Ajoneuvojen ja työkoneiden sähköisen voimansiirron kehittäminen Loppuraportti Sami Ruotsalainen Metropolia Ammattikorkeakoulu 26. maaliskuuta 2012 Tiivistelmä Tässä loppuraportissa kuvataan Metropolia Ammattikorkeakoulun ja sen yhteistyökumppanien vuosina 2009-2011 toteuttama Tekesrahoitteinen Ajoneuvojen ja työkoneiden sähköisen voimansiirron kehittämishanke ja sen keskeiset tulokset. Hankkeessa kehitettiin ja toteutettiin täydellinen sähköinen voimansiirto, jonka merkittävimmät kehityskohteet olivat sähkömoottorit, invertterit, voimansiirron ohjausjärjestelmä ja näiden integrointi ajoneuvoon. Hankkeessa kehitettyä voimansiirtokokonaisuutta demonstroitiin Metropolia AMK:n E- RA sähköautossa useissa kansainvälisissä tapahtumissa ja kilpailuissa.
Sisältö 1 Johdanto ja hankkeen kuvaus 4 1.1 Hankkeen taustat......................... 4 1.2 Hankkeen tavoitteet........................ 5 1.3 Hankkeen osakokonaisuudet................... 6 1.4 Hankkeeseen osallistuneet tahot................. 6 1.5 Hankkeen aikataulu........................ 7 1.6 Hankkeen johtoryhmän kokoonpano............... 7 1.7 Hankkeen henkilöstö....................... 8 2 Hankkeen sisältö ja tulokset 9 2.1 Voimansiirtokonsepti....................... 9 2.2 Moottorit............................. 9 2.3 Invertterit............................. 10 2.4 Akku................................ 11 2.4.1 Akunhallintajärjestelmä................. 14 2.4.2 Akuston tuuletus..................... 16 2.5 Järjestelmien integrointi ajoneuvoon............... 17 2.5.1 HV-järjestelmä...................... 17 2.5.2 Jäähdytysjärjestelmä................... 18 2.5.3 Sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmä............ 19 2.5.4 12V-sähköjärjestelmä................... 19 2.6 Pikalataus............................. 19 2.7 Suorituskyky ja energiankulutusmittaukset........... 21 2.8 Turvallisuus............................ 24 2.8.1 Sähköturvallisuus..................... 24 2.8.2 Toiminnallinen turvallisuus................ 26 2.9 EMC mittaukset......................... 27 2.10 Julkiset demonstraatiot...................... 28 3 Muutokset alkuperäiseen suunnitelmaan 28 4 Hankinnat 29 5 Hankkeen julkaisut 30 2
6 Hankkeen vaikutukset 31 6.1 Osaamisen kehittäminen..................... 32 6.2 Verkostojen ja ekosysteemin muodostumisen tuki....... 32 6.3 Välittömät vaikutukset...................... 32 6.4 Tulosten hyödyntäminen..................... 32 7 Hankkeen johtopäätökset, suositukset ja ehdotus jatkohankkeiksi 33 Appendices 36 A Altairnano 50 Ah litium-titanaattikennon datalehti 36 B Hankkeessa toteutetun ajoneuvon HV piirikaavio 39 C Hankkeessa toteutetun ajoneuvon ohjausjärjestelmäkaavio 41 3
1 Johdanto ja hankkeen kuvaus Tässä loppuraportissa kuvataan Metropolia Ammattikorkeakoulun ja sen yhteistyökumppanien vuosina 2009-2011 tekemä Tekes-rahoitteinen Ajoneuvojen ja työkoneiden sähköisen voimansiirron kehittämishanke ja sen keskeiset tulokset. Hanke on toteutettu osana TransEco-tutkimusohjelmaa (tieliikenteen energiansäästö ja uusiutuva energia). 1.1 Hankkeen taustat Sähköinen propulsio on selvästi yleistymässä ajoneuvojen ja työkoneiden voimansiirtoratkaisuna uusien tuotesukupolvien myötä. Tällä hetkellä sähköinen propulsio yleistyy perinteisen polttomoottorin ja mekaanisen voimansiirron tukena ns. hybridiratkaisun muodossa. Useimmat ajoneuvojen hybridivoimansiirrot ovat vielä rinnakkaishybridejä (Toyota, Honda, Daimler, BMW, VAG, GM), joissa sähkömoottorien teho on vain osa polttomoottorin tehosta. Markkinoilla on kuitenkin jo sarjahybridejä, joissa propulsio on kokonaan sähkömoottoreiden varassa. Tästä esimerkkejä ovat GM Volt ja Fisker Karma, jonka kokoonpano tehdään Valmet Automotiven tehtaassa Uudessakaupungissa. Viimeksi mainitut ovat lisäksi nk. Plug-in eli lataushybridejä, joihin voidaan siis perushybrideistä poiketen myös ladata energiaa sähköverkosta. Myös puhtaita akkusähköautoja on jo tullut ja tulossa markkinoille - ensimmäisinä merkittävinä tekijöinä Mitsubishi, Nissan ja Tesla. Kevyiden ajoneuvojen propulsion sähköinen osuus on siis kasvussa ja samanlainen trendi on odotettavissa myös raskaissa ajoneuvoissa ja osassa työkoneita. Suomessa on erittäin vankka sähkövoimatekniikan, sähkökäyttöjen ja elektroniikan osaaminen sekä tätä osaamista teollisesti menestyksekkäästi hyödyntävä klusteri, jonka tuotteita ovat mm. taajuusmuuttajat, moottorit, generaattorit, vaihteistot, hissit, tuulivoimalat, trukit, kuormankäsittelylaitteet ja monet tehoelektroniikan sovellukset. Maailmanlaajuinen autoteollisuus on tulevaisuudessa merkittävä tämän alan teollisuuden tuotteiden ostaja. Tätä taustaa vasten Metropolia Ammattikorkeakoulussa käynnistettiin vuonna 2007 sähköajoneuvokehitys ja vuoden 2009 alussa tässä raportoitava Ajoneuvojen ja työkoneiden sähköisen voimansiirron kehittämishanke. Raportoitava hanke tukeutuu sen rinnalla käynnissä olleen Metropolia Ammattikorkeakoulun Electric RaceAbout ERA-sähköajoneuvohankkeen tuloksiin. ERA-hanke on toteutettu yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Lahden muotoiluinstituutin kanssa pääosin suomalaisen elinkei- 4
noelämän tuella. Metropolia AMK:n autolaboratoriolla, jonka juuret ovat Helsingin AMK Stadian ja sitä edeltävän Helsingin Teknillisen oppilaitoksen autolaboratorioissa, on yli 20 vuoden kokemus prototyyppiajoneuvojen ja näihin liittyvän tekniikan kehittämisessä. Näiden vuosien aikana on syntynyt projektiopetuksen mallia hyödyntäen yli 12 erilaista ajoneuvoa, joista CityCab, RaceAbout ja viimeisimpinä ERA ovat myös Suomessa tieliikenteeseen rekisteröityjä. 1.2 Hankkeen tavoitteet Hankkeen tavoitteet kuvattiin hankesuunnitelmassa seuraavasti: Projektin päätavoitteena on kehittää ajoneuvojen ja työkoneiden sähköistä propulsiota kokonaisuutena sisältäen: ajomoottorit, sähkökäytöt, ajoneuvon propulsion ohjausjärjestelmän, akuston, akuston lataus- ja hallintajärjestelmän ja tarvittavan jäähdytysjärjestelmän. Kehitettävää järjestelmää demonstroidaan kokonaisuutena Metropolia Ammattikorkeakoulun ERA-sähköajoneuvossa. Hankkeen toisena päätavoitteena on osoittaa suomalaiselle teollisuudelle ajoneuvojen ja työkoneiden sähköiseen propulsioon liittyvä liiketoimintamahdollisuus sekä löytää tähän liittyviä kehittämis- ja tutkimuskohteita jatkoa varten. Tuotettavalla ajoneuvolla tutkitaan ja demonstroidaan sähkökäyttöisen ajoneuvon potentiaalia pikalataukseen yhdistettynä. Tähän liittyvät tulokset ovat kolmen hankkeeseen sitoutuneen yrityksen päätavoite tässä hankkeessa. Toteutettavalla demonstraattorilla tutkitaan jatkohankkeissa komponenttien ja järjestelmien optimointia, sähkökäyttöisen ajoneuvon ohjausjärjestelmiä ja ajoneuvon energiankulutusta sekä laboratorio että todellisissa olosuhteissa. Toteutettua demonstraattoria hyödynnetään myös erillisessä hankkeessa tutkittaessa polttokennoa ajoneuvon range extender sovelluksessa. Hankkeen tavoitteena on myös kehittää Metropolia Amk:n osaamista sähkökäyttöisten ajoneuvojen komponenttien ja järjestelmien suunnittelussa. Hankkeen koulutuksellisiin tavoitteisiin kuuluu hankkeessa toimivien opiskelijoiden kouluttamisen lisäksi opetustoiminnan kehittäminen vastaamaan tämän päivän haasteita kehittämällä edelleen projektiopetusta ja mahdollistamalla opiskelijoiden kansainvälisyyteen kasvaminen ulkomaisen järjestelmätoimittajan kanssa työskentelyn kautta. 5
