Konceptutveckling av
DC-kontaktor
Tillämpbar inom EV-charging
Examensarbete
Avancerad nivå, 30 hp
Produkt- och processutveckling
Linus Gustafsson & Jonathan Hillström
Datum: VT 2020
Handledare, ABB Control Products: David Karlén Handledare, Mälardalens högskola: Janne Carlsson Examinator: Sten Grahn
ABSTRACT
This is a master thesis project carried out during a 20-week period in the spring of 2020 and that corresponds to 30 credits. The project covered concept development of a contactor (switch for controlling high current). The client ABB Control Products in Västerås, Sweden, have noticed an emerging need within the megatrend electrification in line with a growing energy demand. This comprises a new 1-pole DC-contactor (direct current contactor) within the application of EV-charging (electric vehicle charging). The problem, that this project has been based on, was to create a theoretically functioning concept for a 1-pole DC-contactor based on the client's existing 2-pole DC-contactor. In addition, some other requirements for the concept (formulated as project objectives) have also composed the problem. The research question below has been formulated as a support for carrying out the project.
“How can a 2-pole DC-contactor be redesigned into a 1-pole DC-contactor, applicable in EV-charging?”
By answering the research question, the project sought to contribute with a value that describes the general benefit of the project by what the concept brings in relation to the growing energy demand.
The project has been carried out by using several product development methods that have led to a result which is a theoretically functioning concept. The concept has been presented as a CAD-model, it consists of three main sections: the bottom, the middle and the top. The sections consist of different components that together constitutes the concept. The concept has been able to mimic existing product to such an extent that it can be perceived to fit into the same product family. The core of the concept is that it is estimated to be capable of conducting current at 3000 A and breaking it at 1500 V. By taking advantage of the concept, which in consultation with the client has been considered to consist of a good overall solution, the further development of the new contactor can proceed towards industrialization. This, in despite to the fact that not all project objectives have been fulfilled. In future work it is recommended to develop certain areas of the design in order to later proceed to, among other things, testing the strength and conductivity of a future prototype. The project has resulted in an economic value and a scientific value due to a pending patent of a solution which has helped to make the concept work. In addition, the developed concept has created an opportunity to be able to charge heavy vehicles and charge more vehicles with higher power and higher speed. Thus, the concept has contributed to the megatrend electrification. Finally, the value generated by the entirety of the project can be summarized to that the concept can contribute to a more sustainable future in line with a growing energy demand, where more people choose renewable sources using electric vehicles for transportation.
SAMMANFATTNING
Detta är ett examensarbete på avancerad nivå i form av ett projektarbete som gjorts under en 20-veckorsperiod våren 2020 och motsvarar 30 högskolepoäng. Projektarbetet har behandlat konceptutveckling av en kontaktor (strömbrytare för styrning av hög ström). Detta då uppdragsgivaren ABB Control Products i Västerås har sett behov inom megatrenden elektrifiering växa fram i takt med ett växande energibehov. I detta innefattas en ny 1-polig DC-kontaktor (likströmsDC-kontaktor) med tillämpning inom EV-charging (laddning av elfordon). Problemet som legat till grund för detta projektarbete har varit att framställa ett teoretiskt fungerande koncept för en 1-polig DC-kontaktor baserad på uppdragsgivarens befintliga 2-poliga DC-kontaktor. Utöver detta har en del andra krav på konceptet (som formulerats till projektmål) också utgjort problemet. Forskningsfrågan nedan har tagits fram för att kunna utföra projektarbetet.
”Hur kan en 2-polig DC-kontaktor konstrueras om till en 1-polig DC-kontaktor tillämpbar inom EV-charging?”
Genom att besvara forskningsfrågan har projektarbetet avsett att bidra med ett värde som beskriver den generella nyttan projektarbetet har genom vad konceptet medför i relation till växande energibehov.
