Akkujen hyödyntäminen siltanosturin energiavarastona
Toivonen, Juha (2016)
2016
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-06-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605244045
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605244045
Tiivistelmä
Diplomityössä tutkittiin litiumioniakkujen hyödyntämistä siltanosturin energiavarastona. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää akkujen käyttöikään ja turvallisuuteen liittyvät asiat, sekä luoda akkukäyttöisen siltanosturin akuston mitoitukseen simulointimalli. Selvitetyt tekijät otettiin huomioon mallinnettaessa Matlab Simulink -ohjelmistolla akkukäyttöistä nosturia. Tutkimuskohteena oli nimellisnostokyvyltään 5000 kg siltanosturi.
Akkujen turvallisuuteen ja käyttöiän kannalta merkittäviä tekijöitä ovat akun käyttölämpötila, sallittu varaustason alue sekä akusta puretun ja akkuun ladatun virran suuruus. Nosturin normaali lämpötila-alue on sama kuin akuille suositeltu lämpötila-alue, joten sitä ei ikääntymisen osalta tarkastella. Selvityksessä tuli ilmi, että akulle tulee määrittää varaustason ylä- ja alarajat, joiden välissä toimiessaan akun ikääntymistä ei tarpeettomasti kiihdytetä. Akun virtarajat määrittyvät akkukemiasta riippuen: LNMC-akulla sallittu purkuvirta on kaksinkertainen nimellisvirtaan nähden, kun LTO:lla sallittu purkuvirta on jopa kymmenkertainen.
Valitut virta- ja varaustason rajat määritettiin halutuksi simuloitavaan järjestelmään. Simuloitavalle järjestelmälle syötettiin lähtöparametreina halutut siirtomatkat ja -nopeudet sekä siirrettävän kuorman massat. Näiden tietojen perusteella mallinnettiin tarvittavat tehofunktiot. Ottamalla huomioon nosturin mekaaniset ja sähköiset häviöt, saatiin määritettyä akulta vaadittava ottoteho eri tilanteissa sekä akuston energia. Näin mallin avulla pystytään määrittämään akkupaketin koko, jotta se riittää valitun nosturin energialähteeksi.
Simulointimallilla testattiin kolmessa eri kuormitustilanteessa kolmella eri akkukemialla: LTO, LNMC ja LFP. Tutkimuksessa huomattiin, että LTO ei valitulla nosturikonseptilla ollut ideaalisin vaihtoehto. Pääsyynä oli nosturin sähköjärjestelmän hakkuriteholähteen virtaraja, jonka takia LTO:sta ei saatu koko tehopotentiaalia käyttöön. LTO:n kennojen lukumäärä oli lähes kaksinkertainen LNMC:n ja LFP:n vaatimiin kennomääriin verrattuna. Mallinnettavasta nosturista riippuen paras vaihtoehto oli joko LNMC tai LFP.
Akkujen turvallisuuteen ja käyttöiän kannalta merkittäviä tekijöitä ovat akun käyttölämpötila, sallittu varaustason alue sekä akusta puretun ja akkuun ladatun virran suuruus. Nosturin normaali lämpötila-alue on sama kuin akuille suositeltu lämpötila-alue, joten sitä ei ikääntymisen osalta tarkastella. Selvityksessä tuli ilmi, että akulle tulee määrittää varaustason ylä- ja alarajat, joiden välissä toimiessaan akun ikääntymistä ei tarpeettomasti kiihdytetä. Akun virtarajat määrittyvät akkukemiasta riippuen: LNMC-akulla sallittu purkuvirta on kaksinkertainen nimellisvirtaan nähden, kun LTO:lla sallittu purkuvirta on jopa kymmenkertainen.
Valitut virta- ja varaustason rajat määritettiin halutuksi simuloitavaan järjestelmään. Simuloitavalle järjestelmälle syötettiin lähtöparametreina halutut siirtomatkat ja -nopeudet sekä siirrettävän kuorman massat. Näiden tietojen perusteella mallinnettiin tarvittavat tehofunktiot. Ottamalla huomioon nosturin mekaaniset ja sähköiset häviöt, saatiin määritettyä akulta vaadittava ottoteho eri tilanteissa sekä akuston energia. Näin mallin avulla pystytään määrittämään akkupaketin koko, jotta se riittää valitun nosturin energialähteeksi.
Simulointimallilla testattiin kolmessa eri kuormitustilanteessa kolmella eri akkukemialla: LTO, LNMC ja LFP. Tutkimuksessa huomattiin, että LTO ei valitulla nosturikonseptilla ollut ideaalisin vaihtoehto. Pääsyynä oli nosturin sähköjärjestelmän hakkuriteholähteen virtaraja, jonka takia LTO:sta ei saatu koko tehopotentiaalia käyttöön. LTO:n kennojen lukumäärä oli lähes kaksinkertainen LNMC:n ja LFP:n vaatimiin kennomääriin verrattuna. Mallinnettavasta nosturista riippuen paras vaihtoehto oli joko LNMC tai LFP.