1.3 Hankkeen osakokonaisuudet Hankkeeseen kuuluivat seuraavat osakokonaisuudet: 1. Ajoneuvo- ja työkonekäyttöön sopivien suoravetokestomagneettimoottoreiden kehittäminen ja prototyyppien valmistaminen 2. Teollisuussähkökäyttöön perustuvan ajoneuvo- ja työkonekäyttöön soveltuvan invertterin kehittäminen 3. Ajoneuvo- ja työkonekäyttöön sopivan akkuratkaisun valinta 4. Moottorien, sähkökäyttöjen ja akuston testaus laboratoriossa 5. Moottorien ja sähkökäyttöjen integrointi demonstraatioajoneuvoon 6. Akuston integrointi demonstraatioajoneuvoon 7. Pikalatausaseman pääkomponenttien valinta, hankinta ja käyttöönotto 8. Ajoneuvon sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmän kehittäminen 9. Sähkömoottorien, sähkökäyttöjen ja akuston jäähdytysratkaisun kehittäminen 10. Demonstraattorin suorituskyky- ja energiankulutusmittaukset 11. Ajoneuvon, sen järjestelmien ja pikalatauksen demonstrointi julkisesti 1.4 Hankkeeseen osallistuneet tahot Hankkeen toteuttamiseen osallistuivat seuraavat tahot: Metropolia Ammattikorkeakoulu (projektin koordinointi, järjestelmien integrointi, demonstraatioajoneuvon rakentaminen) Lappeenrannan teknillinen yliopisto (sähkömoottorien suunnittelun verifiointi) Vacon Oyj (sähkökäytöt) Axco Motors Oy (sähkömoottorien valmistus) Fortum Oyj (pikalatausaseman käyttöönotto) 6
Hanketta rahoittivat: Tekes Fortum Oyj Valmet Automotive Oy Sandvik Mining and Construction Oyj St1 Oy Ensto Electric Oy Hanketta tukivat työllään ja materiaaleilla: IWS International (12V sähköjärjestelmä) Elektrobit Automotive (prototyyppiohjainlaitteet ja ohjelmistonkehitystyökalut) Patria Land & Armament Oy VTI Technologies Oy 1.5 Hankkeen aikataulu Tekes myönsi hankkeelle hakemuksen mukaisesti rahoituksen ajalle 1.3.2009-30.6.2010. Muun muassa akkupaketin toimittajan viiveistä johtuen hanketta ei saatu vietyä päätökseen ennen koko kesän 2010 kestänyttä Automotive X Prize-kilpailua Yhdysvalloissa. Tästä kilpailusta johtuen hankkeessa toteutettu ajoneuvo oli poissa Suomesta yli kuuden kuukauden ajan ja siksi hankkeen johtoryhmä esitti hankkeelle vuoden jatkoaikaa Tekesille. Jatkoaika myönnettiin ja hanke toteutettiin 1.3.2009-31.5.2011 välisenä aikana. 1.6 Hankkeen johtoryhmän kokoonpano Hankkeen johtoryhmän kokoonpano oli: Ari Talvenheimo, Patria Land & Armament, puheenjohtaja Martti Korkiakoski, Tekes Eero Vartiainen, Fortum 7
Hannu Saren, Vacon Markus Hirvonen, Valmet Automotive Kari Lindholm, Sandvik Mining and Construction Tommi Vilenius, VTI Technologies Nils-Olof Nylund, VTT, TransEco-ohjelman johtaja Jari Suominen, St1 Matti Rae, Ensto Electric Erik Sucksdorff, Elektrobit Automotive Juha Pyrhönen, LUT Asko Parviainen, Axco Motors Sami Ruotsalainen, Metropolia AMK Harri Santamala, Metropolia AMK Risto Salminen, Metropolia AMK 1.7 Hankkeen henkilöstö Hankkeesta vastaavana jontajana on toiminut Metropolia AMK:n johtaja Risto Salminen. Hankkeen projektipäällikkönä on toiminut lehtori Sami Ruotsalainen. Hankkeessa ovat työskennelleet Harri Santamala, Jari Savolainen, Heikki Hakala ja Matti Valovirta Metropolia AMK:n henkilökunnasta ja Ilkka Karvonen, Tuomo Kinnunen, Joona Sirkiä, Janne Männistö, Ville Eskelinen, Otto Pietikäinen, Arttu Kautonen, Juuso Pahlstén, Joonas Sainio, Panu Kyytsönen, Kalle Villberg, Jaakko Haatanen, Marko Häkkinen, Juho Konola ja Eero Korhonen Metropolia AMK:n opiskelijoista. Lappeenrannan Teknillisessä Yliopistossa hankkeessa ovat työskennelleet professori Juha Pyrhönen, Janne Nerg, Marko Rilla ja Jussi Kauppila. Tämän lisäksi Fortum OYj:ssä, Axco Motors OY:ssä ja Vacon Oyj:ssä on tehty hankkeeseen liittyvää työtä. 8
2 Hankkeen sisältö ja tulokset 2.1 Voimansiirtokonsepti Hankkeessa on toteutettu ajoneuvon sähköinen nelimoottorikäyttö, joka on aikanaan valittu Metropolian E-RA sähköauton voimansiirtokonseptiksi. Neljä pyöräkohtaista moottoria mahdollistavat ajoneuvossa: 1. monipuolisen ajodynamiikan säädön sekä veto- että jarrutusvääntömomenteilla 2. regeneratiivisen jarrutuksen molemmilla akseleilla 3. pyöräkohtaisen jarrutuksen ja vetotilanteen luiston säätämisen 4. vapaamman tilankäytön 5. urheiluautolle riittävän suorituskyvyn Koska vetotilanteessa tarvitaan painonsiirron takia suurempi vääntömomentti takapyörille ja vastaavasti jarrutustilanteessa etupyörille, päädyttiin käyttämään samakokoisia moottoreita jokaisella pyörällä. Suoravetomoottoreilta vaaditun suuren vääntömomentin johdosta moottorien painon ei katsottu mahdollistavan napamoottoreiden käyttöä ja hankkeessa todettiin parhaaksi toteuttaa suoravetomoottorit, jotka asennetaan ajoneuvon runkoon ja jotka on kytketty suoraan vetoakselin välityksellä pyöriin. Kuvista 1 ja 2 käy ilmi vetomoottoreiden sijoittelu auton etu- ja takapäässä. 2.2 Moottorit Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto ja Metropolia AMK suunnittelivat yhteistyössä ajoneuvokäyttöön soveltuvat suoravetosähkömoottorit, jotka valmisti Axco Motors Lappeenrannassa. LUT teki moottoreille tarvittavat mittaukset ja haki niille tarvittavat parametrit säätöä varten yhteistyössä Vaconin kanssa. Moottoreille asetettiin alussa suunnittelutavoitteeksi tehollinen 250 Nm vääntömomentti kierrosalueella 0-2000 rpm. Lyhytaikainen (noin 10-20s) huippuvääntömomenttitavoite oli 3-4 kertaa nimellinen vääntömomentti. Tavoitteena oli saavuttaa tämä huippuvääntömomentti koko kierroslukualueella ilman kentänheikennystä. Tavoitemassa koko moottorille oli 50 kg. 9
