PROJEKTI C Akkukennojen jäähdytys faasimuutospuskuroinnin avulla PROJEKTISUUNNITELMA Tekijä(t) Olli Rinnevalli 83894L Heikki Karvinen Sami Kankaanoja Antti Lahti Riku Partonen 79707C 83990M 83828A 79829M Päiväys 25.3.2014
1 Johdanto Ajoneuvoja ja työkoneita käytetään erilaisissa tarkoituksissa, jolloin niistä tarvittava teho saattaa vaihdella suuresti eri käyttötilanteiden mukaan. Yleensä suurin osa ajasta toimitaan selvästi laitteen maksimisuorituskyvyn alapuolella. Joskus suuria tehoja tarvitaan, jolloin laitetta joudutaan käyttämään hetkellisesti huipputeholla. Tästä hyvänä esimerkkinä on kaivinkoneen toiminta. Maksimitehoa joudutaan käyttämään, kun kaivinkoneen kauhaa käännetään täydellä kuormalla tai yritetään nostaa pyöräkuormaajan kauhaan vaikkapa suuri kivi. Kun kivi on saatu kauhaan, kiven siirtämiseen riittää pienen tehokapasiteetin käyttäminen. Tässäkin suurin osa ajasta toimitaan maksimitehon suhteen matalilla tehoalueilla. Ajoneuvojen ja työkoneiden komponentit tulee suunnitella ja mitoittaa siten, että käyttölaitetta voidaan käyttää koko sen tehoalueella. Komponenttien suunnittelu maksimitehon mukaisesti on idioottivarma ratkaisu, mutta saattaa usein johtaa kalliisiin ja tilaa vieviin ratkaisuihin. Lisäksi energiankulutusnäkökulmasta ne ovat usein huonoja lähestymistapoja. Tämän kurssin harjoitustyön tarkoituksena on suunnitella ja rakentaa testausjärjestelyt, joilla pystytään tutkimaan akkukennojen jäähdytystä faasimuutospuskuroinnin avulla. Ideana on tutkia, kuinka väliaineiden avulla pystytään pysäyttämään akkukennojen lämpötilannousu hetkellisissä tehopiikeissä. Tämän päämääränä on kyetä mitoittamaan akulle jäähdytysjärjestelmä, joka on mitoitettu alle maksimisuoritustason, lähemmäksi keskimääräistä tehonkäyttöä. Faasimuutospuskuroinnin avulla voidaan ilman kiertävää nestejäähdytystä sitoa faasimuutoksen aikana suuria energiamääriä, joita vapautuu lyhytaikaisten tehopiikkien aikana. Jäähdytysmateriaalin käyttöä faasimuutosalueella tutkitaan, koska faasimuutoksessa materiaali sitoo huomattavasti enemmän energiaa kuin sen lämpiäminen samassa olomuodossa pysyessään. Faasimuutosjäähdytystä voidaan käyttää useissa käyttösovelluksissa, joiden määrä tulee lisääntymään tulevaisuudessa. Käyttökohteina ovat esimerkiksi akkujen jäähdytys ja pakokaasujen hukkalämmön kerääminen moottorin esilämmittämiseen. Faasimuutosjäähdytysjärjestelmän suunnittelu on tehtävä eri sovelluskohteisiin aina tyyppikohtaisesti, koska jäähdytystarve ja haluttu puskurointilämpötila vaihtelevat. Tarkoituksenamme on rakentaa yleisesti toimiva testausjärjestely akkukennojen faasimuutospuskurointia varten eri materiaaleille.
2 Projektin tavoitteet, oppiminen, rajaus ja tulokset Projektin tavoitteena on suunnitella koejärjestely faasimuutosmateriaalien testaukseen. Faasimuutosmateriaaleja pyritään käyttämään akkukennojen lämpöpuskurointiin ja akkujen toimintalämpötila-alueeksi on kaavailtu 0-40 C. Lämpöpuskuroinnin avulla voidaan sallia sähkömoottorien hetkellinen ylikuormitus ilman akkukennon vaurioitumista. Tavoitteena on, että ylikuormitus voisi kestää 30-60 s. Ylikuormitus mahdollistaa hetkellisen käyttötehon, joka voi olla kaksinkertainen nimellistehoon nähden. Tätä voidaan hyödyntää kuormituspiikkien aikana. Lämpöpuskuroinnin avulla jäähdytystä ei tarvitse mitoittaa suurimman kuormitustilanteen mukaan, mikä mahdollistaa halvempien järjestelmien käyttämisen. Faasimuutosmateriaaleja voidaan käyttää monissa tilanteissa ja sovelluksissa. Tässä projektissa on tarkoitus tutkia materiaaleja, joiden faasimuutos tapahtuu noin 40 C:ssa. Lämpöpuskurointia tullaan testaamaan vain yhden akkukennon kanssa. Akkukennon kooksi on arvioitu A5-paperiarkki (14,85 x 21 cm). Mittauksissa tutkitaan tilannetta, jossa on akku- ja jäähdytyskennojen välillä ei käytetä kontaktin lämmönjohtavuutta parantavia aineita, kuten rasvoja tai tahnoja. Projektiin osallistuvat henkilöt pääsevät tutustumaan tarkemmin faasimuutosmateriaalien ja akkujen toimintaan. Projektin läpivienti vaatii tutustumista lämmönjohtumisen periaatteisiin. Luonnollisesti yleiset taidot projektityöskentelystä lisääntyvät. Projektin tuloksena ei pyritä tekemään valmista sovellusta työkoneisiin, vaan tarkoitus on kehittää järjestely, jolla voidaan testata faasimuutosmateriaalien käyttämistä akkujen lämpöpuskurointiin. Koejärjestely edesauttaa tulevien sovellusten kehittämistä. Lämpöpuskuroinnin merkitys tulevaisuudessa tullee kasvamaan, sillä sähkökäyttöisten työkoneiden käyttö tulee lisääntymään.
