Installation och konfigurering av ett elektriskt drivsystem för ett
Installation och konfigurering av ett elektriskt drivsystem för ett mindre elfordon Kandidatarbete inom Elektroteknik Christofer Larsson Olov Solberg Jacob Viktorsson Institutionen för Energi och Miljö Avdelningen för Elteknik CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg, Sverige 2010 Tack Vi vill tacka vår handledare Robert Karlsson och vår examinator Sonja Lundmark vid Avdelningen för Elteknik på Chalmers för stöd och råd under projektets gång. Dessutom vill vi tacka Kent Erikson och Mats Nilsson på ETP Kraftelektronik för deras support och hjälp med gokartens motor och omriktare. Abstract The purpose of this project was to construct a working electric go-cart. Starting with a bare chassis an electric driveline was mounted. The result was a fully functional electric go-cart with a dashboard to supervise the batteries and the motor. The batteries in use were lead cells with a capacity of 12 Ah and the motor was a 6 kW asynchronous motor. Finally the inverter was configured and the go-cart was test run to evaluate the settings of the inverter and the performance of the go-cart. At the trial runs the go-cart had an running time of 15-20 minutes and a maximum velocity of approximately 60 km/h. The crucial components of an electric go-cart are a well configured inverter and high capacity batteries, for example Li-ion batteries. A disadvantage of the go-cart is its deficient roadholding which is due to it being heavy at the back, and to the stiff rear axle. An interesting further development that would make the go-cart more competitive by increasing its roadholding ability is to use separate motors for the drive wheels. Sammanfattning Syftet med detta projekt var att ta fram en körbar elektrisk gokart. Med utgångspunkt i ett avskalat chassi monterades en elektrisk drivlina på plats. Resultatet blev en fungerande eldriven gokart med instrumentpanel för att övervaka batterier och motor. Batterierna var blybatterier med en kapacitet på 12 Ah och motorn var en 6 kW asynkronmotor. Slutligen konfigurerades motorstyrningen och gokarten testkördes för att utvärdera styrenhetens inställningar och gokartens prestanda. Vid testkörningar hade gokarten en drifttid på 1520 minuter och en maxhastighet på ca 60 km/h. De viktigaste komponenterna på en eldriven gokart är en välinställd omriktare och batterier med hög kapacitet, till exempel Li-jon-batterier. En nackdel med projektets gokart är dess dåliga väghållning vilket beror på att den är baktung samt att den drivande hjulaxeln är stel. En intressant vidareutveckling som skulle göra gokarten mer konkurrenskraftig genom att förbättra väghållningen är att använda separata motorer för de drivande hjulen. Innehållsförteckning 1. Inledning ......................................................................................................... 1 1.1 Bakgrund .............................................................................................................. 1 1.1.1 Elbilens historia ............................................................................................. 1 1.1.2 Utveckling och drift med asynkronmotor...................................................... 2 1.2 Syfte ....................................................................................................................... 2 1.3 Problemidentifiering ............................................................................................ 3 1.4 Avgränsningar ...................................................................................................... 3 1.5 Metod .................................................................................................................... 4 2. Teori för elektriskt drivsystem ..................................................................... 5 2.1 Asynkronmotorn .................................................................................................. 5 2.2 Växelriktare .......................................................................................................... 6 2.3 Batterier ................................................................................................................ 7 3. 2.3.1 Blybatteri ....................................................................................................... 7 2.3.2 NiMH/NiCa ................................................................................................... 7 2.3.3 Li-jon ............................................................................................................. 8 Att ta fram en körbar elektrisk gokart ........................................................ 9 3.1 Drivsystem ............................................................................................................ 9 3.1.1 Batterier ......................................................................................................... 9 3.1.2 Motor ........................................................................................................... 10 3.1.3 Kraftöverföring............................................................................................ 11 3.1.4 Gasreglage ................................................................................................... 12 3.1.5 Motorstyrning .............................................................................................. 12 3.2 Instrumentering ................................................................................................. 13 3.2.1 Mätning av elektriska storheter ................................................................... 13 3.2.2 Mätning av icke-elektriska storheter ........................................................... 14 3.2.3 Reglage för kontroll av gokarten ................................................................. 14 3.3 Säkerhet .............................................................................................................. 14 4. Konfiguration av motorstyrning ................................................................ 15 4.1 Funktioner med fysisk anslutning .................................................................... 16 4.2 Startsekvensen .................................................................................................... 17 4.3 Funktioner i mjukvaran .................................................................................... 18 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Körtest av gokarten ..................................................................................... 20 Resultat – den färdiga gokartens konstruktion och prestanda ............... 20 Diskussion ..................................................................................................... 22 Förslag till förbättringar ............................................................................. 23 Slutsatser....................................................................................................... 24 Litteraturförteckning .................................................................................. 25 Appendix A ................................................................................................... 