Projektarbetet har utförts genom att använda ett flertal produktutvecklingsmetoder som sedan kunnat resultera i ett teoretiskt fungerande koncept. Konceptet har presenterats som en CAD-modell, det består av tre huvudsakliga sektioner: botten, mitten och toppen. Sektionerna består av olika komponenter som tillsammans bildar konceptet. Konceptet har efterliknat befintlig produkt till så stor grad att den kan bedömas passa in i samma produktfamilj. Det centrala i konceptet är att det bedöms ha förmågan att kunna leda ström på 3000 A och kunna bryta denna vid 1500 V. Med hjälp av konceptet, som har kunnat anses vara ett bra helhetsunderlag i samråd med uppdragsgivare, så kan utvecklingen av kontaktorn drivas framåt mot industrialisering. Detta trots att inte alla projektmål har kunnat uppfyllas. I framtida arbete rekommenderas det att utveckla vissa områden av konstruktionen för att sedan kunna gå vidare till bland annat test av hållfasthet samt ledningsförmåga hos framtida prototyp. Projektarbetet har resulterat i ett ekonomiskt värde och ett vetenskapligt värde genom pågående patentansökan av en lösning som har bidragit till att konceptet fungerar. Dessutom har projektarbetets koncept skapat en möjlighet till att kunna ladda tyngre fordon och ladda fler fordon med högre effekt och högre hastighet. Utifrån det har konceptet bidragit till megatrenden elektrifiering. Slutligen, projektarbetets värde kan i sin helhet sammanfattas till att konceptet har kunnat bidra till en mer hållbar framtid i takt med ett växande energibehov, där fler människor väljer förnybara källor genom att transporteras med elfordon.
FÖRORD
Detta examensarbete har varit en mycket givande utmaning och ett fint avslut av studierna. I början av projektarbetet upplevdes det behandlade området främmande då vi haft mindre erfarenhet av kontaktorer och elektricitet. På grund av kunskaper inom produktutveckling från studierna och eget fördjupande inom området har projektarbetet kunnat resultera i ett gott resultat med flertalet nya kunskaper som kommer vara användbara i arbetslivet. För att kunna uppnå resultatet så har all form av handledning och stöd varit till stor hjälp.
Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare David Karlén på ABB Control Products som funnits tillgänglig från början till slut med betydelsefullt förmedlande av råd och erfarenheter, trots en pågående kris världen över våren 2020. Vi vill även tacka övriga anställda på samma avdelning som gav oss ett varmt välkomnade.
Slutligen vill vi tacka Janne Carlsson, vår handledare vid Mälardalens Högskola. Tack för din vägledning och stöd i skrivandet av denna rapport.
Linus Gustafsson & Jonathan Hillström
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1. INLEDNING ... 1
1.1. BAKGRUND ... 1
1.2. PROBLEMFORMULERING ... 2
1.3. SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2
1.4. PROJEKTMÅL ... 3
1.5. AVGRÄNSNINGAR OCH DIREKTIV ... 3
2. ANSATS OCH METOD ... 5
2.1. PRODUKTUTVECKLINGSMETODER ... 5 2.2. PROJEKTARBETETS PROCESS ... 6 2.3. PLANERING ... 7 2.4. FÖRSTUDIE ... 7 2.4.1. LITTERATURSTUDIE ... 7 2.4.2. PRODUKTSTUDIE ... 7
2.4.3. GENOMGÅNG AV ELLÄRA & CREO ... 9
2.5. IDÉFAS ... 9
2.5.1. IDÉGENERERING ... 9
2.5.2. IDÉVAL ... 10