Kuva 1: Havainnekuva etuvoimansiirron komponenttien sijoittelusta Suunnittelussa LUT:n vastuulla oli moottorin sähkömagneettinen- ja lämpösuunnittelu jota tekivät Juha Pyrhönen, Janne Nerg ja Marko Rilla. Metropolia AMK vastasi moottorin mekaniikkasuunnittelusta, vesijäähdytysratkaisusta, laakeroinnista ja pyörimisnopeusanturista. Janne Männistö teki moottorien mekaniikkasuunnittelun Pekka Hautalan ja Sami Ruotsalaisen ohjauksessa ja kirjoittaa aiheesta insinöörityötään. Axco Motors valmistutti moottorien komponentit ja teki moottorien kääminnän sekä kokoonpanon. Moottoreissa tarvittavat kestomagneetit hankittiin Neorem Magnets Oy:stä. Kuvassa 3 näkyy moottorin loppukookoonpanovaihe, jossa roottoria asennetaan staattorin sisään. Pyrhönen ja Nerg ovat kuvanneet suunniteltujen moottorien parametrit LUT:n dokumentissa [1]. Taulukkoon 1 on kopioitu tärkeimmät parametrit tästä dokumentista. Moottorien testitulokset julkaistaan myöhemmin osana Marko Rillan LUT:ssa tekemää väitöskirjaa. 2.3 Invertterit Vacon Oyj valmisti hankketta varten akkukäyttöön soveltuvat invertterit. Invertterit muokattiin Vacon NX taajuusmuuttajasta mm. koteloimalla laite osin uudestaan. Vacon kehitti ja toimitti inverttereille myös akkukäyttöön soveltuvan oh- 10
Kuva 2: Havainnekuva takavoimansiirron komponenttien sijoittelusta jelmiston, jota kehitettiin edelleen projektin aikana lisäämällä siihen muutamia uusia ominaisuuksia ja sallimalla käyttäjälle lisää säätöparametreja. Vacon ja LUT hakivat moottoreille alkuvaiheessa perusparametrit, joita Metropolia yhdessä Vaconin kanssa tarkensi hankkeen loppuun asti. Kuvassa 4 näkyvät etumoottorien invertterit asennettuna auton keulalle. 2.4 Akku Hankesuunnnitelmassa esitettiin ajoneuvokäyttöön soveltuva akusto hankittavaksi Aerovironment Inc. nimiseltä yritykseltä Kaliforniasta. Kyseinen yritys on toiminut sähköajoneuvoalueella pitkään ja muun muassa kehittänyt aikanaan GM:lle EV-1 auton prototyypin. Aerovironmentilla oli jo hanketta suunnitellessa kokemusta sähköajoneuvoihin ja erityisesti pikalataukseen erinomaisesti soveltuvista litium-titanaattiakuista ja lisäksi aktiivinen asiakassuhde näitä kennoja valmistavaan Altairnano nimiseen yritykseen Nevadassa. Litium-titanaattikenno mahdollistaa erittäin suuren lataustehon eli pikalatauksen noin kymmenessä minuutissa. Lisäksi kenno omaa myös markkinoiden parhaan syklikeston ja pienen sisäisen resistanssin myötä hyvän hyötysuhteen sekä hyvin laajan toimintalämpötilaikkunan, jotka ovat energiaja tehotiheyden ohella tärkeimmät sähkökäyttöisen ajoneuvon tai työkoneen 11
Kuva 3: Hankkeessa kehitetty moottori loppukokoonpanossa akuston valintaparametrit. Nämä ominaisuudet saavutetaan korvaamalla grafiitti akkukennon negatiivisella elektrodilla litium-titanaatilla. Litium-titanaatin käyttö laskee kuitenkin akkukennon napajännitteen noin 2.3 V tasolle ja tästä johtuen myös kennon sisältämä energia jää merkitävästi alhaisemmaksi muihin litium-ioniakkuihin verrattuna. Hankkeessa toteutettuun ajoneuvoon valittiin Altairnanon 50 Ah akkukenno, joita saatiin pakattua ajoneuvoon yhteensä 286 kappaletta konfiguraatiossa 143s2p, eli 143 kennoa sarjaan ja 2 rinnan kytkettynä. Käytetyn akkukennon datalehti liitteessä A ja koko akuston tarkemmat tiedot taulukossa 2. Aerovironment suunnitteli akkumodulit erikseen tätä hanketta varten. Moduleja tarvittiin ajoneuvon tilaratkaisujen takia kahta eri kokoa, 23 kennon moduli ja 14 kennon moduli. Ajoneuvossa akkumodulit on koottu kolmeksi akkupaketiksi. Neljä 14 kennon modulia muodostavat keskiakkupaketin, joka on sijoitettu ajoneuvon istuinten välissä olevaan keskitunneliin. Tämän akkupaketin kokonaismassa kytkentäkaapeleineen on 130 kg ja ulkomitat millimetreinä 1360x245x302. Ajoneuvon penkkien takana on päällekäin 12
Taulukko 1: Moottorien tärkeimpiä parametreja Kokonaisaktiivimassa m tot 38.1 kg Ulkohalkaisija D o 420 mm Pituus L a 180 mm Lämpenemänopeus maksimivirralla dt/dt 17 K / 10 s Maksimivääntö @ 300 A T max 750 Nm Nimellisvääntö @ 100 A T n 250 Nm Nimellisnopeus n n 1000 1/min Nimellisteho P n 24.7 kw kaksi akkupakettia, joissa on viisi kappaletta 23 kennon akkumodulia kussakin. Nämä kaksi akkupakettia painavat kytkentäkaapelit mukaanluettuina 245 kg kumpikin. Pakettien ulkomitat millimetreinä ovat 1390x323x324. Kuvasta 5 käy ilmi akkumodulien sijoittelu ajoneuvoon. Modulien rungot on valmistettu alumiinista ja ne on koottu ruuviliitoksin. Kuvassa 6 on pienempi akkumoduleista. Akkukennojen tarvitsema puristus on saatu aikaan solukumilevyjä käyttämällä. Kunkin akkumodulin päälle on asennettu akunhallintajärjestelmän mittakortit, jotka on kytketty johtimin jokaisen akkukennon kumpaankin terminaaliin. Modulit kootaan ajoneuvoa varten kolmeen akkupaketiin, jotka on koteloitu omiin laatikoihinsa. Laatikot on valmistettu komposiittimateriaaleista käyttäen sisä- ja ulkopinnassa sähköä johtamatonta aramidikuitua ja näiden välissä hiilikuitua. Hartsina on käytetty palonkestävää materiaalia. Kuvassa 7 näkyvät penkkien taakse asennettavat akkupaketit ilman kansia. Modulien perussuunnittelu on osoittautunut toimivaksi, mutta toteutuksen huolellisuudessa olisi ollut parantamisen varaa. Akkumoduleista löytyi metalliosia kuten aluslevyjä ja metallin työstössä syntyneitä lastuja. Kaikkia näitä ei löydety ajoissa ja ne ovat ehtineet aiheuttaa kennopussin puhkeamisen. Nämä puhkeamat on kuitenkin teipattu umpeen kaptonteipillä, eikä niiden ole toistaiseksi havaittu vaikuttavan kennon kapasiteettiin. Myös itse akkukennoissa on ollut muutama kennon suojapussin saumassa ilmennyt vuoto, jotka johtuvat ilmeisimmin valmistusvirheistä. Lisäksi akunhallintajärjestelmän mittausjohtoja on irtoillut huonojen juotosliitosten takia ja yksi kennon terminaalin hitsaus on pettänyt. Alumiinilevyille tehdyt juotokset on saatu korjattua kohtalaisen helposti ja hajonnut hitsaus on korjattu aluminin 13
Kuva 4: Etukäyttöjen invertterit asennettuna autoon laserhitsauksella Länsirannikon koulutus Oy WinNova:ssa. 2.4.1 Akunhallintajärjestelmä Aerovironment toimitti akkumodulien kanssa itse kehittämänsä akunhallintajärjestelmän, joka oli valmiiksi sovitettu käytetylle kennotyypille ja jonka piti myös toimia saumattomasti yrityksen valmistaman pikalatauslaitteen kanssa. Akunhallintajärjestelmä koostuu keskusyksiköstä ja akkumoduleihin integroiduista mittakorteista. Mittakortit mittaavat yksittäisten kennojen jännitteet ja noin joka toiseen kennoon kytketyn tunnistimen lämpötilan. Keskusyksikkö mittaa akuston virran ja ohjaa kontaktoreita sekä toimittaa ajoneuvolle CAN-väylään 400 ms välein seuraavat operointia varten tarvittavat mittaustiedot ja näistä lasketut suureet: akuston virta akuston jännite 14