26 1. Inledning I dagens samhälle ser vi en ständigt ökande miljömedvetenhet på alla områden. Elproduktionen ska vara koldioxidneutral, återvinning och kompostering är självklara ord i hushållen och bilen ska helst inte gå på fossila bränslen. Att vidareutveckla tekniken för eldrivna fordon är därför ett mycket aktuellt forskningsområde som är av stor betydelse för samhället. 1.1 Bakgrund I föreliggande projekt behandlas inte en fullstor bil utan en eldriven gokart. Först ges dock en historik över elbilens utveckling (Westbrook, 2001) samt en överblick av det projekt som föregått följande arbete. 1.1.1 Elbilens historia Eldrivna fordon är ingalunda en ny företeelse för dagens klimatmedvetna tid. På ett mycket tidigt stadium i elkraftens historia experimenterades det med eldrivna fordon och de första elbilarna konstruerades på 1830-talet. År 1800 upptäckte italienaren Alessandro Volta att det uppstår en elektrisk spänning mellan en koppar- och en zinkplatta om dessa är åtskilda av kartong genomdränkt av saltvatten. Han upptäckte även att spänningen ökar vid seriekoppling av sådana plattor, samt att strömmen ökar vid samma spänning då de placeras parallellt. Nästa stora steg framåt för att lägga grunden för elkraften och eldrivna fordon togs 1821 då Michael Faraday upptäckte att en elektrisk ledare roterade runt en fix magnet i ett kvicksilverbad. Vidare visade Faraday även elektromagnetisk induktion år 1831 och i och med detta var grunden lagd både till batteriet och elmotorn. Det påstås att den första modellbilen byggdes av professor Stratingh i Nederländerna fyra år senare. En av de första välunderbyggda rapporterna om eldrivna fordon gäller en eldriven båt som tysken Moritz Jacobi körde på en flod i närheten av St Petersburg 1838. Utveckling fortsatte framåt och nästa stora händelse inträffade 1859 när belgaren Gaston Planté demonstrerade den elektrokemiska principen för ett laddningsbart batteri med möjlighet att ladda upprepade gånger. Två år senare togs ytterligare ett viktigt steg då den elektriska generatorn uppfanns i Italien av Antonio Pacinotti. Han använde en likströmsmaskin som han roterade mekaniskt för att få ut en ström, alltså principen för en generator. Efter dessa upptäckter skyndade utvecklingen vidare och 1896 fanns det tretton eldrivna taxifordon i bruk i New York. Dessa fordon hade konstruerats av Morris och Salom och drevs av 44 stycken blybatterier som gav 88 V spänning till två motorer om vardera en halv hästkraft, vilket gav en räckvidd på upp till 48 km. Faktum är att år 1900 var fördelning mellan olika motorvarianter följande bland de drygt 4000 bilar som tillverkades i USA: 40% ångdrivna, 37% eldrivna och 23% bensindrivna. Mellan år 1899 och 1902 var hastighetsrekordet för bilar 1 98km/h, vilket innehades av en elbil. Fram till 1912 fortsatte antalet elbilar att öka i USA. Bensindrivna bilar blev dock allt vanligare och Ford rönte stor framgång med sin Model T år 1909. När sedan ljuddämparen och startmotorn uppfanns markerade det slutet för den redan då mycket dyrare elbilen. Värt att notera är att det redan vid denna tid tillverkades fungerade hybridbilar, alltså fordon som använde både en förbränningsmotor och en elmotor, men även dessa förlorade på sitt betydligt högre pris. Under större delen av 1900-talet var sedan eldrivna fordon totalt utkonkurrerade av bensin- och dieseldrivna fordon. Inte förrän framåt år 1990 började utvecklingen ta ordentlig fart igen, mycket tack vare att Kalifornien lagstiftade om att alla större biltillverkare var tvungna att få utsläppsfria bilar att utgöra en viss procent av deras årliga försäljning i delstaten. Efter detta har kraven även rests på andra platser i världen om att arbeta för minskad klimatpåverkan från transportsektorn genom användandet av elfordon. 1.1.2 Utveckling och drift med asynkronmotor En av anledningarna till att elbilen förlorade i popularitet i början av förra århundradet var dess sämre prestanda jämfört med bilar med förbränningsmotorer. På senare tid har dock utvecklingen av halvledartekniken och dess tillämpning inom kraftelektroniken kommit att ge förutsättningar för att producera mer konkurrenskraftiga fordon med eldrift, fordon som då också måste tillvarata den elektriska energin mer effektivt. Idag går utvecklingen mer och mer mot användandet av trefas AC-motorer. DC-motorer är enkla att styra men för bättre energieffektivitet används trefas induktionsmotorer (Westbrook, 2001). På Institutionen för Energi och Miljö vid Chalmers har det tidigare skrivits kandidatarbeten på temat elbilar, och då speciellt med växelströmsmotorer. Under våren 2009 gjordes ett kandidatarbete (Alhashimi et al, 2009) som syftade till att konvertera en bensindriven gokart till eldrift. Till detta projekt köptes bland annat en trefas asynkronmotor in men tyvärr kunde aldrig den slutgiltiga gokarten provköras. Dessutom användes ett chassi ursprungligen avsett för en barn-kart, vilket gjorde det trångt både för förare och elektriska komponenter. Under våren 2010 har detta kandidatarbete fortsatt att arbeta med gokarten, med det uttalade målet att ta fram ett fungerande fordon. 1.2 Syfte Huvudsyftet med projektet är att ta fram en körbar eldriven gokart. Detta görs utifrån de komponentval som har gjorts föregående år, samt utifrån ett befintligt chassi. När gokarten är körbar skall motor, omriktare och övriga komponenter konfigureras enligt önskad prestanda. 2 1.3 Problemidentifiering För att få fram en fungerande gokart behöver ingående delar fungera och samverka. Vid projektets början fanns en barn-kart med monterat drivsystem. Dessutom fanns vid Avdelningen för Elteknik ett fullstort gokart-chassi men utan motor. Idén var att flytta över nödvändiga komponenter till detta nya chassi och implementera dessa så att gokarten gick att köra. För att göra detta behövde den gamla gokarten monteras ner och delarna i drivlinan flyttas till det nya chassit. För att kunna montera delarna behövde nödvändiga fästen tillverkas och kablar dras. De komponenter som speciellt behövde fästen var motor, motorstyrning, gasreglage, relä, instrumentpanel, shuntmotstånd, kedjehjul samt batterier och strömbrytare. De kablar som behövde dras inkluderade signalkablar mellan omriktare, relä, instrumentpanel och gasreglage, samt strömkablar till batterier, huvudbrytare och omriktare. Ett av huvudproblemen var att förstå styrenheten (även kallad omriktaren eller motorstyrningen) till gokarten. Med denna enhet styrs varvtalet på motorn, spänningsmatning, acceleration med mera. För detta projekts ändamål behövde omriktaren konfigureras för lämplig acceleration, regenerativ bromsverkan, batterispänning samt maxhastighet framåt och bakåt. 1.4 Avgränsningar Primärt finns ett antal naturliga avgränsningar för detta kandidatarbete. Projektet har bedrivits inom ämnesområdet elektroteknik med inriktning mot elteknik. Detta har gjort att projektet har fokuserat på gokartens funktion framför dess design. Att förbättra mekaniska funktioner såsom styrning och bromsar har även det fallit utanför ämnesområdet. Naturligtvis behövde alla mekaniska komponenter och lösningar fungera men det har inte funnits några krav på att de ska vara sofistikerade. Funktioner såsom elektriskt styrd broms och differentialdrift för drivande hjul har ej heller beaktats. Eftersom projektet är en fortsättning på förra årets kandidatarbete finns vissa avgränsningar på grund av detta. Förra årets projektgrupp jämförde olika komponenter som till exempel motor och motorstyrning och köpte in lämpliga sådana. Ekonomiska begränsningar från Avdelningen för Elteknik samt de tidsmässiga ramarna gjorde sedan att årets projekt i stort sett helt har använt sig av befintliga komponenter utan att utvärdera andra valmöjligheter. En positiv effekt av detta har varit att projektet inte startat från grunden utan istället kunnat fortsätta på det arbete som redan var gjort. Ytterligare en avgränsning gäller kretslösningar för olika säkerhetslösningar och styrfunktioner såsom strömbegränsning och gasreglage. Till dessa funktioner har befintliga komponenter använts så långt som möjligt istället för att skapa nya kretsar. 