2.6. KONCEPTFAS ... 10
2.6.1. UTVECKLING & BEDÖMNING AV KONCEPT ... 10
2.6.2. KONCEPTVAL ... 11
2.7. SLUTFAS ... 11
2.7.1. KOSTNADSBEDÖMNING ... 11
2.7.2. RESULTATSAMMANSTÄLLNING ... 11
2.8. RELIABILITET OCH VALIDITET ... 11
3. TEORETISK REFERENSRAM ... 13 3.1. ELLÄRA ... 13 3.2. KONTAKTORER ... 14 3.3. BEFINTLIG PRODUKT ... 15 3.4. EV-CHARGING ... 16 4. GENOMFÖRANDE ... 18 4.1. PLANERING ... 18 4.2. FÖRSTUDIE ... 18 4.2.1. OBSERVATION ... 18 4.2.2. KONKURRENSANALYS ... 19 4.2.3. KRAVSPECIFIKATION ... 19 4.2.4. FUNKTIONSANALYS ... 20 4.3. IDÉFAS ... 20 4.3.1. IDÉGENERERING ... 20 4.3.2. IDÉVAL ... 21 4.4. KONCEPTFAS ... 21 4.5. SLUTFAS ... 23 5. RESULTAT ... 26
6. ANALYS ... 28 6.1. FORSKNINGSFRÅGA ... 28 6.2. PROJEKTMÅL ... 29 6.3. PROJEKTARBETETS VÄRDE ... 30 7. DISKUSSION ... 31 7.1. SLUTSATSER ... 31 7.2. REKOMMENDATIONER ... 31 KÄLLFÖRTECKNING ... 32 BILAGOR ... I KRAVSPECIFIKATION (BILAGA A) ... I OBSERVATION (BILAGA B) ... II FMEA(BILAGA C) ... III KOSTNADSBEDÖMNING (BILAGA D) ... IV
FIGURFÖRTECKNING
Figur 1, Graf som visar världens primära energiförsörjning per källa (DNV GL, 2019) ... 1
Figur 2, Produktutvecklingsprocess visualiserad av Ulrich & Eppinger (2014) ... 5
Figur 3, Frontprocessen av Ulrich & Eppinger (2014) s.48 ... 5
Figur 4, De fem faserna i Design Thinking (Michaels, 2017) ... 6
Figur 5, Projektarbetets process ... 6
Figur 6, Funktionsanalys (Österlin, 2016 s.51) ... 9
Figur 7, Illustration av en kontaktor i slutet läge där den leder ström (GalcoTV, 2013) ... 14
Figur 8, CAD-modell av befintlig kontaktor ... 15
Figur 9, Produktbild av befintlig produkt ... 15
Figur 10, Illustration över laddning av bil och buss (ABB, 2017) ... 16
Figur 11, Schematiskt diagram av ett DC-laddningssystem (IEC, 2014) ... 16
Figur 12, Tillverkningsprocess av befintlig produkt ... 18
Figur 13, Funktionsanalys av befintlig kontaktor ... 20
Figur 14, Ursprunglig bottendel med kontaktskenor ... 22
Figur 15, Omkonstruerad bottendel med första koncept av kontaktskenor ... 22
Figur 16, Slutgiltig version av kontaktskena ... 22
Figur 17, Lock med elektronik ... 23
Figur 18, CAD-modell av slutgiltigt koncept i fyra vyer ... 26
Figur 20, CAD-modell av slutgiltigt koncept ... 28
Figur 19, CAD-modell av befintlig produkt ... 28
TABELLFÖRTECKNING
Tabell 1, Beskrivning av kravområden i kravspecifikation ... 19Tabell 2, Resultatsammanställning ... 27
FÖRKORTNINGAR
AC Alternating Current (Växelström)
A Ampere (SI-enhet för ström)
BOM Bill of materials (lista av material)
CAD Computer-Aided-Design (Datorstödd design)
DC Direct Current (Likström)
DFA Design for Assembly (Design för sammanställning)
DFM Design for Manufacture (Design för tillverkning)
EJ Exajoule (Motsvarar 1018 joule, joule är SI-enhet för energi)
EV-charging Electric vehicle charging (laddning av elfordon)
FMEA Failure Modes and Effects Analysis
kW Kilowatt (W, alltså watt, är SI-enhet för effekt)
1. INLEDNING
I det här avsnittet presenteras examensarbetet i en övergripande projektbakgrund som leder fram till en problemformulering. För att kunna bemöta problemet har även ett syfte med tillhörande frågeställning upprättats. Sedan presenteras projektmål och därefter avslutas avsnittet med examensarbetets avgränsningar och direktiv.
