Energiavarasto tasajännitteen tutkimuslaitteistossa

Abstract

Tampereen ammattikorkeakoulu on rakentamassa sähkövoimatekniikan laboratorioon tasajännitteen tutkimuslaitteistoa. Tässä opinnäytetyössä suunniteltiin, dokumentoitiin ja rakennettiin tutkimuslaitteiston kaksi akkuvaunua. Energiavarastona toimivat vaunut määritettiin laitevalintojen, kaapeloinnin ja liityntöjen osalta yhteensopivaksi järjestelmän muiden laitteiden kanssa. Järjestelmän määrittelyssä oleellisin vaatimus oli rakentaa laitteisto, jonka DC-kiskon jännite on säädettävissä 200-800V ja energiaa voidaan ohjata kiskolle kahteen suuntaan sekä akkuvaunuilta että invertterivaunulta.

Vaunujen akkukomponentiksi valikoitui ajoneuvoakku, joka on kemialtaan litiumtitanaatti-tyyppinen. Akkuja on 7 kpl/vaunu ja ensimmäisessä vaunussa on akkujen lisäksi koko akuston ohjausmoduuli. Akkuvaunujen sarjaan tai rinnankytkennällä saavutetaan riittävä akustojännitteen vaihteluväli, jotta DCDC-muunninta käyttämällä päästään DC-kiskojännitteelle asetettuun tavoitteeseen.

Akkuvaunujen ensimmäisessä versiossa pääpiirin kaapelointi toteutettiin sarjaankytkentänä ja signaalikaapelointi valmistettiin akkujen osalta lopulliseen muotoonsa. Akkuvaunujen dokumentointi viimeisteltiin yksityiskohtaisesti vaunujen asennusten ja järjestelmän yhteensopivuuden varmistamiseksi. Raporttiin muotoiltiin ohjeistusta akuston käsittelylle mm. latausjännitteistä, purkusyvyydestä, säilytyksestä, esilatauksesta ja käyttölämpötilasta. Ohjeistus perustuu akkuvalmistajan ohjeeseen ja LTO-akkujen yleiseen tietoon. Akuston jäähdytystehon tarve arvioitiin ja jäähdytyksen toteuttamiseksi akkuvaunuille luotiin suunni- telmat ja laitteistoehdotukset.

Laitteiston seuraavassa kehitysvaiheessa toteutetaan akkuvaunujen rinnan-/sarjaankytkennän ohjaus järjestelmästä kontaktoreita käyttämällä. Aina käytettäessä korkeaa virtaa akut väistämättä lämpenevät. Jäähdytysjärjestelmän asennus on tarkoitus toteuttaa projektin seuraavassa vaiheessa yhtäaikaisesti invertterivaunun ja keskuksen kokoonpanon kanssa.

The purpose of this thesis was to design, document and construct two battery carts for the direct current testing equipment which is being built in electric power engineering laboratory at Tampere University of Applied Sciences.

The main assignment for the testing equipment was to provide adjustable direct voltage of 200-800V on bus bar, as well as take or give power through the DC bus bar from the battery carts and the inverter cart. All system blocks were designed to be compatible with each other to ensure stability and safety of the system.

The first construction phase of the battery carts was concluded by connecting all the batteries in series. During the design and documentation, all the component selections were evaluated and backed up with calculations when necessary. The documentation also included some guidance for handling batteries, all circuit and layout diagrams and battery cart thermal management assessment.

The next phase of the battery cart construction will consist of a connection box manufacturing and cooling system implementation. The connection box will enable the battery carts to be connected in series or parallel using manual switch. The high current use cases will inevitably heat up batteries and cooling system will be implemented in later phase.