.

10 10 Kuva 3. Laturin piirikaavio pääkomponenteilla Piirin keskeiset toimintalohkot näkyy kuvassa U: TODO: Kuva U Lohko A Tasasuuntaus Ensimmäisessä lohkossa kolmivaihe tulovirrasta suodatetaan pois häiriöitä eri suodatinpiirien avulla (käytössä näyttää olevan ainakin alipäästösuodatin ja kuristin (yhteismuotokuristin EMC??)). Suodatuksen jälkeen vaihtovirta kokoaaltotasasuunnataan dioidisillan yli. TODO: Syöttöjännite? Lohko B Välipiiri Välipiiri kostuu kondensaattori sillasta, jonka tarkoituksena on vähentää tasajännitteen aaltoisuutta. TODO: Kondensaattorien määrä ja kapasitanssi Lohko C Vaihtosuuntaus Välipiiriin jännitettä katkotaan sopivalla taajuudella IGB transistoreilla, joita on piirissä neljä kappaletta. Katkomisen seurauksena ensiöpuolen muuntajan läpi kulkeva virta muuttuu suhteessa aikaan. Tämä

11 11 synnyttää muuttuvan magneettivuon muuntajan rautasydämessä, jonka seurauksena virta siirtyy piiristä toiseen keskinäisinduktanssin välityksellä. Kaava 1 kuvaa käämin yli muodostuvaa jännitettä U, kun virta I muuttuu suhteessa aikaan t. L kuvaa käämin induktanssia Kaava 1 Kaava 2 kuvaa muuntosuhdetta, joka on yhtä suuri kuin käämien kierroslukujen suhde häviöttömässä muuntajassa. on ensiökäämin jännite, toisiokäämin jännite, ensiökäämin kierrosten lukumäärä, toisiokäämin kierrosten lukumäärä, on ensiökäämin virta ja toisiokäämin virta. Kaava 2 Kaava kolme kuvaa kelojen välistä keskinäisinduktanssia M, kun kaksi kelaa, kela A ( kierrosta) ja kela B ( kierrosta) ovat lähellä toisiaan ja keloissa kulkevat virrat ovat ja. Kaava 3, missä on kelan B läpi kulkevan virran synnyttämä magneettivuo kelan A yksittäisen kierroksen läpi. Vastaavasti on kelan A aiheuttama magneettivuo, joka läpäisee kelan B yksittäisen kierroksen. Keskinäisinduktanssi riippuu vain kelojen rakenteesta ja geometriasta. Kelojen toisiinsa indusoimat jännitteet virran muutoksen suhteen voidaan laskea kaava 4 käytämäällä.[wikipedia], Kaava 4, Lohko D Tasasuuntaus Muuntajasta tuleva vaihtovirta kokoaaltotasasuunnataan ja syötetään akkuille suodatuspiirin kautta.

12 12 Laturin ohjaus Pulssisuhde Laturin akkuille syöttämää virtaa voidaan ohjata säätämällä IGB transistoreiden pulssisuhdetta. Pulssisuhteella tarkoitetaan yleisesti jaksoa, jonka aikana signaali on päällä (tässä tapauksessa milloin IGBT johtaa) ja se voidaan ilmaista kaavan 5 avulla, jossa D on pulssisuhde, t1 aika jolloin signaali on päällä ja T koko jakson aika. Kuva 5 kuvaa signaalin käyttäytymistä koko jakson aikana. Suhde, jolloin signaali on 1. Kaava 5 Kuva 5 Kytkentätaajuus Kytkentätaajuus, määrä kuvassa 5 näkyvän jakson pituuden. Eli mitä korkeampi taajuus f sitä useammin jaksoja T tulee kuten kaavasta 6 näkyy: Uuden akkulaturin suunnittelu ja toteutus Koska olemassa olevalle säätöpiirille ei ollut saatavilla dokumentaatiota ja toimintalogiikka vaikutti vaikeahkolta, päätimme luopua sen käytöstä kokonaan. Tämän takia poistimme piirilevyltä kaikki komponentit, jotka liittyivät jollain tavalla ohjaukseen. Päätimme tehdä laturille oman yksinkertaisen ohjauskortin, jonka avulla pystyisi tuottamaan oikeanlaisen jännitteen sekä säätämään syöttövirtaa. Päällimmäinen haaste tässä oli oikean pulssisuhteen löytäminen virranrajoitukselle sekä sopivan kytkentätaajuuden selvittäminen. Pulssisuhteen määrittämistä varten mikropiirille otettiin sekä mittaus syöttövirrasta että akkupaketin jännitteestä. IGB transistorien kytkentätaajuus selvitettiin oskilloskoopin avulla luultavasti toimivasta laturista (kuva 7 ja 8)

13 13 Vasemmanpuoleisessa kuvassa (kuva 7) kytkentätaajuus selvitetään oskilloskoopin avulla. Oikeanpuoleisessa kuvassa (kuva 8) näkyy mittausvastus joka on kytketty laturiin. Eri pulssisuhteiden vaikutus syöttövirtaan selvitettiin simuloimalla LT Spice ohjelman avulla piiriä. Kuvassa 9,10 ja 11 näkyy simulointien tulokset. Kuvissa punainen käyrä kuvaa välipiirin jännitettä, sininen käyrä syöttöjännitettä ja vihreä käyrä syöttövirtaa. Kuva 9. Pulssisuhteen ollessa 10 % virta asettuu noin 10 A

14 14 Kuva 10. Pulssisuhteen ollessa 30 % virta asettuu noin 33 A Kuva 11. Pulssisuhteen ollessa 100 %. Virta asettuu noin 40 ampeerin tienoille Ohjauksen testausta varten tehtiin pieni prototyyppi, jonka avulla laturin toimintaa voitiin testata. Kuvassa 12 on ohjauspiirinkaavio.