1.1. Bakgrund
Samhället rör sig mer och mer mot elektrifiering av produkter inom olika områden. I och med detta växer energibehovet som beräknas nå sin högsta nivå år 2030, se Figur 1 (DNV GL, 2019). Det ställer krav på att elektricitet kan framställas i sådan mängd att det räcker till all ny teknik. Samtidigt minskar de tillgängliga fossila bränslena, vilket gör att förnybara energikällor behöver användas i större utsträckning för att säkerställa att energiproduktionen täcker behovet. Förnybara energikällor blir även allt mer viktiga då förbränning av fossila bränslen orsakar klimatförändringar. Det har lett till att olika former av klimatmål har upprättats så som begränsningen av global uppvärmning till max 1,5 °C (Masson-Delmotte, et al., 2018).
Figur 1, Graf som visar världens primära energiförsörjning per källa (DNV GL, 2019)
Elektrifiering är ett högst aktuellt ämne i samhällsutvecklingen. Det är även ett område som företaget ABB ser som en megatrend. ABB AB är ett företag som utvecklar och tillverkar system samt produkter som bidrar till ett fungerande el-nät. ABB är uppdelat i olika affärsområden runt om i världen, en av dessa är Electrification. Inom Electrification ingår ett antal affärsenheter. En av dessa är Control Products som ligger i Västerås. De utvecklar och tillverkar bland annat tryckknappar (exempelvis nödstopp), mjukstartare (används vid start av elmotorer) och kontaktorer (strömbrytare för styrning av hög ström). Produkterna kan användas i applikationer där förnybara källor används, vilket speglar att ABB har hållbar utveckling som en naturlig del i verksamheten (ABB, u.d.).
Detta examensarbete har bestått av ett projektarbete åt uppdragsgivaren ABB Control Products. Projektarbetet har behandlat konceptutveckling av en kontaktor. Kontaktorer kan användas inom flera olika områden och applikationer, där el behöver kontrolleras med till- och frånslag (se avsnitt 3.2. Kontaktorer för mer information). Det finns kontaktorer för både växelström (AC) och likström (DC) (se mer i avsnitt 3.1. Ellära). Kontaktorer kan exempelvis användas för start av belysning och motorer. De används även inom solenergi och electric vehicle charging, vanligen förkortat EV-charging (laddning av elfordon).
Uppdragsgivaren för detta projektarbete har sett behov inom megatrenden elektrifiering växa fram i takt med växande energibehov, vilket har lett till att nya lösningar behöver tas fram. Detta innefattar en ny DC-kontaktor med tillämpning inom EV-charging baserad på uppdragsgivarens befintliga 2-poliga DC-kontaktor. En sådan kontaktor behövde ha högre ledningsförmåga anpassat för laddning av tyngre fordon. Detta samtidigt som samma brytförmåga bibehålls. Det för att kunna möjliggöra att fler fordon laddas med högre effekt och snabbare hastighet. För att kunna göra en DC-kontaktor tillämpbar inom EV-charging så behöver kontaktorn vara 1-polig. Då användning av 2-polig DC-kontaktor i ett laddningssystem inte möjliggör isolationstest vilket behöver utföras för säker laddning (mer ingående om kontaktorer i relation till EV-charging i avsnitt 3.4. EV-charging). Kontaktorn behövde också göras mindre och kostnadseffektivare i jämförelse med uppdragsgivarens befintliga 2-poliga DC-kontaktor. Vilket också är ett skäl till att 1-polighet behövdes då färre resurser krävs. Vid utveckling av en sådan kontaktor har uppdragsgivaren haft en önskan att så många komponenter som möjligt återanvänds från befintlig produkt för att bidra till en kostnadseffektiv lösning. Utöver detta skulle tankesätt användas för att kunna möjliggöra enkel och effektiv montering samt tillverkning. Dessa kallade Design for Manufacture (DFM) och Design for Assembly (DFA).
