P RAKTISK DESIGN

I denna del tas valet av komponenter upp och praktiska l¨osningar redovisas.

A. Peltierelement

Uppskattad maximal temperatur f¨or TEMs ¨ar 250◦_{C vilket} ¨ar cirka halva avgastemperaturen som uppskattades till 500 − 600◦C eftersom f¨orbr¨anningen i motorn sker vid ca 600 − 700◦C [4]. Uppskattningen ¨ar baserad p˚a att v¨armev¨axlaren ¨ar ungef¨ar 50% effektiv och endast halva v¨armen fr˚an avgaserna kan ¨overf¨oras i b¨asta fall [4].

Detta gjorde att vi valde en TEM (TEC1-12706T200 syns i figur 8) som ¨ar effektiv vid 200◦_{C och som klarar en} maxtemperatur p˚a en bit ¨over 200◦_{C. Lennart Holmgren vid} Termo Gen s¨ager dock att de klarar temperaturer upp emot 250◦_{C under kortare perioder.}

N¨ar flera TEMs monteras kommer temperaturen f¨or varje enskild TEM att sjunka eftersom flera monterade TEMs ger upphov till en viss kyleffekt. Detta s¨anker medeltemperaturen

f¨or v¨armev¨axlaren och varje TEM f˚ar en l¨agre temperatur. F¨or att f˚a ut en bra sp¨anning, cirka 5V, m˚aste temperaturskillnaden vara cirka 100◦_{C. Det uppskattades att en temperaturskillnad} mellan kall och varm sida p˚a cirka 100◦_{C b¨or vara en rimlig} uppskattning.

Fig. 8. TEMs med fastl¨odda kablar samt krympslangar f¨or v¨armeisolering.

B. V¨armev¨axlare

Avgasfl¨odet kan ber¨aknas f¨or att f˚a en uppfattning om hur dimensioneringen f¨or v¨armev¨axlaren b¨or se ut. Vid 600◦_{C ¨ar} volymen 3 g˚anger s˚a stor j¨amf¨ort med den luft som sugs in. Det uppskattades att motorn k¨ors n˚agot saktare ¨an m¨arkdrift och vid 4000rpm blir den totala volymen avgaser 285 liter/min. 1dm3_{= 1liter vilket ger 57 kubikcentimeter=} 57

1000liter. 4000

2 rpm × 2.5expansion × 57

1000liter = 285liter/min d¨ar man tagit i beaktning att avgastemperaturen ligger runt 500_{− 600}◦_{C och att en fyrtaktare endast sl¨apper ut avgaser} vartannat varv.

Urvalet av v¨armev¨axlare som passade till storlek, vikt och inte skapa ett f¨or stort mottryck var inte s˚a stort. En modifierad plattv¨armev¨axlare verkade vara ett av de b¨asta alternativen. En ing˚ang och en utg˚ang d¨ar luften tvingas att g˚a igenom flera kammare f¨or att v¨arma upp v¨armev¨axlaren innan den sl¨apps ut. Egenskaperna f¨or den plattv¨armev¨axlare som valdes kan

Tabell II

V ¨ARMEVAXLARENS EGENSKAPER¨ .

Egenskap V¨arde Enhet

Material Rostfritt st˚al -

Mottryck 5.00 kPa

Vikt 3.12 kg

Storlek 287_{× 117 × 25} mm

ses i tabell II och den syns i figur 9.

Ett annat enklare alternativ kunde ha varit att svetsa ihop tv˚a stycken “stacked fins heat sinks” f¨or att f˚a en r¨atblocksform och en kanal med kylfl¨ansar inuti, som kan ses i figur 6.

Fig. 9. Modifierad plattv¨armev¨axlare av rostfritt st˚al.

C. Kylfl¨ans

Tv˚a stycken kylfl¨ansar i koppar designades f¨or att passa systemet och uppfylla kraven med en vikt p˚a 2kg styck. Kylfl¨ansarna f¨orseddes med v¨armeisolerande material med ut- skurna h˚al (40x40mm) f¨or TEMs. Isolering i form av reflektiv

Fig. 10. Undersida av kylfl¨ans med aluminiumdistanser f¨asta och svart isolering.

kabelstrumpa anv¨andes se figur 11. D. Liksp¨anningsomvandlare

En MPPT anv¨andes med integrerarad lik- sp¨anningsomvandlare. En modell framtagen f¨or solceller fr˚an f¨orra ˚arets konceptbil anv¨andes, med ett par mindre modifieringar. Implementeringen av

Fig. 11. Kabelisolering i glasfiberv¨av och reflekterande material, skyddar kablar upp till 200◦_C.

Tabell III

EGENSKAPER FOR VALDA KYLFL¨ ANSAR¨ .

