Konstruera en eldriven snöskoter

Transkript

1 Konstruera en eldriven snöskoter Författare: Martin Olofsson Handledare:Håkan Joëlson 1

2 Förord Jag vill tacka min mentor Håkan Joëlson för hans vägledning och engagemang genom kursen och de personer som har varit inblandad i kursmaterialet. Även ett tack till Eirik Pedersen som hjälpt till vid granskning av de inlämnade uppgifterna. Jag tackar alla de personer som gjort denna intressanta och lärorika kurs möjlig. 2

3 Sammanfattning Rapporten går ytligt igenom ämnena av framtagning av ett koncept för en elektrisk snöskoter, utifrån en kravspecifikation. Rapporten handlar huvudsakligen om prestandan och hur det fungerar att ha eldrift. Prestandan för skotern räknas fram utifrån batteriets kapacitet som har blir vald mellan tre olika batterityper. Konceptet redovisas i form av diagram, tabell och en 3D visualisering. Förslag på förbättringar av konceptet och vad som bör tänkas på vid utformning av en elektrisk driven snöskoter tas upp i slutet av rapporten. Konceptet är av märket Ski-doo och har namnet ES-30. Skotern har endast 30 hästkrafter men den höga verkningsgrad eldriften gör att den omsätter energin effektivt så att den kan uppnå en hastighet av 70km/h på fyra sekunder. Skotern väger och har en storlek som är detsamma med en konventionell men priset för en eldriven är ungefär tre gånger dyrare. Dessutom kan skotern bara köras i nästan e 3

4 Innehållsförteckning 1 Inledning Syfte och mål Begränsnignar Metod Teori Electricitet som drivmedel Batterier Bly-syrabatteri NiMH-batteri Li-jonbatteri Jämförelse av statestik... Error! Bookmark not defined BMS Använding av bränslecell Återanvända rörelseenergin Metod Elskotrar kan bli verklighet Kravspecifikation Val av drivmedel Prestanda Räkna på prestanda Välja effekten på batteripaketet Den valda prestandan Sammanfattning av prestandan Designen Skyddslucka Inget behov av ventiler på huven Kylsystemet Kostnad Diskussion Resultat

5 6 Källförteckning Inledning 1.1 Syfte och mål Detta är slutuppgiften för kursen Elbilar och andra miljöfordon som hålls på distans ifrån Umeå Universitet under sommaren Meningen med fördjupningen är att arbeta med ett område som har med miljövänliga fordon att göra och som inkluderar ett intresse för den studerande. Jag läser till ingenjör inom produktveckling och vill kombinera denna kurs med min utbildning. Att designa en snöskoter med miljövänligt drift tycker jag låter spännande. Mitt mål är att teoretiskt skapa en sportvariant av en snöskoter med eldrift som har ett konkurrenskraftigt pris och en prestanda likvärdig med en konventionell. Dessutom ska möjligheten över att tillverka sin egen energi till snöskotern ses över. Om det finns problem som gör att eldrift för snöskotrar orimligt att förverkliga, vilka är då problemen? Kan dessa hinder lösas på något sätt? Hur populär kommer detta koncept bli på marknaden? Är det dessutom ekonomiskt att producera sin egen el till snöskotern? 1.2 Begränsningar Rapporten kommer innehålla information om hur skotern konstrueras utifrån en kravspecifikation. Lösningsförslaget kommer sedan diskuteras om eventuella förbättringar. Det kommer att finnas många områden som är möjligt att fördjupa inom, men denna rapport kommer bara bli grundlig. Utöver detta kommer även ett lösningsförslag i form av ett koncept presenteras. Den kommer även att visualiseras, pågrund av intresse och ambition. 1.3 Metod Utifrån en kravspecifikation kommer ett batterityp väljas. Sedan kommer beräkningar ske för att uppskatta prestandan och priset för skotern med det valda batteriet. Därefter kommer förslag läggas fram för hur man ska utveckla konceptet mot en möjlig förveckling. Alla frågor som ställs upp i kravspecifikationen kommer bearbetas i rapporten. Mycket fakta ifrån kursen kommer att bearbetas tillsammans med mina erfarenheter från min utbildning. 5