3 1.5 Metod Projekt kan delas in i tre huvuddelar. Första delen är en konstruktionsinriktad del där det övergripande målet har varit att få gokarten körbar med eldrift. Här har ingått montering av motor och övriga komponenter samt drivning av hjulaxeln. Den andra delen är även den praktisk men något mer teoretiskt inriktad, nämligen att konfigurera motorn med hjälp av motorstyrningen Zapi ACE2. Detta moment har inneburit experimenterande med olika inställningar, vilka i enlighet med teorin för asynkronmotorer har gett motorn olika egenskaper. Inställningarna har provats i verkligheten genom provkörningar för att se hur väl de fungerar. Dessa körtester har i sin tur lett till ändrade parameterinställningar i en iterativ process. Tredje och sista delen är att utvärdera gokartens prestanda genom olika prestandatester i verkligheten. På grund av de många praktiska delarna av projektet har arbetsmetoden oftast varit att undersöka vad det är som behöver göras, till exempel att tillverka ett fäste för reläet. Sedan har det utretts vilket material som vore passande, därefter har en modell i kartong klippts till och slutligen har delen tillverkats i det riktiga materialet och monterats på plats. För andra uppgifter som att dra kablar har första momentet varit att ta reda på vilka kablar som behöver dras, alltså vilka kopplingar som behöver göras och vilka funktioner i omriktaren som behöver kopplas in. Därefter har kablar dragits, kontakterats och satts på plats. För att göra detta behövde lämpliga kablar och kontakter anförskaffas. Kabeldragning behövde också dokumenteras för eventuell felsökning. Projektet har alltså i mångt och mycket varit ett handfast arbete. Till den konstruktionsinriktade första fasen av projektet togs vid ett tillfälle extern hjälp i anspråk. Företaget Torslanda Moped och Maskin Import AB tillverkade och svetsade fast fästen för motor och motorstyrning. Övrigt mekaniskt arbete har gjorts för egen hand på Avdelningen för Elteknik och på ETA – Elektroteknologsektionens Teletekniska Avdelning. 4 2. Teori för elektriskt drivsystem Här presenteras teori för de fundamentala eltekniska komponenterna i ett eldrivet fordon. All teori utom för batterier är sammanställd från boken Elteknik, Institutionen för Energi och Miljö. Informationen om batterier är sammanställd från Battery reference book (Crompton, T.R., 2000), Electric vehicle battery systems (Dhameja, S., 2002) och Faktasidor (Elfa, 2007). 2.1 Asynkronmotorn Motorns uppgift är att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi som ska överföras till hjulaxeln. Asynkronmaskinen är en mycket robust konstruktion med få rörliga delar vilket gjort att den ändvänds till många applikationer. Den är uppbyggd av ett hus där statorlindningarna, lager och anslutningar är fästa, se figur 1. Figur 1. Asynkronmotor i genomskärning med bland annat stator och rotor markerade. Statorlindningarnas uppgift är att skapa ett magnetfält som roterar runt inuti motorn. Varvtalet ns på fältet kan beräknas med (1) och ger varvtalet per minut beroende på frekvensen f och antal polpar p. ns = 60*f/p (1) När statorfältet roterar runt rotorn skapas ett motverkande magnetiskt fält ifrån rotorn som gör att rotorn vill rotera med fältet från statorn. Att motorn kallas asynkronmotor eller asynkronmaskin beror på att rotorn kommer att rotera något långsammare än fältet från statorn, alltså är axelns varvtal inte samma som 5 statorfältets varvtal. Detta kallas eftersläpning och beräknas med (2) där ns är det synkrona varvtalet (statorfältets varvtal) och n är rotorns varvtal. s = (ns-n)/ns (2) Hastigheten på statorns fält kan ändras beroende på hur man lindar statorlindningarna. Ofta talas det om antalet polpar som motorn har, vilket talar om hur många gånger det synkorna varvtalet har sänkts jämfört med nätfrekvensen. Eftersläpningen som axeln har i förhållande till statorns fält varierar beroende på lasten och blir större med ökad last. Även strömmarna i rotorn blir större med ökad last vilket leder till ökad värmeutvecklig och detta begränsar hur mycket motorn kan lastas. På grund av asynkronmotorns robusthet kan den under korta tider lastas mer än vad den kan ge under kontinuerlig drift. För att kunna räkna på asynkronmotorer brukar ett ekvivalent kopplingsschema användas. Det är en modell över hur asynkronmotorn fungerar rent elektriskt. Statorns lindningar gör att asynkronmotorn har en induktiv karakteristik och den blir alltså strömtrög. Detta utnyttjas när asynkronmotorn styrs med hjälp av pulsbreddsmodulering. Motorn som används på gokarten har även en enkoder eller varvtalsgivare som gör att växelriktaren får återkoppling på motorns varvtal och kan styra den på ett bättre sätt. 2.2 Växelriktare Som ses i ekvation (1) och (2) finns tre huvudsakliga metoder att reglera varvtalet på en asynkronmaskin: ändra frekvensen på matande spänning, ändra maskinens poltal alternativt att ändra eftersläpningen. Att ändra poltal på motorn kräver direkta ändringar i motorns konstruktion och att ändra eftersläpning ger drastiskt försämrad verkningsgrad, samt att varvtalsändringen inte kan bli särskilt stor. På grund av detta är förändring av frekvensen det klart bästa sättet att styra en asynkronmaskins varvtal. Den kraftelektroniska komponent som används för att ändra frekvensen på den matande spänningen kallas för växelriktare. Ofta används en teknik som utnyttjar transistorers förmåga att vara ledande eller icke-ledande. Denna egenskap utgör grunden för så kallad pulbreddsmodulation (PWM = pulse width modulation). Enkelt uttryckt ger PWM möjlighet att få medelvärdet av en spänning över lasten att variera sinusformigt i tiden. På detta sätt kan önskad växelspänning simuleras för att styra motorn till rätt varvtal. Vektorstyrning är en styrteknik som använder sig av varvtalsåterkoppling från motorn och reglerar varvtal och moment. För att få återkoppling från motorn används en sensor som till exempel en enkoder eller en intern spole. Det går även att få återkoppling utan sensor, då mäts spänning och ström till motorn, men detta kräver en bra modell av motorn. Att inte använda en sensor ger oftast ett något sämre resultat, men duger i de flesta fall eftersom det oftast inte är nödvändigt att känna till motorns exakta position. Fördelen med vektorstyrning är att motorn kan 6 ha stort moment redan från stillastående till nominellt varvtal. Motorn kan även köras snabbare än normalt men då minskar vridmomentet, detta på grund av att spänningen inte kan höjas över märkspänning. Nackdelen med vektorstyrning är att den är relativt komplicerad att implementera. En annan teknik kallas skalär styrning och går ut på att styra momentet. Denna metod använder inte någon återkoppling från motorn utan håller kvoten mellan spänning och frekvens konstant, vilket gör att flödet och momentet blir konstant. Att styra en motor på detta sätt gör att det saknas kontroll på varvtalet, vilket kommer att bero på lasten. Fördelen med skalärstyrning är att det är en mycket enkel styrmetod. 