Taulukko 2: Akuston tärkeimpiä parametreja Kennojen lukumäärä n cell 286 kpl Kennotyyppi ja konfiguraatio C035-0023-050 143s2p Nominaalijännite U nom 329 V Kapasiteetti Ah 100 Ah Energiasisältö kw h 32.6 kwh Jatkuva teho P nom 200 kw Huipputeho P max 330 kw Sisäinen resistanssi R s 40 mω Kennojen massa m cell 460 kg Kokonaismassa m tot 620 kg Kokonaistilavuus V tot 391 l Gravim. energiatiheys V tot 52.6 Wh/kg Volym. energiatiheys V tot 83.4 Wh/l akuston varaustila (SOC, State Of Charge) suurin kennolämpötila pienin kennolämpötila suurin kennojännite pienin kennojännite akuston kapasiteetti akuston kunto (SOH, State Of Health) kontaktorien tila akuston viat akuston varoitukset sallitun lataustehon (SOP, State Of Power - Charge) sallitun purkutehon (SOP, State Of Power - Discharge) 15
Kuva 5: Akkumodulien sijoittelu ajoneuvoon Näistä akuston kapasiteetti ja SOH lukemia ei ole hyödynnetty toistaiseksi, sillä niiden määrittelyistä ei ole saatu riittävää tietoa. Akunhallintajärjestelmä osoittautui täydeksi raakileeksi ja on aiheuttanut jatkuvasti ongelmia. Järjestelmän ohjelmisto ei ole toivonut odotetulla tavalla ja mm. CAN väylä ja SOC laskenta ovat toimineet epäluotettavasti. Tämän lisäksi akkumodulien mittakorteissa on ollut epäonnistunut komponenttivalinta, joka on aiheuttanut näiden erittäin hankalasti vaihdettavissa olevien osien vikaantumista ja järjestelmän osittaista halvaantumista. Myöskään järjestelmän kommunikaatio pikalatausaseman kanssa ei ole toiminut. Mittakorttien modifiointi on tätä kirjoittaessa saatu valmiiksi ja näin ollen pikalatauksen kokeilut ovat taas mahdollisia. 2.4.2 Akuston tuuletus Litium-titanaattikennovalinta aiheutti huonon gravimetrisen ja volymetrisen energiatiheytensä takia akun massan ja tilavuuden kasvamisen lähes kaksinkertaiseksi verrattuna esimerkiksi litium-polymeerikennoista koottuun saman energiamäärän varastoivaan akustoon. Tästä ja ajoneuvon rajallisista tiloista johtuen akustolle ei saatu toteutettua minkäänlaista jäähdytystä vaan ainoastaan kennojen tuuletus. Litium-titanaattikennojen hyvä hyötysuhde kuitenkin vähentää jäähdytyksen tarvetta, jonka lisäksi akuston suuri massa sitoo huomattavan määrän lämpöä. Rakennetulla ajoneuvolla on havaittu, 16
Kuva 6: 14 kennon alumiinista rakennettu akkumoduli ja akunhallintajärjestelmän mittakortti että pelkkä tuuletusratkaisu on ollut riittävä, jopa Alpeilla ajetun sähköautorallin ja Nürburgring Nordschleife-radalla ajetun rataennätyksen aikana. Tämän voidaan katsoa pätevän henkilöautokokoluokan sähköautoille. Raskaassa kalustossa, työkoneissa ja hybrideissä työsyklit ja näin ollen myös jäähdytystarve ovat huomattavan erilaiset. 2.5 Järjestelmien integrointi ajoneuvoon Metropolia on vastannut hankkeessa järjestelmien integroinnista ajoneuvoon. Tämä käsittää voimalinjan ohjausjärjestelmän, voimalinjan jäähdytysjärjestelmän, korkeajännitejärjestelmän, 12 V-matalajännitejärjestelmän, mittaristototeutuksen ja hidaslatauksen ohjauksen. 2.5.1 HV-järjestelmä Ajoneuvon korkeajännite- eli HV-järjestelmä perustuu Aerovironmentin BMS järjestelmän edellyttämään arkkitehtuuriin, jossa akku kytketään tilanteen mukaan joko lataus- tai ajojännitekiskoihin. Ajokiskosta syötetään kaikki 17
Kuva 7: Taka-akkupaketit neljä ajomoottoria ja 12 V-järjestelmän tarvitsevan energian tuottava DCDC muunnin. Latauskiskoon puolestaan kytkeytyvät pikalatauspistoke ja 3.3 kw hidaslaturi. Suoraan akkuun on kytketty vain jännitteen mittaukset ja maavuotojen valvontalaite. Jussi Kauppila on tehnyt LUT:ssä aiheesta diplomityön[2]. HV-järjestelmän kytkentäkaavio on liitteessä B. 2.5.2 Jäähdytysjärjestelmä Ajoneuvoon suunniteltiin ja toteutettiin neljä vesijäähdytyspiiriä. Kussakin piirissä on yhden pyörän moottori, kyseistä moottoria ajava invertteri sekä jäähdytin ja vesipumppu. Oikean puolen etumoottorin piirissä on lisäksi DCDC muunnin. Jokaisessa piirissä on lämpötila-anturi jonka perusteella 12 Vsähköjärjestelmä ohjaa kyseisen piirin pumppua ja jäähdyttimen yhteydessä olevaa tuuletinta. Jäähdytyksen ohjaukseen on kaavailtu tulevaisuudessa lisättävän myös ajonopeus ja moottorin kuormitustieto. Neljään jäähdytyspiiriin päädyttiin yksinkertaisen ja varmatoimisen rakenteen takia. Ratkaisulla pyritään varmistamaan sama jäähdytysveden lämpötila ja jäähdytysteho jokaiselle sähkökäytölle. Vaihtoehtoinen ratkaisu olisi voinut olla molempien etukäyttöjen yhdistäminen yhteen jäähdytyspiiriin ja molempien takakäyttöjen toiseen piiriin. 18
2.5.3 Sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmä Ajoneuvon nelimoottorikäytön ohjaus on toteutettu puhtaalla vääntömomenttiohjausperiaatteella. Ohjainlaite on tyyppiä EB6120, johon on asennettu AD-DA-Counter laajennuskortti. Kyseessä on Elektrobit Automotive GmbH:n ajoneuvojen prototyyppitoteutuksia varten suunnitelema sulautettu tietokone. Ohjainlaitteen ohjelmointi tapahtuu täysin mallipohjaisesti Simtools GmbH yrityksen toimittamilla Matlab/Simulink ympäristössä toimivilla työkaluilla. Yleisellä tasolla kuvattuna ohjainlaite lukee kuljettajan operoimilta hallintalaitteilta kuljettajan ohjaukset sekä auton antureilta ja toimilaitteilta ajoneuvon tilan ja laskee näiden perusteella vääntömomenttipyynnöt kaikille neljälle sähkökäytölle. Lisäksi ohjainlaite syöttää tietoa CAN-väylän kautta ajoneuvon muille laitteille mukaan lukien mittaristo, 12 V-ohjausjärjestelmä ja tiedonkeruulaitteisto sekä hoitaa muun muassa DC-DC muuntimen ohjauksen. Kaavio ohjausjärjestelmätoteutuksesta liitteessä C. 2.5.4 12V-sähköjärjestelmä 12 V-sähköjärjestelmä on toteutettu suomalaisen IWS International Oy:n hajautetulla ja älykkäällä ohjausjärjestelmällä. Autoon on sijoitettu eri kohteisiin toimilaitteiden ja hallintalaitteiden läheisyyteen 13 node:ksi kutsuttua ohjainlaitetta. Nämä ohjainlaitteet on kytketty toisiinsa koko ajoneuvon kiertävällä kaksijohtimisella sähkönsyöttökaapelilla ja CAN-väylällä. Kussakin ohjainlaitteessa on tiettyjä antureita ja hallintalaitteita sekä toimilaitteiden ohjauksia. Näiden keskinäinen toiminta ohjelmoidaan tilakoneina laitteistoa varten kehitetyllä työkalulla. Järjestelmään on toteutettu elektronisesti virranrajoitukset kaikille syötöille ja näin ollen ajoneuvossa ei tarvita lainkaan sulakkeita eikä myöskään perinteisiä releitä aivan suurimpia kuormia lukuunottamatta. Lisäksi järjestelmä soveltuu kaksijohtimisen sähkönsyöttönsä puolesta erinomaisesti hiilikuitukoriseen ajoneuvoon. Heikki Hakala on tehnyt insinöörityönsä järjestelmän suunnittelusta ja toteutuksesta E-RA ajoneuvossa [5]. 2.6 Pikalataus Keskeisenä kriteerinä akkutyypin valinnassa hankkeessa oli pikaladattavuus. Sähköajoneuvon rajoitetun toimintasäteen ongelman ratkaisuksi on esitetty 19
