Energirelaterad fordonsforskning 2014 ’Kraftelektronik och elmotorer för hjälpaggregat hos hybridfordon’ Program Energi & Miljö inom FFI Startat 2013-08-12 och planerat slut 2015-05-31 ePower är projektledare & Kongsberg Automotive AB är huvudstödmottagare Stödsumma SEK 3.260.000 Philip Larsson QRTECH AB

Partnerna Team med 20 personer Kraftelektronik, HW, SW, meka- tronik och producerbarhet Eget testlab Global fordonsleverantör i 20 länder och 10.000 anställda 450 dedikerade utvecklare Kraftelektronikkomponenter Elektronikspecialist HW & SW Unik kompetens, teknologi och kunskap 100 PhD & MSc med 8-9 års erfarenhet Elmaskin- och aktuatorexpert Kraftelektronik- & elmaskinexpert 2 2 2

Projektpresentation Elektriskt drivna hjälpaggregat Förstå vilka aggregat som önskas drivas elektriskt Första halvan av projektet har: Kartlagt aggregaten Prestandakrav Driftsfall Vi går mer och mer ifrån fossila bränslen som drivmedel för fordon för att istället använda el och hybridteknik. Detta medför att vi måste driva alla hjälpaggregat elektriskt som tidigare drivits av förbränningsmotorn. Kortsiktigt har vissa befintliga aggregat redan elektrifierats men på längre sikt behövs mer optimerade lösningar finnas, där aggregat, elmotor och kraftelektronik integrerats och optimerats i en enhet. Inom bilindustrin har man kommit längre fram i denna utveckling än för bussar och lastbilar och jag kommer visa lite olika lösningar några slides fram. Syftet med detta projekt är att förstå vilka aggregat som initialt och på sikt önskas drivas elektriskt och där ifrån ta fram ett koncept på ett elektriskt drivpaket för ett hjälpaggregat som innefattar kraftelektronik och elmotor och sist av allt ska det tas fram en prototyp på det här. Första halvan av projektet har nu gått och den har använts till att kartlägga och förstå vilka hjälpaggregat som kommer drivas elektriskt på kort och lång sikt och att förstå vilken prestanda och driftsfall de olika aggregaten har. Och detta har gjorts för att kunna specificera en inverter (kraftelektroniken) och elmaskin från den informationen som vi har samlat in. Och dessa kartläggningar har gjorts med hjälp utav litteraturstudier där vi bland annat har tittat på vad bilindustrin har tagit fram, studiebesök hos Scania och Volvo Bussar och workshops med bland annat Volvo Bussar.

Hjälpaggregat / Elektrifieringskandidater Luftkompressor Kylvätskepump Oljepump Generator (24V) Styrservopump AC-kompressor Motorkylfläkt Bromsar Dörröppning Många av aggregaten är inkopplade hela tiden Ökad funktionalitet med elektriskt drivna aggregat Luftkompressor Motorkylfläkt Generator (24V) AC-kompressor Här har vi då några av de större hjälpaggregaten som sitter i en vanlig buss idag och det samma gäller för en vanlig lastbil förutom dörröppningen. De flesta av dessa hjälpaggregat drivs idag hela tiden från förbränningsmotorn även då dem inte behövs medan vissa har en av/på-koppling eller går att stänga av vilket är bra. Men skulle man istället välja att driva alla dem här aggregaten elektriskt så skulle man kunna köra aggregaten jämnare och stänga av dem helt när dem inte behövs. Och detta skulle då spara energi och ge minskade miljöutsläpp eftersom vissa aggregat ibland bara ligger och släpar med och inte används. Man skulle även kunna tillämpa smartare regleringar med bland annat look-ahead lösningar för alla aggregat individuellt. En annan fördel är att man skulle kunna ge kunderna ökad funktionalitet då förbränningsmotorn inte behöver vara igång för att driva aggregaten. Som i tillexempel varma länder så skulle man kunna köra AC-kompressorn i lastbilar på natten när föraren ligger och sover i lastbilen utan att motorn behöver vara igång. En annan funktionalitet som man skulle kunna ge kunden är möjligheten att fylla tryckluftsbehållarna innan föraren har satt sig i fordonet för att kunna släppa parkeringsbromsen direkt när man vill köra iväg. Istället för som det är på vanliga lastbilar idag, att man måste vänta några sekunder efter att man har startat fordonet för att trycket i tryckluftsbehållarna ska nå en viss nivå för att kunna släppa parkeringsbromsen. Det finns som sagt många fördelar med att elektrifiera hjälpaggregaten. Och kollar vi på denna lista igen så är det några av dessa aggregat som idag har uppgraderats till elektriskt drivna eller är på gång att göra det. Och bland annat är det motorkylfläkten som ersatts av ett antal mindre elektriska fläktar och 24 V generatorn som man kan ta bort helt och istället ersätta denna funktionalitet med en DCDC från högspänningsbatteriet till 24V batteriet. Och vi har kommit fram till att luftkompressorn är starkaste kandidaten av de större hjälpaggregat som vi skulle vilja elektrifiera. Foton: Volvo hybridbuss