2.3 Batterier Batteriernas uppgift är att lagra elektrisk energi på kemisk väg. Kapacitet mäts oftast med sorten ampèretimmar [Ah] och är ett mått på hur mycket energi som lagras i batteriet. Det finns många olika typer av batterier med olika egenskaper och de används därför inom olika områden. När ett batteri laddas matas energi tillbaka och de kemiska ämnena förändras. Laddningen sker ofta i olika steg och ser olika ut för olika sorters batterier. Första steget är ofta en kontroll av batteriets status och hur det reagerar på laddning. I nästa steg tillförs den mesta energin och batteriet blir nästan fulladdat. För att veta när batteriet börjar nå full kapacitet kan flera indikatorer används; spänningsfall, ökande temperatur, tid och batteriernas spänning. De sista stegen i en laddningsprocess är avslutning och underhållsladdning. 2.3.1 Blybatteri Blybatterier används ofta där man behöver mycket kraft under kort tid som till exempel vid start av en bil, men de förekommer också i backupsystem. Denna typ av batteri är billiga men tunga och fungerar inte så bra vid cyklisk drift. Uppbyggnaden av varje cell i batteriet består av bly och som elektrolyt används svavelsyra. Denna blandning av ämnen gör att varje cell får en spänning kring 2 volt men spänningen varierar med laddningen, vilket även syrehalten gör. En del typer av blybatterier måste placeras upprätta för att inte läcka syra och andra är förslutna och har elektrolyten i gelform. För att ladda blybatterier används ofta konstantström på cirka 10% av batteriets kapacitet och när man uppnår en spänning på 2,3-2,4V per cell går man över till konstant spänning för underhållsladdning. Om spänningen tillåts fortsätta att öka över rekommenderad max cellspänning kommer knallgas (en blandning av vätgas och syrgas) att bildas. I kapslade batterier finns det övertrycksventiler för att inte trycket ska bli för stort. Alla blybatterier tar mer eller mindre skada av att överladdas. 2.3.2 NiMH/NiCa MiMH (Nickel-Metall-Hydrid) är en vidareutveckling av NiCa (NickelKadmium) på grund av att kadmium har stor påverkan på miljön. Kapaciteten är bättre för NiMH än för NiCa och de har även mindre minneseffekt. De flesta 7 batterier av denna sort är små och används i många konsumentprodukter men det finns även större batterier. Ett NiMH-batteris elektroder består av nickel och någon sorts väteabsorberande metall, vilken metall det är varierar i olika batterier. NiMH är svårare att ladda och kräver mer kontroll än andra batterier. För långtidsladdning används ofta konstantström på 10% av kapaciteten i 15 timmar. Snabbladning av NiMH kräver god kontroll och ofta används temperatur- eller spänningsfallskontroll. När batteriet börjar nå full kapacitet ökar temperaturen snabbt och spänningen faller något över tiden. Detta beror på att en annan kemisk reaktion som bildar syrgas startar . Fortsätter laddningen kommer syrgas att läcka ut och batteriet kommer att förstöras. Cellspänningen i dessa batterier ligger kring 1,2V och när de är fulladdade kring 1,4-1,6V, beroende på temperatur och skick. 2.3.3 Li-jon Det finns många varianter av litiumjon-batterier. Användandet har ökat och ersätter NiMH-batterier i konsumentprodukter eftersom de väger mindre och har större kapacitet. Även för större batteritillämpningar har Li-jon-batterier börjat användas, till exempel i elbilar. Li-jon-batterier är dyra men minskar i pris med den ökande användningen. Det högre priset beror på att denna typ av batterier ofta behöver en inbyggd skyddskrets. Li-jon-batterier kan reagera mycket kraftigt på mekanisk åverkan, för hög i- och urladdning samt höga temperaturer. I värsta fall kan de börja brinna nästan explosionsartat. Battericellens elektroder består av litiumbaserade ämnen och som elektrolyt används olika litiumsalter. Cellspänningen är cirka 3,7V och det är betydligt högre än många andra batterier. Laddning av Li-jon sker oftast med kontantström tills cellspänningen når ca 4,2V. Under urladdning är det viktigt att kontrollera cellspänningen eftersom cellen kommer att tappa kapacitet då cellspänningen sjunker under 3V. 8 3. Att ta fram en körbar elektrisk gokart I grund och botten är en eldriven gokart mycket lik en bensindriven. Delar av det system som fordonet utgör blir dock annorlunda på en eldriven gokart, framför allt ställs det andra krav på energiförsörjning, instrumentering och säkerhet. Som energikälla till ett eldrivet fordon används oftast batterier, men andra lösningar som till exempel bränsleceller och också möjliga. När det gäller instrumentering är syftet att föraren ska få relevant information om batterier och hastighet. Säkerhetsanordningarna i sin tur har till uppgift att minimera risken för elektriska person- och materialskador. En skiss av uppbyggnaden av den gokart som togs fram i projektet visas i figur 2. Figur 2. Blockschema över gokartens elementära uppbyggnad. 3.1 Drivsystem En gokart behöver precis som en vanlig bil en energikälla och en kraftöverföring därifrån till hjulen. De komponenter som behöver finnas på en eldriven gokart är motor, batterier, kraftelektronik för att styra motorn, gaspedal samt någon typ av kraftöverföring till hjulen. 3.1.1 Batterier Valet av energikälla var gjort förra året och det fanns två NiMH-batterier inköpta, dessa bestod av vardera fyra enheter. Enheterna var parvis kopplade seriellt och de två paren var sedan kopplade parallellt, vilket gav en spänning på 48 V och en kapacitet på 18 Ah per batteri. Tyvärr hade dessa batterier läckt under året och de var i så dåligt skick att de inte alls gick att köra med. De batterier som därför har 9 använts istället är blybatterier med en kapacitet på 12 Ah. Dessa seriekopplades fyra och fyra för att få 48 V spänning till omriktaren. Vid konstruktion av en gokart är det viktigt att beakta fordonets viktfördelning. Detta är en högst relevant aspekt med tanke på hur viktig väghållningen är för en gokart. Batterier tenderar att väga ganska mycket och det är därför viktigt att placera dem på ett för viktfördelningen bra sätt. De batterier som användes till projektet gokart vägde 15 kg per kluster à fyra batterier. Totala batterivikten blev alltså 30 kg och batterierna placerades på var sida om föraren, alltså mellan framoch bakaxel. Detta gjordes för att få en låg tyngdpunkt samt för att få jämn viktfördelning i sidled. Ett intressant alternativ hade varit att placera batterierna framför framaxeln, för att väga upp motorns tyngd baktill. Detta var dock inte möjligt på grund av platsbrist i fronten. 3.1.2 Motor Den motor som fanns att tillgå heter C.F.R. AM173 och är en trefas asynkronmotor med en märkeffekt på 6 kW. Motorns märkvarvtal är 2850 r.p.m. vid 100 Hz. Denna motor är egentligen överdimensionerad, effekten är mer än tillräcklig för en gokart och vikten på 34 kg är inte till dess fördel. Detta gjorde det desto viktare att placera den på ett fördelaktigt ställe. Att tänka på vid placering av en motor på en gokart är att den bör placeras så nära axeln för det drivande hjulparet som möjligt. Detta är en fördel då det minskar förlusterna för att överföra kraften från motorn till hjulen. Dessutom bör motorn placeras så att viktfördelningen inte blir alltför ojämn. I fallet med projektets gokart blev lösningen att placera motorn bakom bakaxeln. Den sitter då nära bakaxeln och kraftöverföringen var enkel att lösa med hjälp av en kort kedja från motorns kugghjul till kedjehjulet på bakaxeln, vilket kan ses i figur 3. Nackdelen med denna placering är att gokarten blir baktung. Tyvärr fanns ingen annan reell möjlighet då motorn var för stor för att få plats mellan fram- och bakaxeln. Bakvikten kompenseras dock till viss del av batteriernas placering i mitten. En eventuell möjlighet hade varit att placera motorn till höger om föraren men då hade det krävts en mekanisk vinkelväxel, samt att batterierna inte hade blivit symmetriskt placerade. 