useita vaihtoehtoja mm. akuston vaihto, range extender generaattori ja pikalataus. Toistaiseksi ainoina Project better Place ja Renault ovat olleet toteuttamassa akuston pikavaihtokonseptia ja tähän liittyviä vaihtoasemia. Monet autonvalmistajat ovat esitelleet eritasoisia plug-in hybridiratkaisuja, joissa polttomoottorigeneraattori tai polttokenno toimivat vain sähköntuottajina, eli kyseessä on sarjahybridiratkaisu. Myös sarja- ja rinnakkaishybridin yhdistelmiä on jo tuotannossa. Lähinnä japanilaiset autonvalmistajat ovat tuoneet ajoneuvojensa kanssa markkinoille akun pikalatauksen, joka tapahtuu kytkemällä ulkoinen DC-laturi suoraan auton akkuun. Japanilaista CHAdeMOteollisuusstandardia käyttäen ajoneuvojen lataus 80% varaustasolle on ollut mahdollista noin 20 minuutissa. Hankkeessa käytetty litium-titanaattikenno kuitenkin sallii jopa 6 C:n eli kapasitteettimonikerran suuruisen jatkuvan purku- ja latausvirran, joka mahdollistaa noin 10 minuutin latauksen. Hankkeessa tilattiin akuston ja sen hallintajärjestelmän toimittaneelta Aerovironment:lta myös 250 kw tehoinen pikalatausasema tyypiltään EV250. Tämä pikalatausasema saapui Suomeen E-RA auton ollessa X Prize-kilpailuissa kesällä 2010. Auton palattua Suomeen ja sen huollon valmistuttua pikalatausasema asennettiin alkuvuodesta 2011 käyttöönottokokeita varten Fortumin käytöstä poistettuun Sahamäen voimalaitokseen Hyvinkäällä. Kun pikalatausasema oli saatu toimintakuntoiseksi, havaittiin että ajoneuvossa käytössä ollut akunhallintajärjestelmä ei kommunikoinut oikein latausaseman kanssa siitä huolimatta, että molemmat laitteet olivat samalta valmistajalta ja että niiden oli vakuutettu olevan yhteensopivia. Tätä kommunikaatio-ongelmaa yritettiin ratkaista laitteiston toimittajan kanssa hankkeen loppuun saakka kunnes heinäkuussa 2011 kaksi akunhallintajärjestelmän mittakorttia hajosi. Akunhallintajärjestelmän vikaantuminen esti pikalatauksen käyttöönoton jatkamisen ja jostain syystä valmistaja ei suostunut toimittamaan uusia kortteja rikkoutuneiden tilalle. Näin ollen pikalatauksen käyttöönotto on edelleen kesken. Tätä kirjoitettaessa hajonneet kortit on onnistuttu korjaamaan Metropoliassa ja niitä ollaan pian asentamassa takaisin ajoneuvoon. Tarkoituksena on jatkaa kesken jäänyttä työtä keväällä 2012. Pikalatausasema on asennettuna tällä hetkellä Fortumin pääkonttorin edessä. Latausasema on kuvassa 8 oikeanpuoleisin ja kookkain vihreä torni auton takana. 20
Kuva 8: 250 kw pikalatausasema auton takana 2.7 Suorituskyky ja energiankulutusmittaukset Hankkeessa toteutetun ajoneuvon energiankulutusta on mitattu useissa kilpailuissa sekä maantiellä että laboratorio-olosuhteissa eri ajosykleillä ja myös suljetulla radalla erilaisilla nopeusprofiileilla. Sami Ruotsalainen on raportoinut tuloksista VTT:n TransEco-ohjelman tutkijaseminaareissa liittyen Yhdysvalloissa 2010 ajettuun Automotive X Prize-kilpailuun [3] ja vuonna 2011 ajettuihin Michelin Challenge Bibendum ja emiglia 2011-kilpailuihin [4]. Chrysler Proving Gounds tutkimuskeskuksessa Chelseassa Michiganissa mitattiin ajoneuvolle nelivetodynamometrilla eri nopeuksilla taulukossa 3 esitetyt energiankulutukset. Taulukossa nopeus on esitetty sekä maileina että kilometreinä tunnissa. Kolmannella rivillä (P) on esitetty mittaustulos akusta otetulle teholle ja sitä seuraavilla riveillä lasketut energiankulutukset sekä akusta otetulle energialle (DC) että tätä vastaavalle verkosta otetulle latausenergialle (AC). Tulokset on havainnollistettu kuvassa 9. Ajoneuvolle mitattiin vastaavat taulukossa 4 esitetyt kulutukset myös Chrysler Proving Grounds tutkimuskeskuksen ovaaliradalla eri vakionopeuksilla. Nämä tulokset on havainnollistettu kuvassa 10. Kuvassa 11 on verrattu Chrysler Proving Grounds ovaaliradalla ja dy- 21
Taulukko 3: Akkuteho ja energiankulutus dynamometrillä MPH 10 20 30 40 50 60 70 km/h 16,1 32,2 48,3 64,4 80,5 96,6 112,7 P [kw] 1,31 2,63 4,23 6,38 9,19 12,89 17,65 DC [kwh/km] 0,081 0,082 0,088 0,099 0,114 0,133 0,157 AC [kwh/km] 0,089 0,089 0,096 0,108 0,125 0,146 0,171 Kuva 9: Akkuteho ja energiankulutus dynamometrillä namometrillä mitattuja akusta otettuja tehoja nopeuden funktiona. Mitatut tehot vastaavat hyvin tarkasti toisiaan ja voidaan todeta, että dynamometrin vastusten määrittely rullauskokeilla on onnistunut hyvin. Kuvassa 12 on verrattu vastaavasti akusta mitattuja ja niitä vastaavia sähköverkosta mitattuja energiankulutuksia dynamometrillä ja ovaaliradalla tehtyjen testien välillä. Lisäksi ajoneuvolle on mitattu Chrysler Proving Grounds dynamometrilla 0,144 kwh/km energiankulutus neljään kertaan toistetulla Yhdysvalloissa käytettyjen UDDS ja HWY ajosyklien yhdistelmällä. Sama testi on toistettu myös Yhdysvaltojen energiaministeriön DOE Argonne National Laboratory tutkimuskeskuksessa Chicagon lähellä. Tässä testissä yhdistettyjen syklien energiankulutukseksi saatiin 0,142 kwh/km ja erikseen UDDS syklille 0,155 22
Taulukko 4: Vakionopeuskokeet ovaaliradalla MPH 15,1 20,0 29,8 39,9 49,7 60,1 69,7 km/h 24,4 32,2 48,0 64,3 80,0 96,7 112,1 P [kw] 1,80 2,60 3,94 6,21 8,95 13,04 17,94 DC [kwh/km] 0,074 0,081 0,082 0,097 0,112 0,135 0,160 AC [kwh/km] 0,082 0,090 0,091 0,107 0,124 0,150 0,178 Kuva 10: Akkuteho ja energiankulutus ovaaliradalla eri nopeuksilla kwh/km ja HWY syklille 0,133 kwh/km. Suomessa ei ole käytössä ainoatakaan vastaavaa nelivetodynamometriä ja siksi ajoneuvolle ei ole tehty vastaavia mittauksia Eurooppalaisella NEDC syklillä. Michigan International Speedway ovaalilla ajettujen Automotive X Prize kilpailuun liittyvien ajokokeiden energiankulutus on vaihdellut välillä 0,129 ja 0,211 kwh/km. Berliinissä liikenteen joukossa E-RA voitti Michelin Challenge Bibendun tapahtuman yhteydessä järjestetyn sähköautorallin kulutuslukemalla 0,132 kwh/km. Alpeilla ajetussa e-miglia 2011 sähköautorallissa kulutuslukemaksi tuli 0,190 kwh/km. Ajoneuvon suorituskyvyn ääripäätä edustaa syyskuussa 2011 ajettu katukäyttöön suunniteltujen sähköautojen Nürburgring Nordschleife rataennätys. 23
Kuva 11: Vertailu dynamometrillä ja ovaaliradalla mitattujen akusta otettujen tehojen välillä 20.832 pitkällä radalla E-RA saavutti 142 km/h keski- ja 238 km/h huippunopeuden. Energiankulutus kierroksella oli 1,230 kwh/km ja akkuista otettiin 300 kw huippu- ja 160 kw keskimääräinen teho. 2.8 Turvallisuus Ajoneuvo ja sen sähköinen voimansiirto suunniteltiin alusta lähtien tieliikenteeseen rekisteröitäväksi. Tämä asetti ajoneuvon toiminnalliselle ja sähköturvallisuudelle useita vaatimuksia vaikkakin rekisteröintihetkellä keväällä 2011 näistä asioista julkaistu UNECE Regulation No. 100 Battery electric vehicles with regard to specific requirements for construction and functional safety - säädöksen käytössä ollut revisio oli auttamattomasti vanhentunut. 2.8.1 Sähköturvallisuus Ajoneuvon ja sähköisen voimansiirron sähköturvallisuus on pyritty takaamaan seuraavilla ratkaisuilla: Kaikki korkeajännitejohdotukset (>120 Vdc tai 60 Vac) on värikoodattu oranssin värisiksi. Tätä väriä ei käytetä muissa johtimissa. 24
