Utvikling av elektrisk drivlinje for Dolphin

Abstract

I dagens samfunn rettes fokuset stadig mer mot de skadelige utslippene ved forbrenning av petroleumsbasert drivstoff. I Norge har ansvarsbevissthet og attraktive insentivordninger sammen med et et økende spekter av tilgjengelige modeller langt på vei tatt persontransporten gjennom et grønt skifte mot en mer elektrifisert bilpark. Et ankepunkt er dog at det fortsatt kjøres svært mange bilturer med ubenyttet personkapasitet om bord. Om flere av kjøretøyene som benyttes til persontransport, gjøres mindre, lettere og tilpasset færre personer, vil det både frigjøres plass og spares energi ved den daglige persontransporten. Om drivlinjen i tillegg gjøres elektrisk vil det kunne bidra til et renere miljø i tettbebyggede områder, og senke påvirk-ningen av det globale klimaet. Dolphin er et lettvekts trehjulskjøretøy som som søker å addressere disse problemstillingene, og som lenge har vært under utvikling på konseptuelt nivå ved NMBU. Utviklingen av Dolphin består av flere delprosjekter, mens temaet i dette prosjektet har vært utviklingen av en elektrisk drivlinje basert på moderne teknologi. Det har også blitt designet et konseptuelt bakhjuls-oppheng for et slikt kjøretøy, der de tre hjulene er konfigurert i delta-formasjon. Før utviklingsarbeidet startet ble det gjort en grundig utredning av teknologi og løsninger som allerede finnes på markedet, både når det gjelder enkeltkomponenter og helhetlige kjøretøy. Dette ble gjort for å sette Dolphinkonseptet i sammenheng med utviklingen på verdensbasis, for å få en oversikt over hvilket nivå spesifikasjonene bør ligge på for å kunne konkurrere med dem og for å kartlegge forskjellige teknologiske løsninger det ville være aktuelt å implementere for å oppnå disse spesifikasjonene. Videre ble det utarbeidet ulike løsningsalternativer som ble vurdert opp mot hverandre gjennom bruk av Pughs metodikk. Dette ble gjort for å sikre at de valgte løsningene tilfredsstiller gitte mål og krav på en best mulig måte. IPD og SCAMPER har også blitt brukt gjennom prosjektet, hhv. for å sikre at alle relevante momenter under utviklingsprosessen ble ivaretatt og som generell problemløsningsteknikk. Etter at de konseptuelle løsningene ble valgt, ble det utarbeidet et forslag til bakhjulsoppheng basert på prinsippet om doble bærearmer. Det endelige løsningsforslaget til drivlinje innebærer bruk av to navmonterte el-motorer fra den slovenske produsenten Elaphe. Hver av dem yter en nominell effekt på 29 kW, et maksimalt dreiemoment på 400 Nm, og veier 17,6 kg. Motorene leveres med integrert bremsesystem, monteres direkte i hjulene, og krever ingen giroverføringer. Største omdreiningstall er 1560 rpm. For energilagring er det anbefalt bruk av 1500 sylindriske litium-ion-batterier i 18650-format, som til sammen leverer en kapasitet på 18,9 kWh. Med en antatt total virkningsgrad på 0,85 og totalvekt på 600 kg gir dette en teoretisk rekkevidde på ca. 185 km ved kjøring i 100 km/t på horisontal vei. Samlet vekt for motorer og batterier er ca. 110 kg. Kostnaden for en enkelt prototype er estimert til ca. kr. 935000,-, utviklingsarbeidet iberegnet. Det har også blitt utviklet tre egendesignede komponenter gjennom dette prosjektet. Batterikasser for oppbevaring av batterier under kjøring, og øvre og nedre bærearmer til det bakre hjulopphenget. Batterikassene rommer 100 batterier hver og er anbefalt produsert i et flammehemmende glassfiberforsterket polykarbonatmateriale.Vekten av disse er ca. 1,1 kg/stk. Bærearmene er dimensjonert mot flyt ved bruk av dynamiske lastfaktorer funnet i relevant litteratur og ønskede sikkerhetsfaktorer, anbefales produsert i aluminium 6061-T6, og vil veie ca. 1,3 kg/stk. Øvrige hjulopphengskomponenter er ikke utredet i detalj. Videre arbeid vil blant annet bestå av å ta kontakt med aktuelle leverandører av standard-komponenter for mer detaljert informasjon om produktene deres, spesielt når det gjelder motor- og batterispesifikasjoner. Det er også anbefalt å revidere designet av bærearmene, for å oppnå et design som tillater mer effektive produksjonsteknikker og lavere materialforbruk.

