Exploring the Design of a HVDC hydraulic power pack: system proposal for a High-Voltage Direct Current hydraulic power pack system intended for implementation on sailing yachts

Abstract

Baltic Yachts Oy is a company specializing in custom composite yachts. The current hydraulic systems used are inefficient and produce high levels of emissions. Moreover, they also present challenges when scaling for new projects or integrating into refits. This thesis explores the feasibility of incorporating a 20-kWh solid-state lithium High-Voltage battery pack, powering a 40 kW Permanent Magnet (PM) motor coupled to the hydraulic pump(s). The study involves defining requirements, selecting and evaluating key components, developing system scenarios and performing simulations to identify an optimal solution.

Four distinct systems were designed and benchmarked to determine the most optimal option. The assessment considered key factors such as weight, price, volume, and runtime, for a comprehensive comparison of all system scenarios, as well as analysing the advantages and disadvantages of each system. System 4, with a custom 96 V and 18-kWh battery pack demonstrated the most favourable performance, offering 16,2 minutes of runtime with a weight of 130 kg, a volume of 87 litres and an estimated cost of 26 300 €.

By combining component analysis, systematic benchmarking, and simulation-based validation, this thesis establishes a solid foundation for informed decision-making regarding the design of a scalable, efficient, and regulation-compliant hydraulic power pack. Future work should focus on refining the system through continued data collection and testing as well as exploring different batteries and High-Voltage components.

Baltic Yachts Oy är ett företag som specialiserar sig på specialbyggda kompositbåtar. Det nuvarande hydraulsystemet är ineffektivt och släpper ut höga halter av föroreningar. Dessutom är de svåra att skala upp för nya projekt och att integrera vid renoveringar. Detta arbete undersöker möjligheten att implementera ett 20-kWh högspännings solid-state litiumbatteripaket för att driva en 40 kW permanentmagnetmotor (PM), som är mekaniskt kopplad till en eller flera hydrauliska pumpar. Studien omfattar fastställande av prestandakrav, val och utvärdering av huvudkomponenter, utveckling av olika systemsammanställningar samt simuleringar för att identifiera en optimal lösning.

Fyra system har utformats och jämförts för att fastställa det mest fördelaktiga alternativet. Bedömningen omfattade viktiga faktorer som vikt, kostnad, volym och drifttid, samt analys av de respektive systemens för- och nackdelar. System 4, med ett specialanpassat 96 V 18-kWh batteripaket, visade sig ha den mest gynnsamma prestandan med 16,2 minuters drifttid, en vikt på 130 kg, en volym på 87 liter och en uppskattad kostnad på 26 300 €.

Genom att kombinera komponentanalys, systematisk jämförelse och simuleringsbaserad validering, lägger detta arbete en stabil grund för beslut vid utformningen av ett skalbart, effektivt och regelverks anpassat hydrauliskt drivpaket. Framtida arbeten bör fokusera på fortsatt datainsamling, tester samt utforskning av andra batteriteknologier och högspänningskomponenter.