15 15 Kuva 12 Ohjauspiirilevy kytkettynä laturiin

16 16 Kuva 13 Ohjauskortin piiirikaavio Laturin testaus TODO

17 BMS Akkujen kunnostus ja asennus Autossa käytetyt akut ovat ThunderSkyn lithiumrautafosfaattiakkuja (LiFePO4). Suurin osa akuista on suurempia 160 Ah akkuja ja loput ovat 90 Ah akkuja. Akkujen nimellisjännitteet ovat 3,2 ja niiden jännitealue 2,8 4,0 V. Valmistajan mukaan akkuja joiden jännitteet ovat laskeneet alle 1,5 V ei pitäisi pystyä enään käyttämään rakenteellisen vioittumisen takia. Tästä huolimatta J.Selkäinaho oli saanut joitakin tällaisia akkuja käyttökelpoiseen kuntoon. Akkujen rakenteellista vioittumista ei siis aina tapahdu alhaisilla jännitteillä. Rakenteellinen vioittuminen tarkoittaa käytännössä sitä että akkujen sisällä oleviin metallilevyihin tulee reikiä. Tämä näkyy pahimmillaan akkujen pullistumisena tai räjähtämisenä. Valmistajan mukaan yli ladattujen (5 10 V) LiFePO4 akkujen ei kuitenkaan pitäisi savuta tai syttyä palamaan. Alla kuva AS laitoksen konelaboratoriossa räjähtäneestä akusta. Kuvasta näkyy hyvin akun ohuista metallilevyistä muodostuva rakenne. Metallilevyjen välissä kiemurtelee valkoinen muovi eriste.

18 18 Miten voidaan varmistaa että rikkinäisten akkujen vaihto onnistuu turvallisesti mutta kuitenkin helposti Akkujen ja BMS:n parempi suojaus epäpuhtauksilta (Yleisenä vaarallisen korkean jännitteen osien suojauksena IP44 Erityiskohdissa IP65) Ylimääräistä akkujen kantelua AS laitoksen ja Desing Factoryn välillä aiheutui, kun akkuja jouduttiin lataamaan useampaan otteeseen AS laitoksen konelaboratoriossa. Autossa jo valmiina odottaneet, oletetustitäynnää olleet, akut olivatkin tyhjiä. Akut olivat tyhjentyneet auton seisoessa käyttämättömänä. Selvitimme mittaamalla BMS moduulien virrankulutuksen varmistaaksemme, että ne eivät tyhjennä akkuja. Testeistä selvisi, että toimettoman BMS moduulin läpi kulkee A virta. Tämä lopulta selitti ehjien akkujen tyhjenemisen, sillä auto oli seissyt käyttämättömänä noin puoli vuotta. Testataan tasaako BMS itsenäisesti akut tyhjiksi, jos yksi kolmesta moduulin kytketystä akusta on tyhtä. Toivottua on että täysien akkujen jännitteet eivät laske alle 2.9 V. BMS testi, (Akut järjestyksessä: tyhjä, täysi, täysi) V0 (klo. 9:30) V1 (klo. 11:40 ) (1.072) Kolmen akun ollessa kytkettynä yhteen BU moduuliin, kulkee piirin läpi 21,3 ma virta. Tällä virralla kolmen täyden akun tyhjenemiseen kuluu noin 940 päivää ( ( 3 * 160 Ah) A h )

19 BMS toiminnan selvitys Auton BMS järjestelmä huolehtii, että akut pysyvät toivotulla jännitealueella. Järjestelmä siis varoittaa mikäli akkujen jännite alkaa lähestyä alarajaa ja katkaisee virran ennen kuin akkujen jännite laskee jännitealueen ulkopuolelle. Samalla se estää akkujen ylilautauksen. BMS myös huolehtii akkujen tasaisesta kuormituksesta ja tasaa akkujen jännitteitä. Jännitteiden tasaaminen tapahtuu, jokaista kolmea akkua kohden olevassa BMS apuyksikössä (BU). Aalto yliopiston Doblon BMS toimii passiivisella periaatteella. Tämä tarkoittaa sitä että jänniteittä tasataan purkamalla korkeammassa jännitteessä olevia akkuja BU moduuleissa olevan kolmen vastuksen avulla. BMS:n tutustuminen BMS:n säätäminen kuntoon 3.4 Auton testaus

20 20

21 21

22 22 4. Tulokset 5. Yhteenveto ja johtopäätökset Lähteet Sähköturvallisuus: saehkoeturvallisuus Akut: Thunder Sky: Instruction Manual For LFP/LCP/LMP Lithium Power Battery. Saatavilla: ev.com/manuals/thundersky%20product%20manual.pdf Kytkentätaajuus = Liitteet