6 2 Teori 2.1 Electricitet som drivmedel Redan idag produceras det kolossalt stora mängder elektricitet runt om i världen som går ut till hushåll, gatulyktor och en hel del annat. Elektricitet går att utvinna på olika sätt. Vanligaste sättet är få en axel att snurra till en generator som omvandlar den mekaniska energin till elektrisk. Kemisk reaktion är också förekommande. Kärnkraft är en sådant exempel. Att köra ett eldrivet fordon är miljövänligt, de släpper inte ut en endaste partikel som kan skada miljön. Däremot kan elen produceras ifrån en bearbetning som kan ge negativa effekter för omvärlden. Ett sådant exempel är kolkraftverk som förbränner kol för att skapa el. Eldrift har en hög verkningsgrad, omkring 70-90%. Detta jämfört med ett konventionellt fordon som bara har 16-20% är verkningsgraden hög. Det innebär att en stor del av energin inte kommer gå till spillo. Priset att färdas med elektricitet är billigt, då priset för varje kwh ligger omkring 1kr. Det innebär att det är förmånligare att färdas med eldrift. Att tanka ett fordon med eldrift kan ta upp till timmar om laddning sker hemma. På speciella tankstationer är det teoretiskt möjligt att tanka med mer energi åt gången vilket gör att tankning kan ske rätt snabbt. Att lyckas uppnå en laddningstid som är likvärdig med bensindrivna fordons hastighet är svårt. En elektrisk effekt är uppdelad i två faktorer. En är spänning som har enheten volt. Den andra är ström som har enheten ampere. Ampere kan vara skadligt till och med dödligt i stora doser. Därför bör effekten helst bestå av hög spänning med låg ström av säkerhetsskäl. Snöskotrar används ofta utanför de stora samhällena och då ofta vid stugor. Ett elektriskt fordon behöver laddas ideligen så då är behovet av en energikälla stor. Stort antal stugägare producerar sin egen el med hjälp av små vindkraftverk eller solceller. Alternativt tar man elektriciteten från vägguttaget om elnäten leds till platsen där stugan finns. Det finns ingen förbrännigskamare som ger ifrån sig smällar. Därför kommer ett fordon som drivs på el vara mycket tyst. 2.2 Batterier Batterier fungerar sämre i kyla vilket även gör fordonet seg. Då bör batterierna värmas upp på något sätt. De kommer bli varma efter ett tag då en del av energin batteriet framställer omvandlas till termisk energi. 6

7 2.2.1 Bly-syrabatteri Det finns faktorer som påverkar bly-syrabatterier på ett negativt sätt. Gamla batterier fungerar sämre och får sämre kapacitet. Det beror blysulfat kommer att omvanldas till grovkristallin med tiden som inte kan laddas upp. Batterier kan inte stå oladdad under en längre tid då lager av blysulfat bildas på elektroderna och förhindrar ström att transporteras genom. Detta går att ta bort men bör undvikas. Batteriet kan bli torr, beror nästan alltid på att det är brist på elektrolyt. Det kan vara på grund av att den har läkt ur eller vattnet i syran har avdunstat (som kan fyllas på med destilerat vatten). Är batteriet torr för länge så förstörs batteriet. Kortslutning gör att batteriet eventuellt måste bytas ut. Det uppkommer från genomslag eller att slamrummet har fyllts NiMH-batteri Ett NiMH-batteri kan ta skada om den överhettas över +40C. Detta måste beaktas i utformningen av fordon som använder denna typ av batteri. Därför är kylningen viktig. Batteriet har en tendens att urladda sig själv med 40% varje månad. Efter laddningar börjar effekten avta för batteriet. Ett NiMH-batteri bör laddas ur var 3:e månad. Den får inte bli överladdad Li-jonbatteri Li-jonbatterier bevaras bäst om de undviks att urladdas helt. Om Li-jonbatterier påfrestas av för mycket värme kan prestandan försämras. Därför bör batteriet bevaras i lämpliga temperaturer då den är kännslig och om det så krävs så behövs kylning under drift. Batterierna kan även brinna kraftigt om eld skulle uppstå. Ett Li-jonbatteri håller för laddningar beroende på kvalite och skötsel. Tabell 1. Batterityp Bly-syrabatteri NiMH Li-jonbatteri Watttimmar per 30Wh/Kg 60Wh/Kg 200Wh/kg kilogram Kronor per kilogram 35kr/kg 900kr/kg 4000kr/kg Volymen per kilogram 440cm3/kg 300cm3/kg 570cm3/Kg 7