Kuva 12: Vertailu dynamometrillä ja ovaaliradalla tehtyjen energiankulutustestien välillä Lähes kaikki auton korkeajännitekaapelit ovat maadoitetulla metalliverkolla suojattuja koaksiaalikaapeleita. Näin kaapelin vaipan mahdollinen kuluminen ei paljasta välittömästi jännitteellistä keskijohdinta. Ajoneuvossa on yhdistetty huoltoerotin ja akuston pääsulakkeet, jotka on sijoitettu akkupakettien välille. BMS valvoo akuston lämpötilaa, virtaa ja kennojännitteitä ja irroittaa akun tarvittaessa sitä suojatakseen. Ajoneuvossa on maavuotovaroitin Ground Fault Detector, joka hälyyttää, mikäli positiivisen tai negatiivisen virtakiskon eristysvastus ajoneuvon koriin alittaa 100 kω. Ajoneuvossa on törmäystunnistin, joka aktivoi BMS:n interlock piirin. Interlock-piiri avaa välittömästi 8 g:n törmäyksessä kaikki kontakorit ja näin irroittaa akun muusta järjestelmästä. Ajoneuvon kojelaudassa on kuljettajalle ja oikeassa takaikkunassa pelastushenkilökunnalle hätäpysäytysnapit jotka myös aktivoivat ym. interlock pirin. 25
Ajoneuvon HV-jakolaatikon kannessa on turvakytkin,joka aktivoi interlock piirin kantta avattaessa. Ajoneuvoa ja sähköistä voimansiirtoa jatkokehitettäessä seuraavia asiaoita olisi vielä harkittava sähköturvallisuuden edelleen parantamiseksi: Johdonsuojasulakkeet akkukaapelien ja akkumodulien napojen väliin. Näin akkulaatikoiden käsittely ja asennus olisi turvallisempaa. Akkulaatikoiden sisälle olisi hyvä asentaa kontaktorit, jotka varmistaisivat akkukaapeleiden jännitteettömyyden onnettomuustilanteessa ja akkulaatikoita käsiteltäessä. BMS mittaukset tulisi tehdä akkukoteloiden sisälla ja mittaustulokset välittää galvaanisesti erotettuna CAN väylään. Näin vältyttäisiin korkeajännitteisiltä mittajohtimilta ajoneuvossa. Huoltoerottimen muuttaminen lukittavaksi. Regulation No. 100 säännön mukaan GFD hälyytysrajan tulisi olla 500 Ω/V, eli 165 kω tämän ajoneuvon tapauksessa. Tämä raja takaisi maksimissaan 2 ma virran kosketettaesa yhtä aikaa toista kiskoa ja koria toisen kiskon ollessa vikaantumisen takia kytkeytyneenä koriin. 2.8.2 Toiminnallinen turvallisuus Ajoneuvon toiminnallinen turvallisuus josta sääädetään myös UNECE Regulation No. 100 - säädöksessä on pyritty takaamaan seuraavilla ratkaisuilla: Sähkökäyttöjen ohjaus on toteutettu hyvin vikasietoisella CAN väylällä siten että jos yksittäinen sähkökäyttö ei saa ohjausviestejä vähintään 50 ms välein, siirtyy kyseinen käyttö virhetilaan ja antaa moottorin pyöriä vapaasti. Jos sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmä puolestaan ei saa yksittäiseltä käytöltä uusia tila- ja mittaustietoja vähintään 50 ms välein, asettaa se molemmat ko. akselin käytöt nollamomentille. Kaikki tärkeimmät anturit kuten kaasupoljin, jarrupoljin ja pyörimisnopeusanturit on kahdennettu. Kahdennettujen mittaarvojen välillä 26
tehdään virhetarkastelu ja tarvittaessa vikaantunut toiminto poistetaan käytöstä. Ajoneuvon prototyyppiluonteesta johtuen yksittäisen anturin vikaantumistilannetta varten ei ole toteutettu nk. hätäkäyttöä. Jarrupoljinpyyntö menee aina kaasupoljinpyynnön edelle,lukuunottamatta liikkeellelähtötilannetta, jossa kaasu- ja jarrupoljinten samanaikainen käyttö on mahdollista. Sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmän ohjelmistokehityksessä käytetään mallipohjaisia ja verifioituja kehitystyökaluja. Ajosuunnan tai vaihteen valinta on estetty ajoneuvon ollessa liikkeellä. Ainoastaan siirto vapaalle on mahdollista liikuttaessa. Suuntaa vaihdettaessa tai vapaalta tai pysäköintijarrulta ajotilaan siirryttäessä on painettava riittävän voimakkaasti jarrupoljinta. Ajoneuvon mittaristossa on äänimerkillä toteutettu peruutusvaroitin. Ajoneuvon nopeus on rajoitettu perutettaessan noin 20 kilometriin tunnissa. Ajoneuvon moottorien vääntömomenttia rajoitetaan komponenttien lämpötilan, voimansiirron tehon ja akuston virran mukaan tavoitteena että ajoa ei jouduta lopettamaan äkillisesti ja että kuljettajalla olisi aina mahdollisuus ajaa ajoneuvo turvallisesti sopivaan pysähdyspaikkaan. Ajoneuvon mittaristossa on kuljettajaa varten näytöt akun jäljellä olevasta varaustilasta sekä voimansiirron mahdollisista rajoituksista ja lämpötiloista. Ajoneuvon latauksen aikana sähköinen käsijarru on aktivoitu. 2.9 EMC mittaukset Ajoneuvoa Suomessa tieliikenteeseen rekisteröitäessä vaaditaan myös mittaustulokset EMC vaatimustenmukaisuudesta. Tässä hankkeessa kehitetty ajoneuvo ja voimansiirto on testattu Nemko:n Espoon toimipisteessä. Ajoneuvon immuniteetti sähkömagneettiselle säteilylle on todettu voimassa olevien EMC määräysten mukaiseksi, mutta mitatut emissiot ylittivät niukasti 27
suurimmat sallitut rajat yhdellä taajuusalueella. Tästä johtuen ajoneuvon rekisteröinti on määräaikaisesti voimassa. Ongelman todennäköinen syy on jo tiedossa ja korjaavat toimenpiteet käynnissä. 2.10 Julkiset demonstraatiot Hankkeessa toteutettua ajoneuvoa on demonstroitu useilla eri messuilla Suomessa ja tämän lisäksi useissa kansainvälisissä tapahtumissa vuosien 2010 ja 2011 aikana. Näistä merkittävimmät ovat: Progressive Insurance Automotive X Prize-kilpailu Michiganissa kesällä 2010. Toinen sija. Lisätietoa: progressiveautoxprize.org Michelin Challenge Bibendum tapahtuma toukokuussa 2011 Berliinissä. Sähköautorallin voitto, sekä Prototype & Concept Design Award ja Environmental Award. Lisätietoa: michelinchallengebibendum.com Le Mans vers le Futur tapahtuma 2011 Le Mansin 24h ajojen yhteydessä. Lisätietoa: lemans.org e-miglia 2011 sähköautoralli Alpeilla elokuussa 2011. Tuloksena 9 sija. Lisätietoa: e-miglia.com Nürburgring Nordschleife katukäyttöön suunniteltujen sähköautojen rataennätys syyskuussa 2011. Lisätietoa: raceabout.fi Fortum Charge & Drive testialueen käyttöönotto syyskuussa 2011. Lisätietoa: fortum.com 3 Muutokset alkuperäiseen suunnitelmaan Akkupaketin tilaus tehtiin huhtikuun 2009 puolivälissä. Toimittaja oli selkeästi luvannut liikaa ja toimitusaika venyi luvatun 4 kuukauden sijaan noin 10 kuukauteen. Tästä johtuen ajoneuvoa ei saatu testausta varten valmiiksi kuin juuri ennen sen laivaamista Yhdysvaltoihin Automotive X Prizekilpailuun. Työn saattamiseksi loppuun kilpailun jälkeen hankkeen johtoryhmä esitti hankkeelle vuoden lisäaikaa, jonka Tekes myös hyväksyi. Hankkeen kokonaiskustannuksiin tämä ei vaikuttanut. Jotta toimittaja saatiin ylipäänsä toimittamaan akut, joiden valmistaminen oli osoittautunut huomattavasti 28
