R ESULTAT OCH DISKUSSION

I denna del visas f¨orst de ber¨akningar och uppskattningar som gjorts. Sedan f¨ors en diskussion kring valet av kompo- nenter och hur avgr¨ansingarna har p˚averkat projektet. A. Teoretiska resultat

F¨orbr¨anningsmotorn som anv¨andes var en Honda GXV57 tillsammans med en Superkondensator med nominell sp¨anning 48V. I parallellhybriden skall bensinmotorn endast k¨oras cirka 15% av tiden. I tabell IV kan data f¨or f¨orbrukning och tiden f¨or motorg˚ang ses. Den tillg¨angliga energin i restv¨armen kan ber¨aknas med dessa v¨arden.

P = We

t [W] (2)

Under ett lopp f¨orbrukas f¨oljande m¨angd bensin. 40

60h × 15% × 0.6liter/h = 0.06 liter bensin Vilket ger totala energin:

0.06liter × 0.74616kg/liter × 42900kJ/kg = 1920kJ

Tabell IV

TOTAL ENERGI TILLGANGLIG FR¨ AN F˚ ORBR¨ ANNING I FORM AV V¨ ARME¨ .

Egenskap V¨arde Enhet

K¨ortid f¨or ett lopp 40 min

Motorg˚ang 15 %

Motorf¨orbrukning @4600rpm 0.6 liter/h Bensindensitet 0.74616 kg/liter

Energiinneh˚all 42900 kJ/kg

Uppskattad avgasv¨arme 30 %

Avgasv¨armen uppskattades vara 30% av fordonets ener- gif¨orbrukning [4]. Total energi till avgasv¨arme ges nu som:

1920kJ × 30% = 576kJ Tabell V

TEORETISKT MAXIMUM FOR¨ WHR-SYSTEM.

Egenskap V¨arde Enhet

Verkningsgrad TEM 3 %

Elektrisk verkningsgrada _{80 %}

a_{Fr˚an insp¨anning till utsp¨anning ska systemet ha en viss verkningsgrad} Fr˚an tabell V kan d¨arefter de teoretiska energierna ber¨aknas fr˚an ekvation 2: Den elektriska verkningsgraden f¨or TEMs och MPPTn beaktas f¨orst.

We= 576kJ × 3% × 80% = 13.824kJ

Med tiden inr¨aknad fr˚an ekvation 2 erh˚alls medeleffekten som:

Pmedel= 13.824kJ

40min × 60s = 5.76W

Momentan effekt erh˚alls enbart vid motordrift (15% av tiden) som ger f¨oljande effekt:

Pmax=5.76W

15% = 38.4W

F¨or att s¨atta detta resultat i relation till bilen Elbas f¨orbrukning kan det n¨amnas att det kr¨avs cirka 200W f¨or att h˚alla en konstant hastighet p˚a ungef¨ar 30km/h. Det ska dock kommas ih˚ag att f¨orbr¨anningsmotorn f¨or Elba endast anv¨ands i korta perioder och cirka 15% av den totala tiden. Pmedel ger d¨arf¨or en b¨attre uppfattning av effektiviteten i just Elba.

B. Komponentanalys

Inom tidsramen f¨or projektet valdes TEMs och V¨armev¨axlare i ett tidigt skede. Dessa enheter ¨ar de mest specifika och sv˚artillg¨angliga av alla WHR- systemets komponenter. Om t.ex. kylfl¨ansarna inte hade levererats i tid hade det ¨and˚a g˚att att hitta enklare alternativa l¨osningar fr˚an konsumentmarknaden i form av kylfl¨ansar till datorkomponenter eller dylikt. Marknaden f¨or liksp¨anningsomvandlare ¨ar stor vilket g¨or att de ¨ar relativt