8 2.2.5 BMS BMS står för Battery Management System. Det är ett system som förhindrar överladdning eller total urladdning, eftersom båda scenariorna är skadliga så skapades detta system. Dessutom kan den kyla ner batteriet omdet blir för varmt eller värma upp om batteriet blir för kall. 2.3 Använding av bränslecell Bränsleceller genererar elektricitet och kan då integreras med drivlinan. Bränslecellen behöver vätegas och syre för att kunna fungera. Att producera sin egen vätgas skulle kunna bli möjligt i framtiden och då det råder ingen brist på råvaran som går att få ifrån snön, vanligt vatten. Det finns några metoder för att skapa vätgas i dagsläget och fler är under forskning. Har man vätgas kan man frakta energin till platser där snöskotern eventuellt skulle kunnat fått slut på energi och då ladda den. 2.4 Återanvända rörelseenergin i fordon Återanvända energi är en vanlig teknik hos hybrid- och elbilar. Om bilen har fart och ska sakta ner kommer batteriet att laddas. När rörelseenergin försvinner kommer bilen få mindre fart. En del av rörelseenergi förvandlas till elektrisk energi av elmotorn. Det har blivit en omvänd process. I vanliga fall får elmotorn electricitet och genererar rörelseenergi. 8

9 3 Metod 3.1 Elskotrar kan bli verklighet Det är fullt möjligt att bygga en snöskoter som drivs på el. Det finns bilar och motorcyklar som drivs på el. Möjligheten att bygga en eldriven snöskoter har även bevisats av några studenter från Universitetet i Wiscousin i USA. Se bild 2 för en vy under motorhuven. 3.1 Kravspecifikation Bild 2. Under motorhuven på en elektrisk snöskoter Eftersom denna terrängfordon ska vistas i klimat med snö så måste den klara kyla. En användning av snöskotern ska vara möjlig i -40C utan att det blir allt för stora problem. Skotern får inte vara för tung. Det är mycket fördelaktigt om skotern är lätt så snön bär upp skotern bättre, då undviks även den risken att fastna. Dessutom innebär det bättre handling och mindre energiförbrukning. Batterierna får inte ta för mycket plats. Priset och körsträckan för skotern bör vara i samma klass som en konventionell om effekten är detsamma om skotern ska bli populär på marknaden. Snabb acceleration kännetecknar en sportmaskin. Därför måste effekten vara så hög som möjligt och då utan att det drabbar andra viktiga egenskaper. Många som äger snöskotrar har stugor på platser utanför samhällena. Därför är det en fördel om det finns möjlighet att producera sin egen energi. Situationen kan vara så att man befinner sig långt ute i ödemarken och får slut på energi. Därför bör det gå att på något sätt frakta energin till platsen för att ladda skotern. 9

10 3.2 Lämpligaste batteriet Jag tittar på tre olika typer av batterier och tror att den lämpligaste batteriet är Li-jonbatteriet. Det är ett dyrt batteri men behöver ingen större service. Den är dyrare än NiMH-batterierna men har en längre levnadstid och kan användas längre innan laddning behövs, vilket gör att Li-jonbatterierna är billigare sett med tiden. En lätt jämförelse kommer att ske mellan Li-jon- och NiMH-batterierna under beräkningsdelen för att se vilken som är ändå bäst lämpad för uppgiften. Bly-syrabatteriet sållar jag bort då den är tung och tar stor platts. 3.3 Prestanda Räkna på prestanda Effektfördelning Diagram 1. Bild 3. Fördelning av effekt Effekten för eldrift fördelas jämt inom två faktorer. I detta fall fördelar det sig på moment och vinkelhastighet. I bild 3 är den blå linjen hur effekten fördelar sig. Den maximala effekten uppstår vid medel vinkelhastighet och momentkraft, vilket är illustrerat med två röda linjer. Därför kommer en konstant sättas in i kommande beräkningar för att minska effekten till bara 75%, detta är eftersom den ska accelera så fort som möjligt så kommer den inte att använda maximal effekt. Konstanten har tecknet C. Sedan har eldrift en ungefärlig verknignsgrad på 70%. Denna konstant har tecknet. n är antalet kilogram av batterier som behövs Beräkna batteribehovet för Li-jondrift För att beräkna accelerationen beroende utav effekten behövs formler. Se ekv (1), (2) och (3). W är energin effekten P uträttar under ett antal sekunder t (1) Rörelseenergin är uppdelar i två faktorer. M som är massan för skotern. V är hastigheten den har. Energin effekten ger multipliceras med konstanter för få ut hur stor del som blir rörelseenergi. (2) 10