10 Figur 3. Gokartens motor och kedjan till bakaxeln. En annan viktig sak att ta hänsyn till vid montering av en motor är att den ska sitta ordentligt fast i chassit. Vid acceleration belastas motorns infästning kraftigt och därför krävs ett ordentligt fäste som håller för krafterna det utsätts för. På den aktuella gokarten behövde en förlängning göras baktill med järnstag för att kunna fästa motorn. Detta resulterade i lite extra vikt men fästet håller utan problem för påfrestningen från motorn. 3.1.3 Kraftöverföring Vid konstruktion av kraftöverföringen från motorn till hjulaxeln är det viktigt att välja en konstruktion som ger små förluster och har tillräcklig hållfasthet, samt att bestämma en lämplig utväxling för fordonet. Primärt finns två alternativ för att koppla motorn till hjulaxeln, antingen via kugghjul och en kedja, eller med en rem. Nackdelen med en kedja är att det är en tyngre konstruktion, men den kan å andra sidan tåla större påfrestningar. På gokarten fanns från början ett kedjehjul på bakaxeln, samt ett på motorn. Detta gjorde det naturligt att välja en lösning med kedjedrift eftersom det fanns goda förutsättningar för det. Vid bestämning av utväxlingen behöver en avvägning mellan acceleration och topphastighet göras. Gokartar saknar i allmänhet växellåda och för en eldriven gokart finns det inget egentligt behov av en växellåda eftersom en frekvensstyrd asynkronmotor ger ett vridmoment nära det maximala, oberoende av motorns varvtal. Utväxlingen bestäms därmed enbart av storleken på de kugghjul som sitter på motor och hjulaxel. Några enkla beräkningar (se appendix A) visade att en utväxling på 2,5:1 skulle ge en topphastighet på ca 60 km/h, vilket ansågs vara ett lämpligt val. Det visade sig också att kedjehjulet från förra årets barn-kart gav en utväxling på 2,39:1. Detta passade bra och dessutom sparades tid på att använda det befintliga kedjehjulet. 11 3.1.4 Gasreglage En elektrisk gokart ger möjlighet att använda okonventionella konstruktioner som gasreglage, till exempel skulle ett styrbart motstånd (potentiometer) på ratten kunna fungera som gas. För att främja enkelheten i körningen kan det dock vara bättre att använda gokartens befintliga gaspedal, så gjordes även på gokarten i projektet. Den vanliga gaspedalen kopplades till en elektronisk gaspedal med hjälp av en vajer, vilken i sin tur ger insignal till omriktaren. En fördel med den elektroniska gaspedalen är att det är en robust konstruktion och då undviks problem som skulle kunna uppstå med en fritt liggande potentiometer. 3.1.5 Motorstyrning Ett eldrivet fordon behöver någon typ av motorstyrning för att reglera motorns hastighet. Till detta används lämpligen en så kallad omriktare för frekvensstyrning av motorn (se avsnitt 2.2). Omriktaren är hjärnan i gokartens elektriska drivsystem och är den enhet som tar emot signal från gaspedalen, styr strömmen till och från batterierna, reglerar motorn och övervakar driften säkerhetsmässigt. Lämpligt är att välja en omriktare med frekvensstyrning och inställningsmöjligheter för acceleration och inbromsning, samt gärna också säkerhetsfunktioner såsom temperaturövervakning och överströmsskydd. Omriktaren är också den enhet som ger signal för att sluta reläet som kopplar in batterierna till drift. Omriktaren bör placeras i närheten av motor och batterier för att minimera längden på de högströmskablar som behöver dras. Omriktaren behöver även viss ventilation för att få tillräcklig kylning. Omriktaren på den avsedda gokarten placerades ovanför och framför bakaxeln, vinklad för att följa sätets form, se figur 4. Därifrån räckte det med relativt korta kablar till motor, batterier och gaspedal vilket gjorde uppkopplingen mer lätthanterlig. Figur 4. Gokartens omriktare såsom den placerades bakom sätet. 12 3.2 Instrumentering Vid körning av ett eldrivet fordon finns ett antal saker som är intressanta att mäta och få uppgift om. I figur 5 visas den instrumentpanel som monterades under ratten på denna gokart med bland annat instrument för mätning av spänning och ström. Hastighetsmätningen gjordes med en cykeldator som monterades uppe på ratten. Utöver befintliga instrument skulle det även kunna vara av intresse att mäta varvtal, effekt och motortemperatur och visa dessa värden på panelen. Figur 5. Gokartens instrumentpanel med instrument för mätning av batteriernas spänningsnivå (2) och strömuttaget ur dem (5). Dessutom syns startnyckel (4), nödstopp (7), riktningsväljare (1), säkring (6) och indikatorlampa för tillkopplad spänning (3). 3.2.1 Mätning av elektriska storheter Vid batteridrift av ett fordon är det naturligt att vilja veta hur spänningsnivån är i batterierna. Spänningsnivån är inte liktydig med kapaciteten som finns kvar i batterierna men ger en god uppskattning av den, och spänningen är väldigt enkel att mäta med en voltmeter. En annan intressant storhet att mäta är strömmen från batterierna till omriktaren. Detta kan till exempel göras genom att koppla ett shuntmotstånd i serie med batterierna. Shuntmotståndet ger ett mycket litet spänningsfall som varierar beroende på strömmens storlek. Detta spänningsfall kan mätas med en voltmeter och ge motsvarande ström, alternativt kan en strömsensor som utnyttjar Halleffekten användas. 13 3.2.2 Mätning av icke-elektriska storheter Det mest naturliga att mäta på ett motordrivet fordon är förmodligen hastigheten, vilket kan göras på olika sätt. I projektet valdes lösningen att montera en cykeldator på gokarten för att mäta hjulens varvtal. En fördel med att använda en cykeldator är att den är tillverkad för denna typ av mätning, fast på en cykel, och det behövs inga extra omräkningar för att få ut hastighet, cykeldatorn sköter det mesta själv. En nackdel är den mätosäkerhet som finns i cykeldatorns sensor. Som nämnts ovan är omriktaren hjärnan i det elektriska systemet på gokarten för styrningen av motorn. För att göra detta behöver omriktaren få information från motorn om dess momentana varvtal. Detta görs genom en inbyggd varvtalsgivare i motorn som återkopplar motorns varvtal till omriktaren och möjliggör frekvensstyrningen. Utöver detta finns det även temperaturgivare i motorn och ett automatiskt säkerhetssystem i omriktaren som minskar strömmen till motorn om dess temperatur överstiger 150 grader. 3.2.3 Reglage för kontroll av gokarten En eldriven gokart ger möjlighet till mer eller mindre nödvändiga funktioner som en bensindriven gokart inte har. En sådan funktion som har implementerats på gokarten är möjlighet att backa (alltså utan traditionell växellåda), asynkronmotorn gör ingen skillnad på framåt- eller bakåtdrift. För att styra detta monterades en riktningsbrytare på instrumentpanelen. Dessutom implementerades även ett nödstopp för att kunna bryta reläet om något fel uppstår, samt en säkring, som dock bara skyddar styrkretsarna i omriktaren. 