l¨attillg¨angliga och finns f¨or m˚anga olika till¨ampningar. V¨armev¨axlare ¨ar ofta produkter som ¨ar specialdesignade f¨or ¨andam˚alet. Projektet hade inte kunnat avslutats i tid eller med gott resultat om denna enhet inte specialbest¨allts. De vanligaste v¨armev¨axlarna p˚a konsumentmarknaden anv¨ands ofta till stora fartyg, lastbilar eller till husuppv¨armning och ¨ar oftast mycket st¨orre enheter ¨an vad som ¨ar l¨ampligt f¨or en liten konceptbil. Dessa v¨armev¨axlare har ofta tv˚a kammare d¨ar olika medier ut¨ovar ett v¨armeutbyte med varann. V˚art ¨andam˚al beh¨over enbart en kammare eftersom vi inte har tv˚a medier utan endast vill ¨overf¨ora v¨armen fr˚an ett medie till sj¨alva v¨armev¨axlaren.

TEMs valdes ocks˚a tidigt i projektet eftersom konsument- marknaden f¨or peltierelement inte ¨ar s˚a stor. Vi beh¨ovde en viss typ av moduler som kunde hantera v˚art arbetsomr˚ade f¨or temperaturen och samtidigt vara som effektivast d¨ar temperatu- ren uppskattats ligga, i v˚art fall kring 200◦_{C. Tillg¨angligheten} och leveranstiderna kr¨avde att dessa komponenter best¨alldes tidigt.

TEM valdes efter det uppskattade arbetsomr˚adet f¨or tem- peraturen. Om temperaturen skulle bli l¨agre ¨an f¨orv¨antat ¨ar det inget problem, TEMen har fortfarande bra effektivivtet i l¨agre temperaturom˚arden s˚a l¨ange temperaturskillnaden ¨ar god. Men om temperaturen blir f¨or h¨og kan TEMen skadas och g˚a s¨onder. D˚a m˚aste temperaturen p˚a v¨armev¨axlaren s¨ankas. M¨ojligen kan isoleringen minskas f¨or att ¨oka “bypass-v¨armen” men det skulle ocks˚a minska temperaturskillnaden vilket s¨anker uteffekten. Ett annat alternativ ¨ar att l¨agga distanserna f¨or TEMsen p˚a den varma sidan, distanser i ett annat material ¨an aluminium kan ocks˚a anv¨andas. D˚a kan TEMsen isoleras en aning genom att f¨ors¨amra v¨armeledningen.

En plattv¨armev¨axlare har plana sidor och en m¨ojlighet att relativt enkelt dimensioneras efter m˚anga olika behov. I tillverkningsprocessen pressas pl˚atar ihop f¨or att skapa dessa kammare och kanaler. Detta g¨or att sidorna inte blir helt plana, eftersom n¨ar pl˚atarna pressas ihop kan de b¨ojas en aning. Detta f¨ors¨amrar kontakten med TEMarna och f¨orsv˚arar monteringen. P˚a ena sidan r¨ackte det med kylpasta. P˚a andra sidan var en aluminiumplatta med kylpasta under tvungen att monteras f¨or att j¨amna ut temperaturen och s¨akerst¨alla en plan yta f¨or monteringen av TEMsen.

Kylfl¨ansarna som designades i koppar var v¨aldigt tunga. Aluminium hade varit ett b¨attre val. Dock ¨ar kylf¨orm˚agan b¨attre med kopparfl¨ansar, b˚ade med tanke p˚a materialet och vikten. ¨Aven v¨armeledningen ¨ar b¨attre. Koppar har densi- siteten 8.96g/cm3 _{och aluminium 2.7g/cm}3_{. Om fl¨ansarna} designats i aluminium och med samma storlek hade vikten minskats med 70%. Det betyder att ist¨allet f¨or 4kg kylfl¨ansar hade vikten blivit 1.2kg. Med en totalvikt f¨or systemet p˚a ca 4.5kg hade vi d˚a klarat v˚art viktm˚al. Leveranstiden f¨or kylfl¨ansar i aluminium var dock alldeles f¨or l˚ang; 4 veckor. D¨arf¨or valdes koppar ist¨allet.

Ist¨allet f¨or att bara anv¨anda en liksp¨anningsomvandlare har en MPPT anv¨ants. En MPPT har f¨ordelen att inte ba- ra omvandla sp¨anningen utan ocks˚a matcha lasten mot in- resistansen. Detta g¨or systemet mer effektivt ¨an om bara en liksp¨anningsomvandlare anv¨ands. Algoritmen hade kunnat f¨orb¨attrats och gjorts snabbare samt mer allm¨an.

C. Tidsaspekt

Mer tid borde ha planerats f¨or leveranstider och till dis- kussioner av specialdesigner. Projektet kunde ha minskat p˚a kunskapsfasen och skjutit resten av projektet mot b¨orjan f¨or att ge mer tid ˚at slutfasen. Kunskapsfasen var i sig intres- sant och djupg˚aende, men just projektets avgr¨ansning gjorde att n¨asta fas inte kr¨avde den djupa f¨orst˚aelsen som vi fick tidigt i projektet. Ett alternativ hade varit att ist¨allet dela upp kunskapsfasen i tv˚a delar med en tidig grund f¨or att sedan studera marknadens utbud och inleda diskussioner f¨or specialdesign. Varvid en djupdykning i teorin hade kunnat ta vid n¨ar marknaden unders¨okts. Den befintliga arbetsplanen hade inte denna flexibiliteten vilket gjorde att projektet inte utvecklades s˚a snabbt under kunskapsfasen.

D. P˚averkan av avgr¨ansningar

Att vissa unders¨okningar har uteslutits har sj¨alvklart p˚averkat resultatet. Men m˚alet var inte enbart att bygga ett s˚a effektivt WHR-system som m¨ojligt. Om detta hade varit m˚alet s˚a borde unders¨okningar om isolering och optimala val p˚a komponenter gjorts f¨or att garantera effektiviteten. F¨arre uppskattningar skulle ha gjorts och fler tester nere p˚a komponentniv˚a.

Tester f¨or varje komponenet m˚aste g¨oras f¨or att se hur pass bra de uppfyller kraven vi st¨allt. ¨Aven tester f¨or WHR- systemet m˚aste g¨oras f¨or att se hur pass v¨al v˚ara uppskatt- ningar st¨ammer med verkligheten. Detta g¨or att systemet kan utv¨arderas och f¨orb¨attras efter att nya krav st¨allts och modifieringar gjorts.

Emellertid har detta b˚ade av tidsbrist samt tillg¨anglighet av utrustning och testsystem inte genomf¨orts. Till exem- pel hade f¨orbr¨anningsmotorns avgasfl¨oden och temperatu- rer kunnat testats. Motorn fanns dock inte tillg¨anglig innan best¨allningen av v¨armev¨axlare, varf¨or dessa tester inte gick att genomf¨ora. Ut¨over det var f¨orbr¨anningsmotorn i sig inte optimerad f¨or projekt Elba, ICE-gruppen har jobbat med att optimera insprutning, gas/luft-blandning samt fler modifiering- ar p˚a f¨orbr¨anningsmotorn f¨or att dra ner br¨anslef¨orbrukningen. V¨armev¨axlaren skulle ha testk¨orts med systemet i bilen f¨or att utv¨ardera p˚averkan och temperaturer. Test f¨or kylning och isolering kunde ocks˚a ha genomf¨orts.

MPPTn har god potential men det finns utrymme f¨or f¨orb¨attring. Emellertid har de modifieringar som gjorts f¨orb¨attrat MPPTn en del. Byte av resistorer och swit- char har gjort MPPTn b˚ade snabbare och mer effektiv. Sp¨anningsdelningen och den del av algoritmen som ¨andrades gjordes endast f¨or att MPPTn skulle passa systemet b¨attre. E. Utv¨ardering

Ett WHR-system ¨ar v¨aldigt dyrt med avseende p˚a effekt- vinsten.

Vi kunde inte uppfylla v˚art viktm˚al inom tidsramen f¨or pro- jektet. Om mer tid hade funnits s˚a hade specialdesigner kunnat g¨oras med st¨orre omtanke. Bl.a. var vi i slut¨anden tvungna att v¨alja koppar som material f¨or kylfl¨ansarna. Kylfl¨ansar i aluminium hade en estimerad leveranstid som var alldeles f¨or l˚ang f¨or projektet.

Peltierelementen har relativt d˚alig verkningsgrad och det ¨ar i dagsl¨aget sv˚armotiverat att implementera denna l¨osning f¨or en personbil.

Ett problem som uppst˚ar i en hybridl¨osning d˚a elmotorn anv¨ands st¨orre delen av tiden ¨ar att verkningsgraden f¨or WHR- systemet minskar drastiskt om v¨armefl¨odet ¨ar starkt varieran- de. Dagens halvledarteknik fungerar s¨amre under diskonti- nuerlig drift, den kr¨aver ett j¨amnt avgasfl¨ode med konstant temperatur f¨or att fungera som b¨ast.

Ett annat problem med WHR-system ¨ar att det ¨ar sv˚art att g¨ora de effektiva och samtidigt h˚alla nere vikten, storleken och kostnaden, vilket kan g¨ora det sv˚art att motivera konsumenter. Fr˚agan ¨ar ocks˚a om WHR-systemen kan g¨oras tillr¨ackligt bra innan konceptet blir f¨or˚aldrat. D¨armed ¨ar det inte sagt att l¨osningen ¨ar ointressant. I framtiden n¨ar halvledartekniken f¨orb¨attrats kan dessa l¨osningar komma att anv¨andas.

V. SLUTSATSER

Ett WHR-system har byggts med m˚alen att, ha viss effekt, vikt och storlek. Viktm˚alet avklarades inte d˚a funktionsm˚alet prioriterades n¨ar projektet led mot sitt slut.

TEMs har valts f¨or att vara optimala f¨or v˚ara temperaturer. En plattv¨armev¨axlare har specialdesignats f¨or att passa storle- ken av v˚art system och specialdesignade kylfl¨ansar har anv¨ants f¨or att uppfylla v˚ara krav. Kylfl¨ansarna borde ha tillverkats i aluminium f¨or att h˚alla nere vikten.

En liksp¨anningsomvandlare med MPPT algoritm ˚ateranv¨andes fr˚an ett tidigare projekt som gick ut p˚a att alstra energi fr˚an solpaneler. ¨Andringar gjordes f¨or anpassning till ett WHR-system d˚a f¨oruts¨attningarna var snarlika med vissa skillnader som beh¨ovde implementeras b˚ade i Algoritmen och kretsen. Den effektiviserades ocks˚a n˚agot n¨ar modifieringarna i kretsen gjordes. Det finns utrymme f¨or ytterligare f¨orb¨attringar i b˚ade algoritm och design.

Mycket av tiden i projektet gick ˚at till leveranstid. ¨Aven fast detta hade planerats f¨or i projektplanen s˚a tog det l¨angre tid ¨an planerat. Den relativt korta tiden f¨or projektet har gjort att vissa val har gjorts med st¨orre h¨ansyn till leveranstider och tillg¨anglighet ¨an vad som var t¨ankt fr˚an b¨orjan. Detta har utan tvekan p˚averkat uppfyllandet av projektets m˚al. Diskussioner med leverant¨orer om specialdesigner borde ha inletts tidigare och kunskapsfasen delats in i tv˚a delar f¨or att g¨ora detta m¨ojligt.

I projektet saknas omfattande tester, b˚ade f¨or komponenter- na och f¨or systemet integrerat i bilen. Eftersom dessa tester saknas har inte utv¨arderingar f¨or prestanda och optimalitet kunnat g¨oras. Det finns utrymme f¨or en andra version av systemet som har potential att bli f¨orb¨attrad.

Resultaten av projektet bidrar till utvecklingen av den befintliga tekniken hos f¨orbr¨anningsmotorer och hybridbilar. Denna teknik kan effektiviseras och utvecklas men kommer enbart kunna f¨orb¨attra f¨orbr¨anningsmotorn till en viss niv˚a. Systemen bed¨oms ocks˚a i dagsl¨aget vara f¨or dyra med tanke p˚a effektiviteten.

WHR-system ¨ar dock en intressant teknik att anv¨anda och kan komma att implementeras i situationer och system som avger stora m¨angder v¨arme som inte tas till vara.