The concerns regarding burning petroleum-based products are growing in today’s society. In Norway, acknowledgement of personal responsibilities and attractive incentive programs along with a growing spectrum of available models have made the change towards a greener car fleet come a long way. A still existing problem is, however, that many car trips are being made with available space for passengers left unused. If more of the cars used in the daily commute were smaller, lighter and built for fewer passengers, considerable amounts of space and energy could be freed up and put to use elsewhere. If the drivetrains also would be made fully electric, it would make a significant contribution to the local environment in densely populated areas and lower the impact on the global climate. Dolphin is a three-wheeled lightweight vehicle that is meant to address these issues, which has been under development on a conceptual level at NMBU for some time. The development of the Dolphin consists of many smaller projects, while the main theme for this particular thesis is the development of an electric drivetrain and its associated components. A conceptual suspension for such a vehicle has also been developed through the process, where the wheels is configured in delta-formation. Before the development stage, a thorough examination of existing technology and solutions available was made both in respect to single components and complete vehicles. This was done to put the Dolphin project into context with the international development status on the area, to get an idea of the specifications required to be able to compete on an international level, and to map out which technologies and specific components it would be possible to put to use to reach these specifications. Then, different ways to configure the propulsion unit, eventual speed drives and the energy storage devices were presented and compared to each other using Pugh’s method. This was done to determine which ones would satisfy given goals and requirements in an optimal way. Other methods like IPD and SCAMPER have also been used throughout the project. These methods were used to make sure all relevant moments during the development process have been addressed, and as a general problem-solving technique, respectively. After having picked the desired configurations, a suspension concept were suggested based on the principle of double wishbones. The final drivetrain solution require the use of two hub-mounted electrical motors from the Slovenian maker Elaphe. Each of them produces a nominal 29 kW of power, 400 Nm of peak torque, and weighs 17.6 kg. The motors are made with an integrated braking system, mounted directly into the wheel hubs, and require no use of speed drives. For energy storage, 1500 cylindrical lithium-ion batteries in 18650-format with a combined capacity of 18.9 kWh are recommended. With a total efficiency of 0.85 and a total vehicle weight of 600 kg, this will give a theoretical range of approx. 185 km when driving at a speed of 100 km/h on a horizontal road. The combined weight of the recommended motors and batteries are approx. 110 kg, and the cost of the first prototype are estimated to be approx. 935.000 NOK. Three custom designs have also been developed through this project. Battery casings for storing the batteries during driving, and both the upper and lower wishbones in the suspension. The battery casings contains 100 batteries each, and are recommended made out of a flame retardant glass fiber reinforced polycarbonate material. Each one will weigh approx. 1.1 kg. The wishbones are dimensioned using a chosen safety factor towards yielding, in addition to dynamic load factors found in relevant literature. The recommended material for these components is aluminum 6061-T6, which will result in an approx. weight of 1.3 kg each. Additional suspension parts are not considered in detail. Recommended further work are primarily to get in touch with possible suppliers of external components, such as motors and batteries, for further details and specifications on their products. A revision of the suspension design is also recommended, to achieve a design that allows more efficient production techniques and less use of materials.