1.2. Problemformulering
En kontaktors uppgift är att sluta, leda och bryta strömkretsen. Problemet som legat till grund för detta examensarbete har varit att framställa ett teoretiskt fungerande koncept för en 1-polig DC-kontaktor baserad på befintlig 2-polig DC-DC-kontaktor. Detta koncept skulle vara tillämpbart inom EV-charging. Problemet med konceptet var också att det med endast en pol skulle tillåta en högre ledningsförmåga än befintlig produkt och bibehålla samma brytförmåga. Det för att möjliggöra en anpassning för laddning av tyngre fordon och så att fler fordon ska kunna laddas med högre effekt och snabbare hastighet. Dessutom skulle så många komponenter som möjligt från befintlig produkt återanvändas. Detta samtidigt som kontaktorn skullevara mer kostnadseffektiv, mindre i storlek och anpassad för montering och tillverkning enligt DFM samt DFA.
1.3. Syfte och frågeställningar
Syftet med detta projektarbete var att utifrån uppdragsgivarens kravspecifikation ta fram ett teoretiskt fungerande koncept för en 1-polig DC-kontaktor baserad på uppdragsgivarens befintliga 2-poliga DC-kontaktor. Kontaktorn skulle också vara tillämpbar inom EV-charging och med endast en pol tillåta en högre ledningsförmåga med samma brytförmåga som hos befintlig produkt. Detta för att möjliggöra en anpassning för laddning av tyngre fordon och så att fler fordon ska kunna laddas med högre effekt och snabbare hastighet.
Syftet har tagits fram för att projektarbetet i sin helhet skulle kunna bidra med ett värde som kan definieras utifrån framtaget koncept. Värdet skulle beskriva den generella nyttan konceptet medför i relation till det växande energibehov som presenterats i 1.1. Bakgrund.
För att uppnå syftet har följande frågeställning tagits fram med målet att besvaras:
• ”Hur kan en 2-polig DC-kontaktor konstrueras om till en 1-polig DC-kontaktor
1.4. Projektmål
Utöver målet att besvara forskningsfrågan har även projektmål tagits fram utifrån uppdragsgivarens kravspecifikation, se bilaga A. Dessa projektmål var baserade på de viktigaste kraven att uppfylla i kravspecifikationen. Anledningen till de specifika målvärdena nedan var att de ansågs vara genomförbara och behövde uppnås för att resultatet ska bli lönsamt.
• Kostnadseffektivisera ny produkt i jämförelse med befintlig produkt genom att minska
kostnaden för material samt montage med 17 %.
• Målvärden för mått hos ny produkt: o 150 mm i bredd
o 300 mm i höjd o 340 mm i längd
• Öka ledningsförmågan i den nya lösningen så att kontaktorn med endast en pol kan leda
3000 A, samtidigt som tidigare brytförmåga hos befintlig produkt bibehålls.
• Konceptet ska återanvända så många komponenter som möjligt från befintlig produkt.
Det som eftersträvas är en återanvändning på 50 % eller mer.
• Konceptet ska uppnå en procenthalt på 100 % motsvarande befintlig produkts
monteringsvänlighet och tillverkningsanpassning. Det innebär att för montörer ska konceptets komponenter vara lika effektiva att montera ihop som befintlig produkt. Dessutom ska komponenterna vara lika effektiva att tillverka. En högre procenthalt är dock eftersträvansvärd för att göra nytt koncept mer effektivt.
1.5. Avgränsningar och direktiv
Utöver projektmålen som i sig avgränsar projektarbetet så har följande avgränsningar och direktiv också upprättats:
• Examensarbetet har gjorts under en 20-veckorsperiod våren 2020 och motsvarar 30
högskolepoäng.
• Konceptet har inneburit en teoretiskt fungerade lösning som inte kommer testas i
verkligheten genom prototyp. Konceptet består av en 3D modellerad version av produkten i CAD-programmet CREO tillhandahållet av uppdragsgivare.
• Den nya lösningen har konstruerats utifrån tankesätten DFM och DFA i syfte av att
möjliggöra enkel och effektiv montering samt tillverkning.
• Examensarbetet har avgränsats till fokusområdet EV-charging (elfordonsladdning) vid
utveckling av konceptet och har inte tagit i åtanke andra applikationer.
• Elektronikutveckling har ej behandlats i examensarbetet utan enbart mekanisk
konstruktion.
• Endast grundläggande teori om ellära, kontaktorer och EV-charging har studerats för
• Projektarbetet har inte utfört CE-märkning och liknande procedurer för att det ansetts
ligga utanför det konceptuella stadiet. Däremot har projektarbetet förhållit sig till sådana procedurer genom att konstruera konceptet i enlighet med standarder med mera.
• Olika typer av hållfasthetsberäkningar i CAD-program och matematiskt för hand har ej
genomförts för att det ansågs kunna ge missvisande resultat i det tidiga konceptuella stadiet av produktens utveckling.
2. ANSATS OCH METOD
I detta avsnitt presenteras de processer och arbetsmetoder som använts under projektarbetet.
2.1. Produktutvecklingsmetoder
Arbetet har utgått ifrån en traditionell produktutvecklingsprocess som Ulrich och Eppinger (2014) beskriver i sin bok Produktutveckling: konstruktion och design. Processen består av sex olika faser inom områdena design, tillverkning och marknad (se figur 2). Faserna fortsätter sekventiellt efter varandra med start i planeringsfasen för att avslutas med produktionsupptakt. (Ulrich & Eppinger, 2014, ss. 44-47)
Innan Ulrichs och Eppingers produktutvecklingsprocess startar, inleds planering som ska resultera i en plan för uppdraget samt beskrivning av det projekt som ska utföras. Därefter påbörjas identifiering av marknadens behov i konceptutvecklingsfasen. Under denna fas genereras och bedöms koncept för att sedan kunna utse ett koncept att gå vidare med. Koncepten beskrivs bland annat med form och funktion, ofta med tillhörande specifikationer. I den efterföljande fasen utveckling på systemnivå utvecklas bland annat produktarkitektur, produkten delas även upp i olika delsystem och komponenter. Fasen detaljutveckling följer sedan upp med att ta fram en fullständig specifikation av material, geometri och toleranser för samtliga delar i produkten. Sedan konstrueras och utvärderas flertalet förproduktionsversioner av produkten. Slutligen genomförs en produktionsupptakt där produkten tillverkas i produktionslinan och fel elimineras för slutgiltig serieproduktion. (Ulrich & Eppinger, 2014, ss. 44-47)
Figur 2, Produktutvecklingsprocess visualiserad av Ulrich & Eppinger (2014)
Med huvudfokus på design och tillverkning har huvudsakligen de två första faserna av processen ovan använts. Detta eftersom projektarbetets resultat har avgränsats till att ta fram ett teoretiskt fungerande koncept och inte en färdig produkt.
För konceptutvecklingsfasen tillämpades ytterligare en metod från boken av Ulrich och Eppinger (2014) som kallas frontprocessen eller på engelska ”front-end process” (se figur 3). Utifrån en uppdragsbeskrivning inleds sju iterativa aktiviteter som utförs tills en utvecklingsplan kan tas fram för ett utvalt koncept. Dessa kombineras med tre ytterligare aktiviteter som genomförs under frontprocessen för konceptutveckling. Under den första iterativa aktiviteten identifieras kundbehov som sedan leder fram till upprättning av målspecifikationer som beskriver noggrant vad produkten ska utföra. Efter detta genereras olika koncept, som sedan gallras för att utse ett koncept för testning. Konceptet utvärderas i relation till kundbehov för att kunna finna något som behöver ändras med konceptet. Till sist gäller det att ta fram slutgiltiga specifikationer samt planera för nästa fas i produktutvecklingen. (Ulrich & Eppinger, 2014, ss. 47-49)
Projektarbetet har använt sig av frontprocessen till stor utsträckning som en inspiration för val av olika delmoment. Däremot har tillverkning och testande av fysiska modeller och prototyper ej tillämpats.
Design Thinking beskrivs av Tim Brown på IDEO som en metod med ett mänskligt centrerat tillvägagångsätt för innovation. För att få tillgång till människors behov, teknologiska möjligheter och affärsmässiga framgångskrav kan olika designverktyg användas. (IDEO, 2020) Processen Design Thinking kan enligt Standford D.school beskrivas med fem ingående iterativa faser vilka kallas: Empathize, Define, Ideate, Prototype, och Test. Under dessa skapas bland annat empati för användare, problemdefinition, idéer, prototyper och test av lösningar. Se figur 4 för en illustration av de fem faserna. (Dschool Stanford, 2020)
Figur 4, De fem faserna i Design Thinking (Michaels, 2017)
För att kunna ta fram ett värdefullt koncept i arbetet valdes Design Thinking att kombineras med de två övriga processerna. Denna kombination användes för nyttja varje process fördelar där Design Thinking bidrar med ett mer öppet och fritt tankesätt under projektarbetet. Rent konkret har ett flertal metoder inom Design Thinking använts i bland annat idéfasen.
2.2. Projektarbetets process
Utifrån de tre olika processerna beskrivna i avsnitt 2.1. Produktutvecklingsmetoder så skapades modellen i figur 5 som beskriver projektarbetets process.
Figur 5, Projektarbetets process
Projektarbetets process har haft fem ingående sekventiella faser med iterativa delmoment för varje fas, förutom fasen förstudie där momenten utfördes parallellt. Således illustreras varje sekventiellt steg mellan faserna med pilar i figur 5 och delmoment i gråa rutor nedanför fasernas rutor. Det iterativa i arbetsprocessen yttrar sig främst i idéfasen och konceptfasen genom ett divergent och konvergent arbetssätt. Detta för att i enlighet med Design Thinking vara utforskande och öppensinnad när olika val tas fram i ett divergent stadie för att sedan i ett konvergent stadie kunna välja bland de olika valen (IDEO, 2008). Projektarbetets process beskrivs utifrån metoders teori och implementering i avsnitt 2.3. Planering till och med 2.7.
2.3. Planering
GANTT-schema är ett verktyg för att visualisera en bestämd tidsplan och dess olika ingående processer och aktiviteter. De planerade aktiviteterna visas på en horisontell tidsaxel genom liggande staplar. Det kan även användas text, färger och symboler för att tydliggöra milstolpar med mera. (Hallin & Karrbom Gustavsson, 2015, s. 81)
För att skapa struktur i projektarbetet har ett GANTT-schema använts. Detta genom att planera aktiviteter som sedan under projektets gång har följts upp med utfall för kunna se över i realtid hur andra moment bör anpassas vid försenat utfall av enskilda moment. Utöver detta har loggbok förts för att kunna se tillbaka på vilka beslut som fattats.
2.4. Förstudie
Nedan följer metodbeskrivning av förstudiens olika moment i projektarbetet.
2.4.1. Litteraturstudie
En litteraturstudie innefattar insamling av sekundärdata från olika sorters litteratur som tagits fram i ett annat syfte än den aktuella studien (Björklund & Paulsson, 2012, s. 69). Med sekundärdata kan insikter skapas i det sammanhang som ska skapas förståelse för (IDEO, 2015). Litteraturstudien utfördes för att få ett teoretiskt underlag till projektarbetet. Data från faktaböcker angående grundläggande ellära med information om bland annat kopplingsschema och schematiskt diagram samlades in i databasen Primo via Mälardalens Högskola, och genom sökningar på sökmotorn Google. Sökord för detta var ”Electricity basics”. Dessutom samlades det in information om kontaktorer och EV-charging. För att hitta vetenskapliga artiklar och konferensrapporter med denna information så har ett flertal sökord i Primo använts. Detta med filtrering på expertgranskning och publiceringstidsram mellan år 2010-2020 för att säkerställa trovärdig och aktuell fakta. Sökorden för detta var” DC Contactor”, ”EV charging + DC Contactor”, ”Electrical Contactor”. Detta baserat på projektarbetets område och att dessa visade sig ge relevant information.
