Drivverk og sikkerhetsmessige prinsipper i kjøretøy med brenselceller

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet som en del av masterprogrammet i Maskin-. Prosess- og Produktutvikling ved Institutt for maskinteknikk og teknologiledelse ved Norges Miljø- og Biovitenskaplige Universitet (NMBU). Instituttet er organisert under Fakultet for Realfag og Teknologi (REALTEK). Instituttet vil styrke fagkunnskapen innenfor bærekraftig teknologi og null-utslippskjøretøy og har derfor initiert denne masteroppgaven hvor brenselcellebilen (hydrogenbilen), Toyota Mirai 2. generasjon har vært i fokus. Hensikten med oppgaven har vært å få kunnskap om brenselcellens virkemåte, bilens El-motor, drivverk og også sammenlikne fysiske tester med teoretiske modelleringer. Dette er nyttig kunnskap for å få forståelse for hvordan slike kjøretøy kan modelleres. Oppgaven har altså omfattet litteraturstudium, estimering av parametere, fysiske tester av drivlinjen, sammenlikninger av resultatene fra teoretisk modellering og fysisk testing, diskusjoner med ressurspersoner og gjennomføring av spørreundersøkelse. Myndighetenes mål er at nye personbiler og lette varebiler skal være nullutslippskjøretøy, dvs. elbiler og/eller hydrogenbiler fra 2025 [29]. Brenselcellebiler benytter hydrogen som drivstoff og resultatet er elektrisk spenning, som driver en elektrisk motor, som via drivverket sørger for bilens framdrift. Hydrogenet må være fremstilt på en miljøvennlig måte om bilen faktisk skal være et nullutslippskjøretøy. Dette innebærer at hydrogengassen må være produsert ved bruk av fornybare kilder, som eksempelvis solceller, vindkraft eller vannkraft. Per i dag er det en svært begrenset infrastruktur for hydrogenfylling i Norge og dette må også utbedres dersom hydrogenbiler skal kunne etableres som et attraktivt bilvalg i Norge. De fire sikkerhetsmessige prinsippene som gjelder i hydrogenbilen, er å; 1) unngå lekkasje av hydrogengass, 2) oppdage og stanse lekkasjer med hydrogendetektorer, 3) unngå akkumulering av hydrogengass og 4) holde tenn kilder unna hydrogenkomponenter. Masteroppgaven gir en grundig gjennomgang av brenselcelleteknologien som benyttes. De sentrale komponentene i hydrogenbilen er utredet, og sentrale komponenter i Mirai 2 er den elektriske motoren og drivverket som består av et reduksjonsgir og en differensial. Jeg anbefaler følgende litteratur basert på nytteverdi og relevansen de har hatt for oppgaven: - Grunnlag i drivverk og drivkraftteori [11] - Motorteknikk: Bilteknikk [8] Det er utviklet estimerte drivkraft-, moment- og effektkurver for Mirai 2 som kan benyttes til drivverk- og drivkraftberegninger. Disse beregningene kan hjelpe oss å forstå hvordan brenselcellebilen, i dette tilfellet Mirai 2, vil oppføre seg ved ulike kjøreforhold. De fysiske testene har generelt sett samsvart godt med de teoretiske estimerte modellene. Spesielt har de estimerte moment- og effektkurvene som ble brukt til å beregne en teoretisk aksellerasjonstid fra 10 km/t til 96 km/t, har et prosentvis avvik på 1.1%, sammenliknet med tilsvarende aksellerasjonstid utført ved fysisk testkjøring av Mirai 2.

This MA-thesis is written as part of the master's program in Mechanical-. Process and Product Development at the Institute of Mechanical Engineering and Technology Management at the Norwegian University of Life Sciences (NMBU). The institute is organized under the Faculty of Science and Technology (REALTEK). The institute wants to increase the knowledge in sustainable technology and zero-emission vehicles, and therefore initiates to this MA-thesis that will focus on the Fuel Cell Vehicle (FCV) (hydrogen car), Toyota Mirai second generation. The purpose of the thesis is to gain knowledge about how FCVs operate, the FCV’s electric motor, the drivetrain and also to compare physical tests with theoretical modelling. The thesis has thus included literature review, estimation of parameters, physical tests of the driveline, comparisons of the results from theoretical modeling and physical testing, discussions with resource persons and conducting a questionnaire. The Norwegian government’s goal is for new passenger cars and light trucks to be zero- emission vehicles, ie electric cars and/or hydrogen cars from 2025 [29]. FCVs use hydrogen as fuel and the result is electric voltage, which drives an electric motor, which via the drivetrain ensures the car's propulsion. For FCVs to be considered a zero-emission vehicle, the hydrogen must actually be produced in an environmentally friendly way. This means that the hydrogen gas must be produced using renewable sources, such as solar cells, wind power or hydropower. As of today, there is a very limited infrastructure for hydrogen filling in Norway and this must also be improved if hydrogen cars are to be established as an attractive car choice in Norway. The four safety principles that apply in the hydrogen car are to; 1) avoid leakage of hydrogen gas, 2) detect and stop leaks with hydrogen detectors, 3) avoid accumulation of hydrogen gas and 4) keep ignite sources away from hydrogen components. The MA-thesis provides a comprehensive review of the fuel cell technology used. The key components of the hydrogen car have been studied, and key components of the Mirai 2 are the electric motor and the drivetrain, which consists of a reduction gear and a differential. I suggest the following literature based on its usefulness and relevance to this research project: - Grunnlag i drivverk og drivkraftteori [11] - Motorteknikk: Bilteknikk [8] Estimated propulsion, torque and power curves have been developed for Mirai 2 that can be used for drivetrain an propulsion calculations. These calculations can help us understand how the fuel cell car, in this case the Mirai 2, will behave in different driving conditions. In general, the results indicated that the physical tests corresponded well with the theoretically estimated models. In particular, the torque and power curves used to calculate a theoretical acceleration time from 10km/h to 96km/h had a percentage deviation of 1.1%, compared to the corresponding acceleration time compared at the physical test drive of the Mirai 2.