3.3 Säkerhet I stycket ovan har det beskrivits ett par funktioner som relaterar till säkerheten, närmare bestämt temperaturkontrollen, nödstoppet och säkringen. Utöver dessa finns ett par andra viktiga säkerhetsanordningar att implementera på en gokart, en sådan sak är huvudbrytare för batterierna. Normalt sett ska den startnyckel som monterades på instrumentpanelen bryta spänningen till omriktaren, men det är ändå viktigt att fysiskt kunna koppla ur varje batteri om det skulle uppstå allvarliga fel eller bara för att underlätta batteribyte. På projektets gokart har det därför monterats en huvudbrytare direkt efter varje batteri så att batterierna kan kopplas ur var för sig. Slutligen är det bra att ha ett skydd för kedjan eller den mekaniska kraftöverföring man har valt mellan motorn och drivande hjulaxel. En väldimensionerad kedja bör aldrig gå av men för att skydda sig mot en olycka är det viktigt att ha ett rejält kedjeskydd som täcker så stor del av kedjan som möjligt. Till denna gokart tillverkades ett skydd i aluminium som täcker kedjan och kedjehjulet, se figur 6. 14 Figur 6. Kedjeskyddet på gokarten täcker hela kedjan för att förhindra skada vid eventuellt kedjebrott. 4. Konfiguration av motorstyrning När projektet började satt omriktare och motor monterade på barnkarten. Alltså fanns redan från start ett fungerande val av omriktarens funktioner. Motorstyrningen ACE2 är primärt avsedd för industritruckar eller andra arbetsfordon. Förra årets projektgrupp gjorde ett val för att bestämma vilka funktioner som skulle kopplas in för gokartdrift. Dessa val har bearbetats och ändrats i årets projekt. Noteras bör att det finns en viktig skillnad mellan omriktarens funktioner. Dels finns det de funktioner som måste kopplas in rent fysiskt genom en egen sladd i det mångpoliga kontaktdonet på omriktaren, se figur 7. Dels finns de funktioner som enbart är mjukvaruinställningar. Dessa funktioner konfigureras med hjälp av en programmeringsdosa till omriktaren. Figur 7. Anslutningen av signalkablar till omriktaren 15 4.1 Funktioner med fysisk anslutning Det kompletta kopplingsschemat för omriktaren och gokarten, som resultatet blev i detta projekt, kan ses i figur 8. Figur 8. Kopplingsschema för gokartens elektriska drivsystem inklusive instrumentering och reglage De in- och utgångar som har använts i projektet är följande: A1 gör att omriktaren får ström genom nyckelbrytaren för att kunna slå till reläet (A16). När reläet sedan är tillslaget får omriktaren ström till kraftelektroniken för att kunna driva motorn. A1 sitter i serie med en säkring för att förhindra skador vi eventuell kortslutning, samt med en lampa för att indikera när matningsspänningen är inkopplad. A2, A3 och A9 tar hand om signaler från potentiometern i gaspedalen. A2 är positiv referensspänning, A3 är styrsignalen från potentiometern och A9 är negativ referensspänning. A4 och A5 är ingångar för drift framåt respektive bakåt. Dessa båda är kopplade till den interna brytare i gaspedalen som ger signal för drift när pedalen trycks ner. Riktningsbrytaren avgör sedan om gokarten går framåt eller bakåt. 16 A6 är en säkerhetsfunktion som ska avgöra om föraren sitter i gokarten eller inte. Men denna funktion är inte implementerad och A6 är kopplad direkt till A9 och därmed till negativ batterispänning, eftersom omriktaren kräver att den ska vara inkopplad. A7, A8, A14 och A15 hanterar återkopplingen till motorn. A7 är signal från enkoderns (varvtalsgivarens) fas A och A14 signal från fas B. A8 är positiv spänningsmatning till enkoder, och A15 negativ matning (jord). A11 är en säkerhetsfunktion som ska bryta reläet och slå ifrån batterierna om något går fel. Då denna funktion inte används är den alltid kopplad till negativ batterispänning för att omriktaren kräver att ingången är aktiv. A16 och A17 styr reläet. De ger spänning till spolen som kopplar in kraftelektroniken i omriktaren. A18 ska egentligen vara kopplad till ett relä för en elektromekanisk broms. Denna är dock inte implementerad utan simuleras enbart med hjälp av ett 10k-ohms motstånd. A22 och A23 hanterar signal från temperaturgivaren i motorn. I sitt kompletta utförande inkluderar omriktaren 23 inkopplade funktioner, A1 till A23. Som ses i figur 8 saknas det ett antal av dessa, nämligen: A10 har liknande funktion som A3 fast för bromspedal. A12, A20 och A21 är anslutningar för CAN-bus (Controller Area Network) för att kunna koppla in extern utrustning via ett CAN-nätverk. A13 är en ingång för handbroms. A19 är en utgång för backvarnare. Med ovanstående konfiguration fungerade gokarten bra. A10 och A13 har inte implementerats eftersom omriktaren mycket effektivt motorbromsar automatiskt direkt när man släpper gasen. Dessutom har gokarten hydrauliska skivbromsar. A19 var ej relevant och CAN-nätverket har inte implementerats eftersom det primära projektmålet var att ta fram en körbar gokart, och då behövdes det inte. 4.2 Startsekvensen För att alls få ström till motorn kräver omriktaren att vissa funktioner är inkopplade. När startnyckeln vrids om kopplas lampan in och omriktaren spänningssätts via ingång A1. Efter en kort tid slår omriktaren till reläet och omriktaren får full batterispänning för att driva motorn. Nu är gokarten körklar och man kan välja fram eller back med riktningsbrytaren. För att köra iväg trycker man på gaspedalen och omriktaren börjar mata motorn. Gaspedalen styr hastigheten oberoende av belastningen på motorn. Detta kallas varvtalsreglerad drift och innebär att ett specifikt läge på gaspedalen motsvarar ett specifikt varvtal på motorn. Detta kan jämföras med ett fordon som har förbränningsmotor där man snarare styr effekten som motorn genererar. 17 4.3 Funktioner i mjukvaran Omriktaren Zapi ACE2 har mångtaliga inställningsmöjligheter för styrning av motor, för en fullständig beskrivning se manualen (Zapi, 2007). I detta kandidatarbete har de inställningar som tydligast påverkar köregenskaper och prestanda testats. Konfigurering av dessa parametrar har gjorts för att hitta en lämplig kombination mellan prestanda och drifttid. Förutom de inställningsbara parametrarna finns en testfunktion som visar aktuella data för motorn, till exempel spänning, ström, frekvens och temperatur. Under menyn ”Adjustments”: MAIN CONT V. RID bestämmer den spänning som ges till reläet för att fortsätta hålla det tillslaget när det väl slagit till. Denna ställdes till 40% (alltså 19,2V) för att minska den passiva strömförbrukningen och värmeutvecklingen i reläet. En inställning på 20% provades också men då var det precis på gränsen att reläet hölls slutet. Dessutom uppstod ett otrevligt högfrekvent pip vilket gjorde denna inställning ofördelaktig. Under menyn ”Parameter change”: ACCELERATION 0 styr motorns acceleration från stillastående upp till ACC PROF. FREQ 1. Alla accelerations- och bromsparametrar anges i sekunder och relaterar till den tid det skulle ta att accelerera från 0 till 100 Hz (alternativt bromsa från 100 till 0 Hz) med just den inställningen. Följaktligen blir lågt ställd parameter lika med snabb acceleration eller inbromsning. ACCELERATION 0 ställdes till 6,0 s efter körtester. Denna inställning gjorde att gokartens acceleration upplevdes som ”snabb” men samtidigt var den inte för ryckig utan det gick att hålla en låg konstant hastighet. INV. ACCEL 0 bestämmer accelerationen från stillastående efter byte av körriktning. Denna parameter valdes till 10,0 s eftersom det då inte utgör någon risk att ofrivilligt komma åt riktningsställaren. Gokarten blir inte ryckig och dessutom fanns inget behov av att ögonblickligen kunna byta körriktning med maximal acceleration. ACCELERATION 1, 2 och 3 anger hur motorn ska accelerera från motsvarande ACC PROF. FREQ 1, 2 eller 3 upp till nästa gräns. ACCELERATION 2 anger alltså accelerationen från ACC PROF. FREQ 2 till ACC PROF. FREQ 3. ACCELERATION 3 anger i sin tur accelerationen från ACC PROF. FREQ 3 upp till maxhastighet. ACCELERATION 1, 2 och 3 ställdes till 4,5 s, 4,5 s respektive 4,0 s. Detta gjordes för att gokarten skulle få en bra acceleration utan att vara alltför ryckig i körstilen. ACC PROF. FREQ 1, 2 och 3 anges i hertz och är frekvensgränser för de olika accelerationsintervallen. Dessa parametrar valdes till 10 Hz, 20 Hz respektive 40 Hz vilket fungerade bra i de körtester som utfördes. 