Hjälpaggregat / Behov vid elektrifiering Mindre bra lösningar tillgängliga idag Det saknas fordonsanpassade inverterar för tunga fordon på marknaden För t ex luftkompressor finns några olika typer möjliga: Foto: asynkronmotor, 1:1 koppling, 1-cylindrig luftkompressor (vikt ~75 kg) Något vi hörde väldigt tidigt i projektet från olika håll var att det saknades automoivmässiga invertrar på marknaden Från olika kunder har det kommit indikationer på att det inte finns några automotivemässiga invertrar på marknaden för att driva hjälpaggregat. Idag tvingas dom använda industrilösningar för att driva aggregaten elektriskt. Vi pratar då om bussar och lastbilar där man nu har börjat hybridisera. Dessa industrilösningar är oftast inte gjorda för att sitta i ett vibrerande fordon och därför förkortas livslängden på dom. Och dom är oftast heller inte kompakta eller billiga. Här har vi ett exempel på en lösning som idag sitter i vissa fordon. Vi har en elmaskin, en koppling och en kompressor. Och sen så sitter kraftelektroniken en bit bort. Om vi kollar på elmotorn så är det en induktionsmotor som från början är designad för att kopplas direkt på elnätet med 50 Hz vilket inte är optimalt om den ska sitta i ett fordon inte heller omriktaren för en sådan motor är optimal för ett fordon. P=T*w filter. Utan där drivs befintliga aggregat med hjälp av en asynkronmotor. Dessa lösningar är dyra, ineffektiva, stora och tunga. Kan köras på vilken hastighet vi vill inte beroende av bensinmotorn eller 50hz (väggen) Wabco 3000 rpm. Vi vill köra den där vi får bäst verkningsgrad. Skulle man kunna få in allt detta i en enhet så hade det hjälpt mycket. Man skulle då slippa dra kablar från inverter till motor och även slippa dra långa ledningar från aggregatet till användaren. Som tillexempel från kompressorn till tryckluftstanken. Foto: hjälpaggregatsinvertrar centralt placerade i fordon Skruv- Scroll- Kolv-

Integrerade AC-kompressorer för personbil Integrerade system – allt i en kompakt enhet med minimerat antal gränssnitt och anslutningar Exempel HVDC Kyla Inverter Motor Kompressor Smörjning En mer optimal lösning borde vara att ha allt i en kompakt enhet med en ingång och en utgång. Som boxen visar här för en luftkompressor så har vi inverter, motor, kompressor, kylning och smörjning om det behövs. Man skulle med en sådan lösning slippa dra kablar från invertern till motor och även slippa dra långa ledningar från kompressorn till tryckluftsbehållarna utan man kan placera aggregatet precis bredvid tryckluftsbehållarna. Det finns idag liknande lösningar som detta i t.ex Toyota Prius, Ford C-max och BMW Active Hybrid 7 där man har integrerat en AC-kompressorn med inverter och elmotor i en enhet. Denso e-Compressor (Toyota Prius och Ford C-Max hybrid) Visteon Electric Compressor (BMW ActiveHybrid 7)

Utmaningar för projektet Det har varit svårt att få tag i körcykler och lastdata Återstående arbete i projektet Luftkompressor bedöms som hetaste kandidaten  Identifiera aggregat för demo Definiera motortyp. Ett alternativ är att bygga en egen motor Bygga integrerad inverter Testa och mäta Minimum (75 kg) (Några alternativ mellan möjliga) Stretch (mindre+lättare) Befintligt aggregat På hyllan elmotor Fordons- anpassad inverter Utmaningar vi ställts inför än så länge Det har varit svårt att få i tag på körcyklar och lastdata från fordonstillverkarna för de befintliga aggregaten. Och denna data behöver vi för att mer exakt kunna specificera storlekarna på inverter, motor och aggregat. Nu har vi börjat kolla på vilken motortyp som borde vara bäst för detta ändamål och vilken hastighet man borde köra på eftersom det är en gammal standard som har bestämt hastigheten på de motorer som används idag. KTH och LTH ska samarbeta med att ta fram en motor för detta ändamål med så få permanentmagneter som möjligt, eftersom motorer är deras område. Och Kongsberg Automotive, epower och QRTECH ska ta fram en invertern som passar till denna motor och även kolla på konstruktionen i sin helhet för en prototyp. Vi har även börjat kolla på olika kompressortyper och vad det skulle innebära att köra dom på ett högre varvtal än idag. Än så länge har vi inte lyckats få fram all informationen vi behöver och ingen i projektet har arbetat med kompressorer tidigare så just nu letar vi efter aggregattillverkare som har den kunskapen som vi saknar för att gå vidare. Så det är där vi står just nu i projektet. Hög hastighetaggregat Egen minimal elmotor Integrera inverter

Tack för visat intresse. Philip Larsson tel.: +46 737 009 560 e-mail: philip.larsson@qrtech.se