11 (3) En sammansättning av ekv (1),(2) och (3) ger ekv (4). (4) En förenkling ger ekv (5). I detta fall kommer ekvationen visa hur länge den måste verka innan fordonet uppnår till hastigheten V. (5) En hästkraft är lika mycket som 735,5 Watt, Li-jonbatterier har en effekt på cirka 300W/Kg och NiMH-batterierna har en effekt på cirka 800W/Kg. Därför kan en ekvation ställas upp för hur mycket batterierna kommer att väga i snöskotern efter antalet önskade hästkrafter. (6) (7) Den totala massan beskrivs i ekv (8). (8) Då kan ekv (6) och (7) sätta sammans med ekv (8). Detta ger ekv (9) och (10). (9) (10) Ekvation (9) och (10) sätts samman med ekv (5). Sedan sätts alla värden in. Eftersom m/s är den enhet som används till ekvationerna ändras 100km/h till m/s. Det blir 27,8m/s. Från denna formel kan man beräkna batteribehovet efter den önskade acceleration man vill ha. ( ) (11) 11

12 ( ) (12) Förhållandet mellan acceleration och effekt för NiMH- och Li-jonbatteri Diagram 2. Li-jonbatteriets effekt Diagram 3. NiMH-batteriets effekt Utifrån ekv (10) och (11) kan diagram 2 och 3 konstrueras. Den visar en kurva hur accelerationen ändras beroende på hur mycket batterier som används och den effekt de kan generera Välja effekten på batteripaketet Krav I diagram 1 går det att skåda att den höga verkningsgraden gör att det inte finns ett lika stort behov av hästkrafter som det gör för en bensindriven snöskoter. Det beror på den höga verkningsgraden eldriften tillbringar. Det är bra att försöka hålla ner på att ge fordonet för stor effekt då det påverkar fyra andra faktorer som är viktiga att hålla ner på. Volymen, vikten, laddtiden och speciellt kostnaderna för batterierna Val av batterityp NiMH- batterierna var mycket starkare men mitt val av batterityp blir Li-jonbatteriet, då den har en mycket längre körtid och klarar fler laddningar än NiMH-batteriet. 12

13 Val av storlek Jag tycker att snöskotern ska ha en acceleration omkring 10 sekunder för att öppnå 100km/h, som då endast kräver 30 hästkrafter, se diagram 2. Eftersom Li-jonbatterier är ett dyrt batteri så bör den inte ha en allt för hög effekt om de ska kunna konkurenskraftig gällande andra faktorer. Det innebär inte heller att den kommer komma upp i 100 km/h på de sekunder som diagrammet visar. Detta är för att den inte har tagit hänsyn till att mattan spinner lite och luftmotståndet som motverkar. Efter att ett fordon kommer över 70km/h kommer luftmotståndet göra ett en stor inverkan och uppta en stpr del av rörelseenergin Den valda prestandan En hästkraft är 735,5 W. 30 hästkrafter är då W. Om denna prestandan divideras på vad ett kilo batteri kan åstakomma så kan man få fram den behövda vikten av Li-jonbatteri, se ekvation (13). (13) Utifrån denna vikt kan volymen, priset och bestämmas. Varje kilogram batteri har en ungefärlig volym på 570cm3, kostar omrking 4000kr och genererar 200Wh. I ekv (14), (15) och (16) kan det skådas hur stora dessa värden kommer att bli för batteripaketet till skotern. (14) (15) (16) Kör- och laddtider Körtid Under full effekt så är effekten W och kan generera en energi på 14710Wh. Då kan körtiden bestämmas, se ekv (17). (17) 13