18 RELEASE BREAKING. Denna inställning anges i sekunder och bestämmer hur lång tid det tar att motorbromsa från 100 Hz till stillastående. Inbyggt i omriktaren finns en automatisk regenerativ bromsfunktion (alltså att motorn används som en generator när fordonet bromsar och således laddar batterierna en kort stund). Denna funktion är på ett sätt fördelaktig, men parametern ställdes ändå till max, 10 s, för att minska motorbromsningen så mycket som möjligt och göra gokarten mer lik en ”vanlig” bensindriven kart i körsättet. MAX SPEED FORW är maximal hastighet vid framåtdrift. Ställdes till 100 Hz eftersom en gokart ska kunna gå relativt snabbt, men det fanns inte behov att ställa den högre än 100 Hz, vilket dessutom hade gett fältförsvagning. MAX SPEED BACK är maximal hastighet vid backning. Denna ställdes till 8 Hz eftersom det inte fanns behov att kunna back särskilt snabbt. FREQUENCY CREEP bestämmer minsta möjliga hastighet i någon riktning. 0,60 Hz ansågs vara ett lämpligt värde för långsammaste möjliga krypkörning. MAXIMUM CURRENT bestämmer maximala strömmen som omriktaren matar motorn med. Denna anges i procent av omriktarens maximala ström och parametern ställdes till 70% vilket efter testkörning verkade vara en passande avvägning mellan drifttid och prestanda. Under ”Program VACC”: Nödvändig programmering av gaspedalens minimala och maximala utslag för att ställa in det intervall i vilket gaspedalen ger signal till omriktaren. 19 5. Körtest av gokarten Det bästa sättet att prova en gokart och dess prestanda är naturligtvis att köra på en bana avsedd för gokartar. Om detta görs finns möjlighet att konkret testa väghållning, styrning och acceleration. En intressant aspekt med en eldriven gokart är att jämföra den med bensindrivna gokartar. För att göra en sådan jämförelse rättvis behöver dock någon typ av standard för motoreffekt och rent fordonsteknisk utrusning följas för både den eldrivna och den bensindrivna gokarten. Eventuellt kan det också vara lämplig att bestämma en maximal kostnad för fordonet eftersom en obegränsad budget skulle göra jämförelsen direkt missvisande. För den gokart som byggts i projektet har det tyvärr inte funnits möjlighet att testa den på bana. Provkörning har istället ägt rum i närheten av Chalmers, på parkeringsplatsen mellan V-huset och Skeppsrännan samt på raksträckan utanför Chalmers Teknikpark. Dessa platser har naturligtvis begränsat möjligheten att se hur gokarten beter sig under tävlingslika förhållanden. Det är positivt att det har gått bra att testa acceleration och topphastighet, men tyvärr har det inte gått lika bra att testa väghållningen på grund av utrymmesbrist. 6. Resultat – den färdiga gokartens konstruktion och prestanda Projektets primära resultat är att gokarten går att köra. Alla mekaniska komponenter är på plats och fungerar. Det elektriska drivsystemet har implementerats och fungerar bra. Sammantaget är gokarten fullt körduglig och upplevs till och med som rolig att köra! Sett till gokartens konstruktion har projektet uppnått målen. Chassit som från början inte var mycket mer än en stålram, däck, ratt och säte har byggts om till en eldriven gokart med bra prestanda. Motorn monterades tillfredställande baktill på chassit och batterier och omriktare monterades även de på ett funktionellt sätt. Det elektriska gasreglaget har integrerats med chassits fysiska gaspedal och en instrumentpanel med relevanta visare och reglage har konstruerats. Säkerhetsfunktioner såsom kedjeskydd och huvudbrytare till batterierna sitter också på plats. Slutligen kopplas alla elektriska komponenter ihop med kablar som är snyggt och praktiskt dragna. Konstruktionsmässigt är alltså resultatet som önskat. Den andra delen av projektet som beskrivet i metodavsnittet var att konfigurera omriktaren enligt önskad prestanda och funktionalitet. Detta har också åstadkommits efter ett antal testkörningar för att prova inställningarna. De parametrar som reglerar acceleration och motorbroms är de som har behandlats mest utförligt. Till slut konstaterades att de inställningar som presenterades under avsnitt 4.3 fungerar bra och ger fullgod prestanda med godkänd drifttid. 20 I tabell 1 ges en översiktlig presentation av några av de testsessioner som utfördes med gokarten. Drifttiden räknas som den tid gokarten har rullat, från fulladdade batterier tills batterispänningen sjunkit så mycket att reläet har slagit ifrån vid acceleration. Det har alltså fortfarande gått att köra gokarten långsamt då det inte kräver lika mycket ström från batterierna. Noteras bör att de olika sessionerna inte är direkt jämförbara då körsättet varierat mellan gångerna. De olika testkörningarna har bestått av hastighets- och accelerationstest samt allmän körning för att prova styrförmågan och få erfarenhet av hur gokarten uppför sig. Data i tabellen ger en uppskattning om till exempel gokartens genomsnittliga körtid, men ska inte ses som garanterade värden som alltid kan uppnås. Siffrorna skulle säkerligen ändras vid jämnare körstil för att till exempel uppnå längsta möjliga körsträcka på en batteriladdning. Tabell 1. Data från tre olika testsessioner med gokarten. Uppgifterna är inte jämförbara rakt av utan ska ses som en uppskattning av dess prestanda Sträcka [km] 3,43 2,48 4,67 Tid [min] 20 16 24 Maxhastighet [km/h] 49,1 40,1 58,9 Under den tredje testkörningen gjordes tillfälligt en ändring i omriktarens inställningar och parametern MAX SPEED FORW sattes till 125 Hz. Vid denna inställning uppnåddes en maxhastighet på 60,7 km/h, dock begränsad av raksträckans längd där testkörningen ägde rum. Förutom de resultat som redovisats i tabell 1 gjordes även ett antal försök att uppnå minimal tid över en sträcka på 30 m, från stillastående start. Vid dessa tester uppmättes en tid på ca 5 sekunder inklusive reaktionstid. Dock gjordes mätningarna för hand vilket medför en relativt stor osäkerhet. 