3 Projektin toteuttajatahojen välinen yhteistyö Projektin alkuvaiheessa työskennellään projektin tilaajan edustajien, Panu Sainion ja Antti Lajusen, kanssa. Tilaajana on Aalto-yliopisto ja projekti on osana Tekesin Tubridi2 ja estorage3 -projekteja. Muut mahdolliset kontaktit selviävät projektin aikana. Faasimuutosmateriaalien hankintaan tarvitaan todennäköisesti erilliset luvat, jolloin joudutaan turvautumaan esimerkiksi kemian tekniikan korkeakoulun laboratorioon. 4 Projektin työpaketit vaiheittain Työpaketti 1. Tiedon hankinta Kuvaus: Kirjallisuutta: lämmönjohtavuudesta PCM-materiaaleista erilaisten lämmitys/jäähdytysvaihtoehtojen kartoittaminen akun lämmöntuotto alustava aihealueen rajaus Riippuvuudet: -Luo pohjan seuraaville 2-12 80 h Aikataulu: 25.3.-21.11. Käsitys eri toteutusvaihtoehdoista ja valmius aloittaa suunnittelupaketit.
Työpaketti 2. Lämmitysjärjestelmän suunnittelu Kuvaus: Tiedon hankinta Eri ratkaisuvaihtoehtojen kartoitus Parhaan ratkaisun valinta ja räätälöinti koejärjestelyyn Riippuvuudet: Paketti 1 Sami Kankaanoja Antti Lahti 80 h Aikataulu: 7.4.-27.4. Kirjallisuus Lämmitysjärjestelmäratkaisun kehittäminen ja alustava malli. Työpaketti 3. Puskurointikennon suunnittelu Kuvaus: Tiedon hankinta Eri ratkaisuvaihtoehtojen kartoitus Parhaan ratkaisun valinta ja räätälöinti koejärjestelyyn Riippuvuudet: Paketti 1 Heikki Karvinen Riku Partonen, Olli Rinnevalli 80 h Aikataulu: 7.4.-27.4. Puskurijärjestelmäratkaisun kehittäminen ja alustava malli.
Työpaketti 4. Mittausjärjestelmän suunnittelu Kuvaus: Tiedon hankinta Eri ratkaisuvaihtoehtojen kartoitus Parhaan ratkaisun valinta ja räätälöinti koejärjestelyyn Mitattavien suureiden ja mittaustapojen tarkka määrittäminen Riippuvuudet: Paketti 1-3 Riku Partonen 40h Aikataulu: 5.5.-11.5. (-30.9.) Mittausjärjestelmäratkaisun kehittäminen ja alustava malli. Työpaketti 5. Teoreettinen laskenta ja simulointi suunniteltujen laitteiden toimivuudesta Kuvaus: Järjestelmään liittyvien fysikaalisten ilmiöihin perehtyminen Järjestelmän toimivuuden varmistaminen laskentaa ja simulointia hyväksi käyttäen Riippuvuudet: Paketti 1 Antti Lahti. Työskentely tapahtuu suunnitteluryhmissä. 50h Aikataulu: 12.5.-31.5. Teoreettinen tarkastelu suoritettu.
Työpaketti 6. Tarvittavien materiaalien ja laitteiden määrittäminen ja hankinta Kuvaus: Ostoslista tarvittavista hankinnoista Toimittajien selvittäminen Listan avulla yhteyshenkilö suorittaa hankinnat Riippuvuudet: Paketti 2-5 Aikataulu: Olli Rinnevalli 30h Ostoslista 15.6. ja muut 14.9. mennessä Selvitetään paketin aikana. Selvitetään paketin aikana. Materiaalit ja laitteisto hankittu. Työpaketti 7. Lämmitysjärjestelmän rakentaminen Kuvaus: Rakennetaan lämmitysjärjestelmä tehdyn suunnitelman pohjalta Varmistetaan saapuneiden osien toimivuus Mietitään asennettavuus koejärjestelyyn Riippuvuudet: Paketit 2, 5, 6 Sami Kankaanoja Antti Lahti, Sami Kankaanoja 100h Aikataulu: 15.9.-31.10. Lämmitysjärjestelmä on rakennettu ja valmiina asennettavaksi koejärjestelyyn.