14 Kostnaderna att köra med eldrift 1kWh kostar ungefär 1 kr. Därför kan slutsatsatsen dras att varje åktur från fulladdning till urladdning kostar ungefär 15kr, se ekv (18) Ladda ifrån väggutaget För att beräkna hur länge det tar att ladda ifrån väggutaget måste det först räknas fram hur stor effekt ett väggutag kan ge, se ekv (19). (19) Snöskoterns effekt kan divideras på effekten från väguttaget för att få reda på laddtiden. Enligt ekv (20) har snöskotern en laddtid på 6 timmar och 20 min. (20) Ladda ifrån solceller Solpaneler kostar ungefär 63kr/watt. Det är praktiskt att ha snabbladdtid. En beräkning görs för att se hur mycket den kommer kosta för att generera lika stor effekt som ett väggutag, se ekv (21). (21) Priset för att ha solpaneler blir alltså kr. Solpaneler är kända för att hålla länge och bör tappa högst 80% av effekten under års tid. Det kan vara lönsamt för vissa, speciellt om behovet av el finns till annat. Det är ändå en större förmån om det finns tillgång till el från det landsomfattande intrastrukturen då det är billigt. 14

15 3.3.4 Sammanfattning av prestandan Tabell 2. Batterityp: Effekt: Energi: Körtid: Laddtid från eluttag: Vikt: Storlek: Ca pris: Li-jonbatteri 30 Hästkrafter = 22 kw 14,7 kwh Ca 40 till 60 min 6 timmar och 20 min 73,6 Kg cm3 = m kr. Diagramm 4 är skapad ifrån ekv (22) som är skapad ifrån ekv (11). Den valda effekten n är lika med 30 hästkrafter och talet 27,8 som är hastigheten blir en variabel istället. Denna variabel tillsammans med tiden bildar ekv (22). ( ) (22) Diagram 4. Teoretiska accelerationen 15

16 3.4 Designen Bild 4. Grundskiss Bild 5. 3D visualisering Bild 6. 3D visualisering Bild 7. 3D visualisering Designen är inspererad ifrån de nya modellerna av Ski-doo. Konceptet fick namnet ES-30, vilket står för electric snowmobile och 30 står för antalet hästkrafter. Skoterns officiella färg är vit Skyddslucka Det går att öppna en liten lucka på huven som är färgad något mörkare än själva huven. Under denna lucka finns en kontakt som gör det möjligt att ladda skotern med hjälp av en sladd. Luckan kan vara stängd för att skydda emot nederbörd medansbatterierna laddas. Luckan kan vara stängd fast än sladden är där. Luckan är liten på grund av att det ska vara smidigt att öppna den. Det går även att öppna hela huven vid behov om skotern behöver service. Bild 8. Skyddslucka 16

17 3.4.2 Inget behov av ventiler på huven Skotern har inget behov av ventiler på huven som släpper in luft som kyler motorn. Eldriften kommer att generera en liten del termisk energi men den kyliga luften runt om kring kommer vara tillräcklig att kyla ner systemet. Vid överhettning av batterierna så kommer en varningslampa lysa sammtidigt som elemterna runt om batteriet att börja kyla ner med hjälp av BMS Varmkörning När skotern har stått utomhus i kyla i timmar kommer batteriet vara kall. Det innebär att skotern kommer vara mycket seg. Då kommer element runt batteripakatet med hjälp av BMS värma upp batteriet. Detta kommer inte vara konstigare process än att varmköra en konventionell snöskoter. 3.5 Kostnad En uppskattad kostnad för skotern kommer att bli ungefär kr. Eftersom batteriet köps i en så stor skala kommer priset bli mildare. 17