21 7. Diskussion Resultaten såsom presenterade ovan är i mångt och mycket i enlighet med det förväntade. Gokartens konstruktion blev lyckad även om dess styrförmåga och väghållning inte blev så bra som kan krävas av en gokart. Detta beror i huvudsak på att gokarten är baktung då motorn är placerad bakom bakaxeln. I allmänhet fungerar gokarten ändå mycket bra att köra och komponenter och kablar har monterats och fästs så att projektets viktigaste syfte är uppfyllt, gokarten är körbar. Ett av de problem som identifierades vid projektets början var att flytta komponenterna från barn-kartens chassi till det större chassi som fanns tillgängligt för detta projekt. Konstateras kan att det gick bra att flytta komponenterna och även att inkludera nya mätinstrument i systemet. Enligt avsnitt 3.1.3 ger en frekvensreglerad asynkronmotor nära maximalt vridmoment oberoende av motorns frekvens. Detta har dock inte riktigt kunnat observeras i verkligheten. Gokarten accelererar väldigt snabb (ett par sekunder) upp till ca 40 km/h, men sedan går den fortsatta hastighetsökningen betydligt långsammare. Detta kan bero på att de nuvarande blybatterierna begränsar strömmen till motorn, eller på den i omriktaren inställda strömbegränsningen. Ett annat problem som behövde lösas inom ramarna för projektet var att förstå omriktaren och dess funktioner för att kunna konfigurera gokarten enligt önskad prestanda. Resultatet visar att konfigureringen gått bra och omriktaren styr motorn på ett tillfredsställande sätt. Tyvärr har arbetet med omriktaren inte gett några fördjupade teoretiska kunskaper kring växelriktare. Projektgruppens medlemmar har lärt sig mer om vad en omriktare kan göra och hur den fungerar i verkligheten, men de bakomliggande teoretiska kunskaperna behöver bli mer ingående. I anknytning till projektets metod kan sägas att den har gett ett bra resultat. Det var bra att först göra en modell av de fästen och skydd som skulle tillverkas. För ytterligare effektivitet i den konstruktionsmässiga fasen hade dock en tydligare uppdelning av arbetsuppgifterna kunnat göras. Konfigurationen av omriktaren har också gått bra att genomföra som en iterativ process där nya inställningar har provats i verkligheten. 22 8. Förslag till förbättringar Även om gokarten fungerar finns det många saker som skulle kunna förbättras eller göras annorlunda. Sett till vad som skulle göra gokarten snabbare i tävlingar är det viktigaste att förbättra väghållningen och styrförmågan. Den bristfälla väghållningen beror i huvudsak på den ojämna viktfördelningen och den stela bakaxeln. Det förstnämna skulle kunna motverkas genom att använda en mindre motor. Den befintliga motorn kan ge en kontinuerlig effekt på 6 kW och under kortare perioder kan den ge ytterligare effekt, vilket är mer än tillräckligt. Att använda en mindre motor skulle kunna minska vikten men ändock ge fullgod effekt. För att avhjälpa den stela bakaxeln finns två olika lösningar, antingen att montera en differential eller att använda separata motorer till de drivande hjulen. Om detta gjordes skulle det ge möjlighet för hjulen att rulla olika lång sträcka i kurvor. Nackdelen med två separata motorer är att det förmodligen blir dyrare eftersom det även behövs två omriktare samt en sensor för att känna av rattutslaget. Nackdelen med den enklare lösningen att använda en differential är att om innerhjulet lyfter i en kurva kommer det att rulla fritt och ta kraft från hjulet som har markkontakt, därför vore det önskvärt att även ha ett antispinnsystem i detta fall. En tydligt begränsande faktor för ett eldrivet fordon är dess batterier. De blybatterier som används på gokarten idag är tunga och det finns alternativ som har klart bättre kapacitet. Användandet av Li-jon-batterier som både har högre kapacitet och kan ge högre ström skulle förbättra både acceleration och drifttid. En annan sak som skulle förbättra gokartens prestanda för eventuella tävlingar är att använda en omriktare som är avsedd för snabbare fordon än truckar och andra arbetsfordon. Den främsta fördelen med att använda en sådan skulle vara att gokartens nu kraftiga motorbromsning skulle kunna minskas. I och för sig skulle i så fall den regenerativa bromsverkan minska vilket ju inte enbart är positivt. Den bästa varianten vore att använda en omriktare som tillåter att motorn rullar fritt när gaspedalen släpps upp. Vid ett lättare tryck på bromspedalen skulle sedan motorbromsen kopplas in, och vid ett kraftigare tryck skulle motorbromsen och de hydrauliska bromsarna samverka. Detta torde ge en, för en eldriven gokart, utmärkt kombination av fart, bromsverkan och energieffektivitet. Slutligen finns det vissa säkerhetsaspekter som vore bra att arbeta vidare med. I sitt nuvarande skick har gokarten ett flertal öppna ledande ytor som naturligtvis skulle vara bra att isolera. Ett överströmsskydd för respektive batteri skulle minska risken för skador vid en eventuell kortslutning. Det nuvarande nödstoppet skulle också kunna förbättras så att gokarten bromsar in när nödstoppet trycks ner, vilket inte sker i dagsläget. 23 9. Slutsatser En slutsats som kan dras från detta projekt är att ett chassi från en bensindriven gokart duger bra som utgångspunkt för att konstruera ett eldrivet fordon. Det krävs inte heller några ovanliga eltekniska komponenter för att få eldriften att fungera. Värt att tänka på är vinsten med att dra kablar ordentligt, att göra dem lagom långa och samla dem i en kabelstrumpa underlättar eftersom det inte blir några löst hängande kablar. För en eldriven gokart är det också speciellt viktigt att konfigurera motorstyrningen korrekt. Om inte detta görs spelar det ingen roll hur bra konstruktionen är i övrigt, eftersom omriktaren explicit styr motorns prestanda. Därtill är det givande att mäta elektriska parametrar för att kunna övervaka gokarten vid drift. Om målet är att konstruera en tävlingsgokart är det nödvändigt att förbättra väghållningen genom att använda en differential för drivande hjulaxel, alternativt att använda separata motorer för de drivande hjulen. Detta har egentligen inget med eldriften att göra utan är ett problem för alla gokartar. Dock ger eldriften intressanta möjligheter att lösa problemet genom användning av separata motorer. I detta sammanhang blir även placeringen av tunga komponenter som motor och batterier viktig, vilka bör placeras så att viktfördelningen centreras mellan gokartens hjulaxlar. Slutligen kan sägas att, precis som i elbilens barndom för drygt 100 år sedan, så är batterikapaciteten ett avgörande problem. För en gokart räcker 15-20 minuters drifttid, men om det ska köras flera tävlingsomgångar blir batterikapaciteten en begränsande faktor. 24 10. Litteraturförteckning Alhashimi, M., Andersson, C., Klang, K., & Madorski, R. (2009). Framtagning av en elektrisk driven gokart. Utbyte av drivsystem från bensindrivet till eldrivet system. Göteborg: Chalmers Tekniska Högskola. Crompton, T. (2000). Battery reference book. Oxford: Newnes, 108-129. Dhameja, S. (2002). Electric vehicle battery systems. Boston: Newnes. Elfa AB. (2007). Faktasidor. Hämtat 2010-05-13 från https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_STATIC/sv/pdf/fakta.pdf Institutionen för Energi och Miljö. Elteknik. Göteborg: Chalmers Tekniska Högskola, 86-134, 160-164. Westbrook, M. H. (2001). The Electric Car: Development and Future of Battery, Hybrid and Fuel-Cell Cars. London: Institution of Electrical Engineers. Zapi. (1975-2007). ZAPI ACE2 350-450 INVERTER. User Manual . Zapi S.p.A. 25 11. Appendix A MatLab-kod för att räkna ut moment och hastighet för gokarten. Pn=6000; wn=2850/60*2*pi; Vaxel=2.5; M=200; % % % % märkeffekt [W] vinkelhastighet [rad/s] växelförhållande massa [kg] Tmotor=Pn/wn Thjul=Tmotor*Vaxel Ohjul=0.87; Rhjul=Ohjul/(2*pi); Fhjul=Thjul/Rhjul % % % % % moment på motor [Nm] moment på hjulaxel [Nm] omkrets hjul [m] radie hjul [m] kraft på hjul [N] Vmax=2850/Vaxel/60*Ohjul Vmax=2850/Vaxel/60*Ohjul*3.6 % hastighet [m/s] % hastighet [km/h] 26
© Copyright 2024