oletettua työläämmäksi sovittiin lisätöistä maksettavan lisää 13 % alkuperäisestä hinnasta, joka oli 180 000 USD. Tämä kuitenkin saatiin sovitettua alkuperäiseen budjettiin mm. ennakoitua edullisemman valuuttakurssin johdosta. Hankkeeseen liittyvän toimittajan laatu- tai aikatauluongelma oli identifioitu merkittäväksi riskiksi jo hankesuunnitelmassa. Tämän riskin eliminointi kahta vaihtoehtoista toimittajaa käyttämällä ei olisi ollut kustannussyistä mahdollista tässä hankkeessa. Sen sijaan toimittajan todellisen kyvykkyyden arviointi olisi pitänyt hankintavaiheessa tehdä huolellisemmin. Vuoden mittaisesta lisäajasta huolimatta pikalatausdemonstraatiota ei saatu vietyä tämän hankkeen aikana suunnitellusti loppuun, sillä akunhallintajärjestelmä osoittautui yhteensopimattomaksi pikalatauslaitteen kanssa. Toimittajan kanssa aloitettu yhteensovitustyö keskeytyi, koska akunhallintajärjestelmän mittakortteja rikkoutui työn aikana ja toimittaja kieltäytyi yhteistyöstä ja toimittamasta uusia kortteja hankkeelle edes rahaa vastaan. 4 Hankinnat Hankkeeseen sisältyi muutamia merkittäviä hankkeen ulkopuolisia hankintoja. Näistä merkittävin oli akuston ja akunhallintajärjestelmän hankinta Aerovironment Inc. nimiseltä yritykseltä Kaliforniasta. Hankinnan kustannukset 180 000 USD oli eritelty jo hankesuunnitelman liitteenä olleessa kustannusarviossa toimittajan tarjouksen mukaisesti. Lopulliset hankintakustannukset olivat 204 000 USD plus rahdit. Pikalaturin hankintakustannukset 120 000 USD olivat myös mukana hankesuunnitelmassa hakemusvaiheessa. Näistä kahdesta hankinnasta ei maksettu tulleja, koska laitteistot tullattiin tutkimuskäyttöön ja hävitetään 10 vuoden kuluessa. Pikalatausaseman asennus ja käyttöönotto oli esitetty hankesuunnitelmassa tehtäväksi alihankintana. Hankkeen kuluessa sijoituspaikaksi päätettiin Fortumin pääkonttorin edusta ja tarvittavat asennukset hoiti Fortumille kiinteistön ylläpitoa alihankintana tekevä Johnson Controls. Ajoneuvon hidaslaturit ja DC-DC muunnin hankittiin Brusa Elektrik yritykseltä Sveitsistä, koska suomalaisella teollisuudella ei ollut tarjota tässä vaiheessa sopivia laitteita. 29
5 Hankkeen julkaisut Julkaisut: Sami Ruotsalainen on esitellyt ajoneuvon energiankulutustuloksia VTT:n TransEco ohjelman tutkijaseminaareissa [3] ja [4]. Hankkeessa tehdyt opinnäytetyöt: Jussi Kauppilan diplomityö Electric propulsion system in a modern sports car[2] Heikki Hakalan insinöörityö E-RAn matalajännitesähköjärjestelmän suunnittelu ja paketointi [5] Marko Häkkisen insinöörityö E-RA-sähköauton EMC-mittaukset direktiivin mukaisesti [6] Valmisteilla olevat opinnäytetyöt: Marko Rilla, väitös Janne Männistö, insinöörityö moottorien mekaniikkasuunnittelusta Hankkeeseen liittyvät opinnäytetyöt: Harri Santamalan diplomityö Developing a Composite Racecar Monocoque [7] Sami Selinin insinöörityö E-RA-sähköauton alustaratkaisut [8] Ilkka Karvosen insinöörityö E-RA sähköauton apurungot [10] Tuomo Kinnusen insinöörityö E-RA-sähköauton kori [9] Joona Sirkiän insinöörityö E-RA-sähköurheiluauton ohjauksen suunnittelu [11] Arttu Kautosen insinöörityö E-RAn lämmitys- ja ilmastointijärjestelmän suunnittelu [12] Jaakko Haatasen insinöörityö E-RAn yksittäishyväksyntä [13] 30
Otto Pietikäisen insinöörityö E-RA sähköurheiluauton korin ja alustan jatkokehitys [14] Juha Lindbladin insinöörityö Radiotaajuiseen tunnistamistekniikkaan perustuvan keskuslukitus- ja ajonestojärjestelmän suunnittelu [15] Eero Korhosen insinöörityö ERA Oy ja sähköautojen liiketoimintasuunnitelma [16] Antti Jokisen insinöörityö E-RAn matkustamon tuuletus- ja lämmitysjärjestelmä [17] Ville Toivasen insinöörityö E-RA - sähköauton mittaristo [18] Ville Eskelisen insinöörityö D-luokan audiovahvistin autokäyttöön [19] 6 Hankkeen vaikutukset Tämän hankkeen myötä Suomessa on rakennettu yksi tämän hetken edistyksellisimmistä ja myös nopeimmista sähköautoista, jolla suomalaista osaamista on tehty tunnetuksi sekä koti- että ulkoimailla useassa yhteydessä. Metropolia AMK:lle ja hankkeessa syntyneeseen partneriverkostoon on kehittynyt hankkeen aikana hyvin merkittävää sähköauto-osaamista kansallisella tasolla. Useat suomalaiset yritykset ovat saaneet ensimmäisen kosketuksensa sähköajoneuvoihin tämän hankkeen kautta. Tekes on juuri käynnistänyt EVE Sähköisten ajoneuvojen järjestelmät 2011 2015 nimisen kehitysohjelman, jossa monella tämän hankkeen verkostoon liittyneellä yrityksellä ja tutkimuslaitoksella on merkittävä rooli. Kuitenkin hankkeen kokonaisvaikuttavuuden arviointi on vaikeaa, koska hanke osui ajankohtaan, jossa alalla on muutenkin tapahtumassa paljon laajalla rintamalla. Varsinkin hankkeen sisältä yksittäisen hankkeen vaikuttavuutta ei pysty selkeästi arvioimaan, ainakaan tapahtumahetkellä. Vahva käsitys on, että hanke edisti sekä hyvällä julkisuuskuvalla että sen aikana kehittyneellä osaamisella ja kokemuksilla teknologiaklusterin kasvua ja muodostumista. ERA ajoneuvolla voitiin osoittaa suomalaisen teknologian toimivuus ja luotettavuus niin että sen osaamisessa ja soveltamisessa epäilykselle ei ole sijaa. Samoin suomalaisen osaamisen konkretisointina hanke vaikuttaa osaltaan positiivisesti maamme teollisuuden kilpailukykyyn. 31
6.1 Osaamisen kehittäminen Hankkeen yhtenä tavoitteena oli kehittää koulutusorganisaatioiden osaamista ajoneuvon sähkökäyttöjen suunnittelussa. Tässä onnistuttiin niin, että osaamista syntyi sekä organisaatiolle että sen jäsenille. Osaamisen siirtyminen geneeriseksi osaamiseksi valmistuville insinööreille näkyy myöhemmin, mutta jo nyt on nähtävisssä, että hankkeessa olleet opiskelijat ovat työllistyneet alansa tehtäviin erinomaisesti. Osaamisen kehittymistä on tasapainoisesti sekä tieteellisellä tasolla, että soveltavan tieteen kuin myös insinööriosaamisen alueella. 6.2 Verkostojen ja ekosysteemin muodostumisen tuki Hankkeen toimijoihin on tullut lukuisia yhteydenottoja niin kansallisesti kuin kansainvälisesti. Hanketta on esitelty lukuisissa paikoissa ja se on herättänyt erittäin positiivista kiinnostusta monille aloille. Yhtenä pienenä esimerkkinä on hankkeen esittely syksyllä 2010 Shanghain Expossa Kirnussa järjestetyssä kiinalaisten sijoittajien tapaamistilaisuudessa, joka johti sijoittajan yhteydenottoon suomalaiseen akkuvalmistajaan. Vastaavia esimerkkejä on useita. Näiden yhtedenottojen vaikuttavuutta on mahdoton arvioida muuten kuin että ne ovat positiivisia sähköisen liikkumisen ja voimansiirron ekosysteemin muodostumiselle. 6.3 Välittömät vaikutukset Metropolia Amk on rekrytoinut kaksi valmistunuttta opiskelijaa nimenomaan hankkeen sähköisen teknologian alueelta Tekesin EVE ohjelmaani liittyviin jatkohankkeisiin. Henkilöiden tehtäviin kuuluu myös opetustehtäviä ja näin hankkeen tuottama osaaminen siirtyy nopeasti koulutustehtävään. 6.4 Tulosten hyödyntäminen Tähän mennessä hankkeen tuloksia on hyödynnetty suoraan Valmet Automotiven EVA konseptisähköautossa, jonka moottorit on suunniteltu tässä hankkeessa kehitettyjen moottorien pohjalta samalla konsortiolla LUT, Axco Motors ja Metropolia AMK. Tekesin EVE ohjelmassa sovelletaan suoraan hankkeessa kehitettyä teknologiaa ja osaamista Metropolia AMK:n Induktiivisen latauksen demon- 32