Egenskap V¨arde Enhet

Material Koppar -

Storlek 137_{× 190 × 30} mm

vikt 2 kg/st

liksp¨anningsomvandlingen tog dock l¨angre tid ¨an v¨antat eftersom fr˚an b¨orjan var ingen MPPT tillt¨ankt. Modifieringarna tog ocks˚a l¨angre tid ¨an v¨antat, lite beroende p˚a bristande dokumentering f¨or den tidigare byggda MPPTn. E. Modifiering av MPPT

Switchtransistorerna i omvandlingen har bytts ut till snab- bare och med mindre switchresistans. Resistorerna mellan switchar och driver har s¨ankts fr˚an 12ohm till 2 ohm. Sp¨anningsdelningen p˚a ing˚angen har modiferats f¨or att passa arbetsomr˚adet p˚a cirka 30V maximalt ist¨allet f¨or det ursprung- liga d¨ar 12V var den nominella sp¨anningen.

Algoritmen har modifierats f¨or att passa superkondensatorn med nominell sp¨anning 48V ist¨allet f¨or det batteri p˚a 42V som anv¨andes till den ursprungliga algoritmen. Den minsta insp¨anning som accepterades var inst¨alld p˚a 2.5V vilket har s¨ankts till 1V. I algoritmen fanns en tidsf¨orskjutning d¨ar systemet gick in i vilol¨age n¨ar insp¨anningen var under den minsta accepterade, den har s¨ankts fr˚an 2s till 2s.

Olika tester och m¨atningar har utf¨orts f¨or att garantera funktionen av MPPTn. Olika insp¨anningsv¨arden och scenarion f¨or systemet har simulerats. Detta visade sig vara mycket tidskr¨avande men n¨odv¨andigt.

F. Design och Montering

Distanser 5mm tjocka i aluminium och med lika stor area som en TEM monterades p˚a den kalla sidan av TEMsen f¨or att ¨oka utrymmet i h¨ojdled mellan kylfl¨ansen och v¨armev¨axlaren. Detta f¨or att f˚a mer utrymme till att isolera mot v¨armen som inte ska passera direkt fr˚an v¨armev¨axlaren till kylfl¨ansen. Det ¨ar b¨attre att l¨agga distanserna p˚a den kalla sidan ¨an p˚a den varma eftersom detta egentligen bara medf¨or n˚agot s¨amre kontakt med kylfl¨ansen, emellertid blir det ocks˚a mer massa att kyla ned p˚a den kalla sidan. Dessa distanser syns i figur 10

V¨armev¨axlarens sida var inte helt plan p˚a ena sidan, d¨arf¨or valdes att ocks˚a d¨ar l¨agga en tunn platta p˚a 3mm i aluminium. Den j¨amnar ut temperaturen och g¨or att TEMsen f˚ar god kontakt med plattan som ¨ar plan. Kylpasta l¨aggs under plattan mot v¨armev¨axlaren f¨or att fylla ut oj¨amnheterna, dock blir den utj¨amnade temperaturen l¨agre ¨an om montering direkt p˚a v¨armev¨axlaren hade varit m¨ojlig. Den extra plattan medf¨or ocks˚a en viss termisk kapacitans, det vill s¨aga att det kr¨avs en viss tid f¨or v¨armev¨axlaren att v¨arma upp aluminiumdistansen. Metoden f¨or monteringen misslyckades, inget moment f¨or skruvarna kunde uppm¨atas, n¨ar skruvarna dras ˚at olika mycket minskar trycket p˚a skruvarna brevid. Momentet v¨axer aldrig till n˚agon j¨amn niv˚a. Kraftsensorerna anv¨andes dock, de placerades diagonalt ifr˚an varandra och p˚a varsin sida. Inga vettiga resulatat kunde uppm¨atas fr˚an sensorerna, de visade v¨aldigt olika och varierade kraftigt beroende p˚a hur h˚art de satt i kontakten. Tillslut drogs skruvarna med momentnyckel (3Nm) och kraftsensorerna anv¨andes som viss referens.

Fig. 12. Kylfl¨ans med TEMs och isolering.

I figur 12 ses hur systemet ser ut precis innan montering p˚a v¨armev¨axlare, Tejp anv¨ands f¨or att isolering och TEMs ska h˚allas p˚a plats.

Sista steget ses i figur 13, skruvarna dras ihop med mo- mentnyckel.

Systemet monterades fast i bilen st˚aendes med montageband ¨over v¨armev¨axlaren som pressade ner systemet i bottenplattan. Stag av montageband gjordes ocks˚a som f¨astes i skruvarna f¨or WHR-systemet f¨or att stabilisera i den andra riktingen. I figur 14 syns WHR-systemet monterat i bilen Elba, avgassystemet ¨ar ¨annu inte inkopplat.

Fig. 14. WHR-systemet monterat i bilen Elba brevid elmotorn.