18 4 Diskussion Det kommer bli svårt att få detta fordon ut på marknaden och säljas bra. Detta är på grund utav att människor saknar vetskap om vad det innebär att köra på el. Förmånerna med eldrift är många och kan med hjälp av dem med föra skotern in på marknaden. De tre stora nackdelarna är priset på skotern som blir så oerhört högt av batterierna. Sedan är det sträckan skotern kan färdas, tiden det tar att ladda. Människor kan även tveka att köpa skotern då den inte har många hästkrafter. Den höga verkningsgraden gör ändå att skotern är jämn stark med andra snöskotrar. Om denna kommer till försäljning kommer den nog mest trolig uppmärksammas lika mycket som bilen Tesla Roadster. Den kommer inte ha en allt för stort inflytande eller påverkan för världen att drivas mot ett miljövänligare håll. Detta är mycket troligt för att en snöskoter endast kan användas på få platser i världen. Därför tror jag inte att företag inom branschen inte kommer planera sådana projekt som har med eldrift att göra. Det blir först när bilföretagen tar första steget och börjar använda tekniken och gör den då konventionell som skoterindustrin blir intresserade, annars kan det kännas som en riskprojekt då en skoter som kräver en helt nytt system kräver stora resurser. I rapporten bearbetas inte i någon elmotorn större grad. Den kommer givetvis ge ett tyngre fordon och vara kostsam. använda en bränslecell till en snöskoter kan ha sina komplikationer då bränslecellens biprodukt är vatten. Vatten fryser till is om temperaturen är under 0 Celsius. Det innebär då att vattnet kan frysa sönder rör och även bränslecellen. Det är inget problem då skotern är igång då rören kan värmas upp av element, men under de perioder snöskotern inte är igång måste den ha värme eller riskera förfrysning. Hade man haft en bränslecell hade det varit lätt att ladda skotern då man bara behöver ta med vätgas i en behållare till platsen. Elen går att frakta i ett batteripaket som sedan byts ut mot det tomma under huven. En ny skoter kostar idag över kr. Priset för en elektriskt skoter är då ungefär 3 gånger dyrare än en konventionell. Om detta koncept hade kostat i trakterna av kr hade det tagit 12 sekunder att uppnå 70km/h. Därför är snöskoterns största problem priset. Priset för batterierna kommer mycket troligt gå ner i framtiden. Körtiden kan även vara ett stort problem då den bara ligger omkring en timme. Skotern kan utses med två batteripaket. Det kommer att ökas körtiden. Däremot kommer vikten och priset öka. Kan sänka effekten mer för att få ett bra försäljningspris. Batterierna kan även köpas billigare om de massproduceras i stora upplagor. Tekniken i framtiden kommer göra att priset blir mindre kostsam. En plugg-in hybrid kan kanske vara ett bra koncept att lansera för att testa marknaden. 18

19 5 Resultat Bild 9. Konseptet Ski-doo ES-30 Konceptet är av märket Ski-doo och har namnet ES-30. Skotern har endast 30 hästkrafter men den höga verkningsgrad eldriften gör att den omsätter energin effektivt så att den kan uppnå en hastighet av 70km/h på cirka fyra sekunder. Skotern väger och har en storlek som är detsamma med en konventionell men priset för en eldriven är ungefär tre gånger dyrare. Dessutom kan skotern bara köras i nästan en timme men kan tankas från vägguttaget. Priset är kr. Det är teoretiskt möjligt att konstruera en snöskoter som kan vara driven på Li-jonbatterier. Hästkrafterna kommer vara låga men den höga verkningsgraden eldrift erbjuder gör att effekten bli likvärdig med vilken vanlig skoter som helst. Om den ska ha en lika hög prestanda som en konventionell kommer skotern vara minst dubbelt så dyr än en vanlig. Därför bör eventuellt effekten sänkas för att vara mer förmånligare för konsumenterna och istället fokusera på fördelarna med eldrift vid marknadsföringen. Dessutom kommer denna låga effekten få tiden det tar att ladda att bli kortare och göra det förmånligare med laddning från egen energikälla som annars kräver relativt stora och dyra kraftverk. Körtiden kommer att bli begränsad då batterierna blir urladdad mycket snabbt. Ökar man körtiden kommer vikten för skotern att även öka vilket gör att den blir osmidig att köra då vikten bör vara så liten som möjlig. Dessutom kommer vikten göra att skotern drar mer energi. 19

20 Eldriften anpassar sig bäst för snöskotrar med låg effekt om de ska vara förmånlig gällande priset. I framtiden kommer utvecklingen tillsammans med ökad produktion och efterfrågan av Li-jonbatterier gjort att priset har blivit billigare vilket gör att effekten för snöskotrarna kan ökas samtidig vara eftertraktade. 20

21 Källförteckning Litteratur: C. Nordling, J. Osterman. Physics Handbook. Studentlitteratur AB Internet: