EasyCharging : muligheter og videreutvikling av induksjonsladekonsept for små kjøretøy

Abstract

Elektrifisering av transportsektoren er et positivt miljøbidrag, og det er viktig å støtte denne utviklingen ved å legge til rette for at overgangen fra fossilt brennstoff skal bli så behagelig som mulig. Et lite, men viktig, bidrag vil være å utvikle gode og brukervennlige ladeløsninger. Trådløse ladesystemer innehar denne fordelen. For mobiltelefoner har en induktiv ladeløsning blitt standardisert og kommersialisert, og de store bilprodusentene jobber aktivt for å utvikle en løsning som kan benyttes for biler. Men midt mellom disse produktkategoriene finnes et tilsynelatende hull i markedet, nemlig induktiv opplading av små kjøretøy. Gradsoppgaven bygger på et forprosjekt gjennomført i emnet «TIP 300 – Konsept og produktrealisering» høsten 2018, hvor en tidlig konseptutredning av brukervennlige ladeløsninger for elektriske rullestoler for utendørs bruk konkluderte med at en induktiv opplading ville vært å foretrekke. Arbeidet blir utvidet til å omhandle flere ulike små kjøretøy, og hovedmålsettingen for gradsoppgaven er å utrede, kartlegge og analysere teknologi som kreves for en mest mulig optimal overføring av strøm og opplading av batterier for mindre kjøretøyer gjennom induksjon. Gradsarbeidet vil være et videre forprosjekt, og visjonen det jobbes mot er et produkt som skal være en sikker, robust og brukervennlig ladeløsning som lader opp små, elektriske kjøretøy ved bruk av elektromagnetisk induksjon. For oppbygging av konseptutviklingen har IPD blitt anvendt som overordnet metodikk. I tillegg er målrettet prosjektstyring benyttet til prosjektplanlegging. Andre metoder oppgaven baserer seg på er litteraturstudium til informasjonsinnhenting, SCAMPER som er benyttet til å fremprovosere kreativ tenkning når løsningsalternativer skal utformes, og Pughs seleksjonsmatrise er benyttet for å få en systematisk vurdering av de genererte alternativene. Videre er modularisering brukt for å finne potensielle løsninger for utformingen av produktet. For å komme i mål med et vellykket prosjekt er det utformet et prosessdiagram over arbeidsprosessen med ulike prosesstrinn inndelt i faser. De fasene som berøres i gradsoppgaven er utredning, utvikling, og konstruksjon og design. For å strukturere arbeidet og sørge for nødvendig progresjon inngår de ulike prosesstrinnene i en arbeidsplan med milepæler. I utredningsfasen er det sett nærmere på grunnleggende fysisk teori, og det er gjort teoretiske og praktiske undersøkelser på eksisterende induksjonssystemer for å kartlegge komponenter, teknologi og funksjoner som potensielt kan adapteres til utviklingen av ønsket produkt. Den innhentede informasjonen ble benyttet i utviklingsfasen hvor det ble sett nærmere på ønskede egenskaper, krav og funksjoner for produktet. Da et induksjonsladesystem er komplekst å utvikle ble det besluttet å se nærmere på enkelte løsningsalternativer gjennom enkel eksperimentering. Eksperimenteringen har avdekket utfordringer knyttet til utvikling av ladesystemet, og resulterte i konkrete anbefalinger for videre testutvikling. Gradsarbeidet har resultert i en utredning av eksisterende induksjonssystemer gjennom dekomponering og litteraturstudium av enkelte systemer, og planlegging og gjennomføring av enkle laboratorieforsøk som tilrettelegger for videre utviklingstrinn med forslag til forsøksprotokoll, utstyr og behandling av måleresultater. Det er også blitt lagt frem et videreutviklet konseptdesign for en bredere anvendelse, med dimensjonene 400 mm x 400 mm x 6 mm. Kostnadene knyttet til utviklingsprosessen, inkludert forprosjektet, er beregnet til 897 639 NOK. Videre arbeid vil omhandle skisserte oppfølgingsforsøk for å kunne utvikle et optimalisert ladesystem, og analyser av tilegnet måledata. Videre vil en kartlegging av påvirkningen av elektromagnetisk stråling være nødvendig.

Electrification of the transport sector is a positive environmental contribution, and it is important to support this development by making the transition from fossil fuel as comfortable as possible. A small but important contribution will be to develop practical and user-friendly charging solutions. Wireless charging systems have this advantage. For mobile phones, an inductive charging solution has been standardized and commercialized, and the major car manufacturers are working actively to develop a solution that can be used for cars. Between these product categories, there is an apparent hole in the market, namely inductive charging of small vehicles. This thesis is based on a preliminary project conducted in autumn 2018 within the course “TIP 300 – Concept and Product Realization”. In this course an early concept study of user-friendly charging solutions for electric outdoor wheelchairs found that an inductive charger is preferable. This work is being expanded to address several different small vehicles, and the main objective of this thesis is to investigate, map and analyse the technology required for the most optimal transmission of power and charging of batteries for smaller vehicles through induction. This thesis project is a pilot study with the vision of creating a safe, robust, and userfriendly charging solution for small electric vehicles using electromagnetic induction. For the concept development process, IPD has been used as the overall methodology. In addition, targeted project management has been used for project planning. The thesis utilizes several methods such as SCAMPER which is used to provoke creative thinking in the design process, Pugh’s selection matrix for generating a systematic assessment of the alternatives, and a literature study for gathering secondary information. In order to achieve a successful project, a diagram of the work process was created featuring different steps divided into phases. The phases that are affected in the thesis are investigation, development, construction and design. To structure the work and ensure the necessary progression, the various process steps are included in a work plan with milestones. In the investigation phase, basic physical theory is studied, and theoretical and practical studies have been made on existing induction systems to map components, technology and functions that could potentially be adapted to the development of the desired product. The information obtained was used during the development phase, where the desired properties, requirements and functions of the product were looked at. Since an induction loading system is complex to develop, some solutions were examined using simple experimentation. The experiment has revealed challenges related to the development of the charging system and resulted in specific recommendations for further test development. This thesis has resulted in an investigation of existing induction systems through decomposition and literature study of some systems, and planning and implementation of simple laboratory tests that facilitate further development steps with proposals for test protocol, equipment and treatment of measurement results. A further developed concept design for a wider application has also been presented, with the dimensions 400 mm x 400 mm x 6 mm. The costs associated with the development process, including the preliminary project, are estimated at NOK 897 639. Further work will deal with outlined follow-up experiments to be able to develop an optimized charging system, and an analysis of measurement data. Furthermore, a survey of the influence of electromagnetic radiation will be necessary.