Kuorma-auton muunnoshybridijärjestelmän suunnittelun pääkohdat

Abstract

Tiukentuvat päästörajoitukset sekä ilmastonmuutoksen herättämä yleinen kiinnostus ympäristönsuojeluun ovat lisänneet kysyntää vaihtoehtoisille polttoaineille ajoneuvomarkkinoilla. Hybriditeknologia on jo useita vuosia ollut saatavilla henkilöautoihin, mutta raskaaseen kalustoon sitä ei ole vielä juuri tarjolla. Eräänä ratkaisuna voisi toimia jälkiasenteinen muunnoshybridijärjestelmä nykyisiin kuorma-autoihin.

Tämän insinöörityön tavoitteena oli selvittää, mitä kuorma-autoon asennettavan, sähkökäyttöisen liikkeellelähtö- ja kiihdytysavustimen suunnittelussa on otettava huomioon. Mitkä ovat järjestelmän pääkomponentit, ja mitkä asiat vaikuttavat niiden valintaan? Selvitettäviä kohteita tarkasteltiin lähtökohtaisesti oletuksella, että järjestelmä ei olisi mekaanisesti yhteyksissä ajoneuvon perinteiseen voimalinjaan, vaan se asennettaisiin omalle akselille. Se siis toimisi erillisenä yksikkönä avustaen auton omaa polttomoottoria, tavoitteena polttoaineenkulutuksen ja päästöjen pienenentäminen.

Työssä määritettiin vaatimukset järjestelmän ohjaukselle ja valvonnalle, jotta se toimisi mahdollisimman energiatehokkaasti ja siitä saisi parhaan hyödyn. Lisäksi vertailtiin perinteisten akkukennojen ja superkondensaattoreiden keskeisiä eroavaisuuksia sekä niiden toimivuutta järjestelmän energiavarastona.

Työn tarkoituksena oli luoda pohja tarkemmalle suunnittelutyölle ja kustannusarvioiden laskennalle sekä selvittää, olisiko järjestelmää mahdollista valmistaa Suomen tieliikenteeseen ja millä rajoituksilla.

Tuloksena saatiin hyvä ja laaja yleiskuva järjestelmän vaatimuksista sekä vahvistus sille, että järjestelmän olisi Suomessa tieliikennelain mukainen. Lisäksi saatiin hyvä käsitys superkondensaattoreiden käyttömahdollisuudesta tällaisessa järjestelmässä.

Tightening emission limits for vehicles and increased common interest in environmental protection, caused by the climate change, has boosted the demand for additional fuels in the automotive industry. Already for several years, the hybrid technology has been available for passenger cars but not much for the heavy-duty vehicles yet. An aftermarket electric-hybrid conversion system for today’s trucks could work well as one solution.

The objective of this thesis was to clarify what has to be taken into consideration when designing an electrical launch and acceleration assist system that could be installed into a truck, what the main components of the system are, and what the criteria for choosing them are. These questions were studied mainly with the assumption that the system would not be mechanically connected to the traditional powertrain of the vehicle, but it would be installed to an independent axle of the vehicle instead. In consequence, it would work as a separate unit assisting the truck’s own engine aiming to lower the fuel consumption and emissions of the vehicle.

The standards for the control and for the supervision of the system were determined in order to find out, if the system would work as energy efficiently as possible and that the gained benefit would also be as high as possible. The differences between conventional battery cells and supercapacitors, and their ability to act as an energy storage system of the vehicle, were additionally compared.

The goal of this thesis was to create a basis for more precise designing of the system and for the calculations of the system costs together with finding out if it is possible to manufacture a road legal system, and to find out what restrictions there would be for the system regarding the Finnish law.

A good and broad overview of the systems requirements, and a confirmation that the system would be road-legal in Finland was carried out as a result. In addition, a good understanding of the usability of supercapacitors in this kind of system was gained.