TACK TILL

Vi vill rikta ett varmt tack till Mats Leksell och Arash Risseh f¨or bra v¨agledning och goda r˚ad som handledare i projektet.

Lennart Holmgren p˚a TermoGen f¨or goda r˚ad g¨allande termoelement.

Raymond Hseih och Leeann Lee p˚a Coolermaster f¨or hj¨alpen att designa effektiva kylfl¨ansar.

Andreas M¨oller p˚a Swep f¨or hj¨alp med design av v¨armev¨axlare.

Alla p˚a KTH Eco cars f¨or ett sp¨annande samarbete. REFERENSER

[1] D. Helmersson. (2015, Apr.) elbil. [Online]. Available: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l˚ang/elbil

[2] Courses.washington.edu. (2015, Apr.) Improving ic engine efficiency. [Online]. Available: http://courses.washington.edu/me341/oct22v2.htm [3] D. B. Sandalow, Plug-in electric vehicles: what role for Washington?

Brookings Institution Press, 2009.

[4] J. V´azquez, M. A. Sanz-Bobi, R. Palacios, and A. Arenas, “State of the art of thermoelectric generators based on heat recovered from the exhaust gases of automobiles,” in Proc. 7th European Workshop on Thermoelectrics, no. 17, 2002.

[5] C. Hirschbiel, “The great race: The global quest for the car of the future,” 2015.

[6] S. Kumar, S. D. Heister, X. Xu, J. R. Salvador, and G. P. Meisner, “Ther- moelectric generators for automotive waste heat recovery systems part ii: parametric evaluation and topological studies,” Journal of electronic materials, vol. 42, no. 6, pp. 944–955, 2013.

[7] S. Eco-marathon. (2015, Apr.) Shell eco-marathon. [Online]. Available: http://www.shell.com/global/environment-society/ecomarathon.html [8] S. N. Land´en. (2015, Apr.) Elba. [Online]. Available:

https://www.kth.se/blogs/ecocars/cars/elba/

[9] Tellurex, “Frequently asked questions about our power generation tech- nology,” Tellurex Corporation, 2010.

[10] D. Tatarinov, M. Koppers, G. Bastian, and D. Schramm, “Modeling of a thermoelectric generator for thermal energy regeneration in automo- biles,” Journal of electronic materials, vol. 42, no. 7, pp. 2274–2281, 2013.

[11] S.-L. Li, C.-K. Liu, C.-Y. Hsu, M.-C. Hsieh, M.-J. Dai, and S.- T. Wu, “Thermo-mechanical analysis of thermoelectric modules,” in Microsystems Packaging Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), 2010 5th International. IEEE, 2010, pp. 1–4.

[12] F. A. Leavitt, N. B. Elsner, and J. C. Bass, “Use, application and testing of hi-z thermoelectric modules,” in XV International Conference on Thermoelectrics, Pasadena, California, 1996, pp. 26–29.

[13] C. B. Vining, “Thermoelectric technology of the future,” in Presentation, defense science research council workshop, La Jolla, California, vol. 21, 1994.

[14] S. Lineykin and S. Ben-Yaakov, “Pspice-compatible equivalent circuit of thermoelectric cooler,” in Power Electronics Specialists Conference, 2005. PESC’05. IEEE 36th. IEEE, 2005, pp. 608–612.

[15] A. Risseh and H.-P. Nee, “Design of high-efficient converter for on- board thermoelectric generator,” in Transportation Electrification Asia- Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo. IEEE, 2014, pp. 1–6.

[16] R. W. Erickson, DC–DC Power Converters. John Wiley & Sons, Inc., 2001, accessed: (2015, Apr.). [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1002/047134608X.W5808.pub2



Sammanfattning - Det globala miljöhotet är allvarligt och en stor

del av detta hot utgörs av användningen av fossila bränslen varför stort fokus läggs på ökad användning av förnybara energikällor. Det är väl känt att fordon som drivs av förbränningsmotorer är en bidragande faktor till utsläppen av växthusgaser. Detta har lett till att man på senare tid utvecklat