Työpaketti 8. Puskurointikennon rakentaminen Kuvaus: Rakennetaan puskurointikenno tehdyn suunnitelman pohjalta Varmistetaan saapuneiden osien toimivuus Mietitään asennettavuus koejärjestelyyn Riippuvuudet: Paketit 3, 5, 6 Heikki Karvinen Riku Partonen, Olli Rinnevalli, Heikki Karvinen 100h Aikataulu: 15.9.-31.10. Puskurointikenno on rakennettu ja valmiina asennettavaksi koejärjestelyyn. Työpaketti 9. Koejärjestelyn rakentaminen Kuvaus: Rakennetaan koejärjestely suunnitelman pohjalta Koemittauksia Riippuvuudet: Paketit 7, 8 Riku Partonen 100h Aikataulu: 15.9.-7.11. Koejärjestely on rakennettu ja valmiina mitattavaksi.
Työpaketti 10. Mittaukset Kuvaus: Suoritetaan suunnitellut mittaukset Välianalyysi mittauksista ja tarvittaessa uusia mittauksia Kirjataan tulokset mittauspöytäkirjaan Riippuvuudet: Paketti 9 Antti Lahti 100h Aikataulu: 10.11.-21.11. Mittaukset suoritettu. Työpaketti 11. Tulosten analysointi Kuvaus: Analysoidaan saatu mittausdata Riippuvuudet: Paketti 10 Olli Rinnevalli 100h Aikataulu: 10.11.-21.11. Tulokset on analysoitu ja tulokset ovat esitysvalmiissa muodossa.
Työpaketti 12. Loppuraportti ja tuloksien esittely Kuvaus: Tulosten ja suunnitelmien kokoaminen raporttiin Riippuvuudet: Paketti 1-11 Antti Lahti 40h Aikataulu: 19.12. mennessä. Projekti saatetaan loppuun. Työpakettien vaatima työmäärä yhteensä: 12 kpl
5 Aikataulu viikko 17 (24.04): Projektin tarkistuspisteet: 1. projektikatselmus viikko 20 (15.05): 2. projektikatselmus viikko 21 (22.05): väliraportti (kevät 2014)
6 Resurssit ja organisaatio Projektipäällikkö: Antti Lahti Projektiryhmän jäsenet: Antti Lahti, Riku Partonen, Sami Kankaanoja, Olli Rinnevalli, Heikki Karvinen Johtoryhmän /tukiryhmän jäsenet: Panu Sainio, Antti Lajunen Alihankkijat: Erikoislaite- ja/tai ohjelmistoresurssit: Kumppanuusorganisaatiot: 7 Riskien arviointi Projektin riskeiksi arvioidaan: Riski 1 Kuvaus: Vakavuus: Todennäköisyys (%): Varautuminen: Vaikutus: Toimitusvaikeudet Toimitus myöhästyy tai toimittaja toimittaa viallisia tai vääriä osia. Suuri (Kriittinen) fasd 5% Pyritään hankkimaan materiaalit riittävän ajoissa. Jos saapuu viallisia materiaaleja, ehditään hankkimaan uusia. Pahimmassa tapauksessa projekti jää toteutumatta. Joka tapauksessa aiheuttaa kiirettä loppuvaiheessa. Riski 2 Kuvaus: Vakavuus: Todennäköisyys (%): Varautuminen: Vaikutus: Aikataulusta lipeäminen Projektiaikataulussa ei pysytä projektityöntekijöiden muiden kiireiden vuoksi. Keskisuuri Lähes 100% Projektiaikataulu on suunniteltu joustavaksi. Osa työpaketeista saattaa valmistua ennenaikaisesti, joka tasoittaa kiirettä. Aiheuttaa kiirettä projektin loppuvaiheeseen. Riski 3 Kuvaus: Vakavuus: Väärä teoriapohja Käytetty teoria ei toimi käytännössä. Kriittinen
Todennäköisyys (%): Varautuminen: Vaikutus: 2% Pidetään riittävä yhteydenpito ohjaavaan tahoon. Väärällä teorialla saadaan vääriä, ja siten hyödyttömiä, tuloksia. Toisaalta tämäkin on tulos, joka osoittaa ettei teoria välttämättä toimikaan. Riski 4 Kuvaus: Vakavuus: Todennäköisyys (%): Varautuminen: Vaikutus: Työtapaturma Laboratoriossa tapahtuu työtapaturma. Vähäinen-Kriittinen 1% Työskennellään noudattaen laboratorio-ohjeita ja huolellisuutta käyttäen. Projektityöntekijä loukkaantuu, joten työteho vähenee. Pahimmassa tapauksessa joku loukkaantuu vakavasti tai menehtyy.