straatiohankkeessa, joka on osa Pääkaupunkiseudun Sähköinen Liikennehankekokonaisuutta. Myös VTT:n koordinoiman Electric Comercial Vehicles hankekokonaisuuden e-bus kehitys nojautuu osaltaan tässä hankkeessa tehtyyn työhon. 7 Hankkeen johtopäätökset, suositukset ja ehdotus jatkohankkeiksi Suomessa on merkittävää sähköajoneuvoteknologioihin liittyvää osaamista, joka on ollut toistaiseksi melko hajanaista. Tämän hankkeen, Tekesin EVEohjelman, Työ- ja elinkeinoministeriön toimenpiteiden, Teknologiateollisuuden sähköajoneuvoryhmän perustamisen ja yritysten selvästi lisääntyneen aktiivisuuden myötä osaamisen ympärille on syntymässä oma aktiivinen klusterinsa, joka toteuttaa TEM mietinnössä muutama vuosi sitten asetettua tavoitetta klusterin yhteenlasketun liikevaihdon kymmenkertaistamista 2020 mennessä. Suomalaisilla on paljon annettavaa sähköajoneuvoteollisuudessa, vaikkakin monia muita maita huomattavasti pienemmillä resursseilla. Riskien ottamisessa ja toimeenpanon ripeydessä olisi edelleen parannettavaa. Sähköajoneuvokehitys jatkuu Metropolia AMK:ssa yhteistyössä yritysten ja muiden tutkimuslaitosten kanssa ja osana oppilaitoksen opetusta. Seuraavassa vaiheessa tässä hankkeessa kehitetyn ajoneuvon invertterit vaihdetaan paremmin ajoneuvokäyttöön optimoituihin laitteisiin. Lisäksi suunnitellaan lämpöpumpun toteuttamista kabiinin lämmitykstä ja jäähdytystä varten. Kehitetyissä moottoreissa on myös löydetty kehitys- ja parannusmahdollisuuksia erityisesti lämmönhallinnan ja valmistettavuuden osalta. Hankkeessa tehty akkuvalinta on osoittautunut onnistuneeksi, mutta akun mekaniikka ja jäähdytysratkaisuissa olisi edelleen kehitettävää, samoin akunhallintajärjestelmässä. 33
Viitteet [1] Juha Pyrhönen, Janne Nerg, Metropolia Ammattikorkeakoulun Electric Raceabout-auton uppomagneettimoottorit.sähkömagneettinen dokumentaatio 1.12.2011, LUT-Energia [2] Jussi Kauppila, Electric propulsion system in a modern sports car, Lappeenranta University of Technology, 2010. Saatavissa: Doria.fi [3] Sami Ruotsalainen, Sähköisen voimansiirron kehittämishanke, VTT, TransEco, 2010. Saatavissa: TransEco.fi [4] Sami Ruotsalainen, E-RA Sähköauto, VTT, TransEco, 2011. Saatavissa: TransEco.fi [5] Heikki Hakala, E-RAn matalajännitesähköjärjestelmän suunnittelu ja paketointi, 2010. [6] Marko Häkkinen, E-RA-sähköauton EMC-mittaukset direktiivin mukaisesti, 2011. Saatavilla: Theseus.fi [7] Harri Santamala, Developing a Composite Racecar Monocoque, 2010. [8] Sami Selin, E-RA-sähköauton alustaratkaisut, 2009. [9] Tuomo Kinnunen, E-RA-sähköauton kori, 2010. Saatavissa: Theseus.fi [10] Ilkka Karvonen, E-RA-sähköauton apurungot, 2010. Saatavissa: Theseus.fi [11] Joona Sirkiä, E-RA-sähköurheiluauton ohjauksen suunnittelu, 2010. [12] Arttu Kautonen, E-RAn lämmitys- ja ilmastointijärjestelmän suunnittelu, 2011. [13] Jaakko Haatanen, E-RAn yksittäishyväksyntä, 2011. [14] Otto Pietikäinen, E-RA sähköurheiluauton korin ja alustan jatkokehitys, 2011. 34
[15] Juha Lindblad, Radiotaajuiseen tunnistamistekniikkaan perustuvan keskuslukitus- ja ajonestojärjestelmän suunnittelu, 2009. [16] Eero Korhonen, ERA Oy ja sähköautojen liiketoimintasuunnitelma, 2010. [17] Antti Jokinen, E-RAn matkustamon tuuletus- ja lämmitysjärjestelmä, 2010. [18] Ville Toivanen, E-RA - sähköauton mittaristo, 2010. [19] Ville Eskelinen, D-luokan audiovahvistin autokäyttöön, 2009. 35
Appendices A Altairnano 50 Ah litium-titanaattikennon datalehti 36
50 Amp Hour Cell Key Features Based on Altairnano s patented manufacturing process, our products exhibit some of the most exceptional performance in the marketplace today. Replacing graphite with a new high surface area nano lithium-titanate oxide based anode material, Altairnano s products feature unique fast-charge, abuse tolerance, and extreme long life along with cold temperature charging. Some of our key advantages include: charging the energy revolution Large configuration choices Greater temperature versatility with ranges of -40º Celsius to 55º Celsius, with excursions up to 65º Celsius Increased level of power (3 times more powerful than existing batteries) Long cycle life (exceeding 5000 charges) Fast charge/discharge rates (within 10 minutes) Higher levels of operational abuse tolerance than existing batteries Nano Lithium-Titanate Battery Cell 50Ah CELL SPECIFICATIONS Recommended operating temperature Recommended storage temperature Nominal voltage Nominal capacity, +-1C Internal discharge impedance, (10s, DC) Internal charge impedance, (10s, DC) Internal impedance 1kHz AC Recommended standard charge/discharge Recommended fast charge (require thermal management) Max continuous discharge (require thermal management) Pulse charge/discharge rate (10 sec pulse ) Cell weight Physical dimensions (W x H x T) Typical power (10 sec pulse 50% SOC), at 25 o C Typical energy, 1C at 25 o C Expected calendar life at 25 o C CYCLE LIFE At 2C charge & 2C discharge, 100% DOD, 25 o C At 1C charge & 1C discharge, 100% DOD, 55 o C RECOMMENDED CUT OFF / CHARGE CUT OFF VOLTAGE Recommended cut off voltage in the range -40 o C ±30 o C Recommended cut off voltage at +30 o C ±55 o C Recommended charge cut off voltage at +20 o C ±55 o C Recommended charge cut off voltage at -40 o C ±20 o C -40 o C to +65 o C -50 o C to +65 o C 2.3 V 50 Ah 0.55 m ohms typical 0.55 m ohms typical 0.40 m ohms typical 50 A & constant current 300A max & constant current 300A max & constant current 500A max & constant current 1.6 kg 255 mm x 256 mm x 12.5 mm 1250 W & 760 W/kg 116 & 72 Wh/kg 20 years >12000 cycles >4000 cycles 1.5 V 2.0 V 2.8 V 2.9 V 204 Edison Way, Reno, Nevada 89502 tel: 775.856.2500 fax: 775.856.1619 www.altairnano.com