2.4.2. Produktstudie
Genomgång av befintlig produkt
För att skapa en förståelse för befintlig produkt beskrevs den av handledare på företag. Detta teoretiskt med hjälp av PowerPoint-presentationer samt praktiskt genom att ta isär och sätta ihop produkten. Det här genomfördes även för att skapa en förståelse för vad den befintliga produkten kan bidra med i det koncept som skulle tas fram i projektarbetet. Genomgången skedde under ett flertal tillfällen för att repetera förståelse.
Observation
Under observation kan fokus läggas på behov istället för lösningar, genom att få en tydligare förståelse för människors beteende i den miljön de befinner sig i. Syftet med detta är att med nya ögon dokumentera insikter från arbetsprocessen och upplevelsen med mera. Det som bör observeras är människor, produkter, interaktioner, arbetsmiljö och aktiviteter. För att utföra observationen bör observatörer sätta sig in i situationen samtidigt som de bör undvika att påverka människornas beteende och arbetsprocess. Utöver det bör arbetsprocessen kartläggas för att få en fullständig bild av situationen, metod för dokumentation måste även bestämmas och vara anpassat efter studien. Ett verktyg för observation är ”PPIEA Worksheet”, där PPIEA står för: people, products, interaction, environment & activities. Verktyget används för att svara på två
frågor (om hur och varför) på varje observerat område, samt bedömning av användarupplevelsen för varje område. (Larsson, et al., 2015)
I detta projektarbete har huvudmoment hos befintlig produkts tillverkningsprocess kartlagts och allmänna noteringar har förts under observation. Dessutom användes en anpassad och svensköversatt version av verktyget PPIEA Worksheet, där dokumentering skedde löpande under observationen. Denna observation utfördes på en produktionslina där befintlig kontaktor tillverkas. Syftet med observationen var att skapa en tydligare bild på hur tillverkningen går till som stöd för DFM och DFA i utvecklingen av nya lösningen. Se bilaga B för arbetsbladet av observationen.
Konkurrensanalys
Att samla in information om konkurrenter, kallat benchmarking på engelska, är gynnsamt såvida inte produkten som utvecklas kommer ha monopol på marknaden. För kommersiell framgång är det viktigt att kunna positionera den produkt som utvecklas på marknaden i förhållande till motsvarande egentillverkade eller konkurrerande produkter. För att utföra denna analys av konkurrerande produkter kan olika verktyg användas. Exempelvis kan en benchmarkingtabell användas för att samla egenskapers värden hos produkter som grundar sig på bland annat inköp, demontering och testning av konkurrerande produkter. (Ulrich & Eppinger, 2014, s. 146) Projektarbetet har endast genomfört en enkel konkurrensanalys då det bedömts att behovet för en mer omfattande analys inte varit aktuellt utifrån att en kravspecifikation redan var given med tydliga riktlinjer för den framtida produkten. En mer omfattande analys skulle ha kunnat bidra med inköp av konkurrerande produkter vilket kan vara värdefullt för inspiration, men det var utanför projektarbetes kostnads- samt tidsram. För att hitta inspiration har det dock sökts efter information om konkurrenter och potentiellt motsvarande produkter på konkurrenters hemsidor.
Kravspecifikation
Med en specifikation eller ett krav hos en produkt menas det vad en produkt ska uppfylla och göra genom en mätbar egenskap med tillhörande värde. Med en lista kan flera individuella specifikationer samlas. Detta görs idealt tidigt i produktutvecklingsprocessen, men det kan behöva göras igen för att till sist få slutgiltiga specifikationer. För att samla in specifikationer kan bland annat benchmarking användas som verktyg. (Ulrich & Eppinger, 2014, ss. 138-141) I detta projektarbete blev en omfattande kravspecifikation för den nya produkten tillhandahållen av uppdragsgivaren. På grund av detta har ingen kravspecifikation tagits fram av projektarbetarna.
Funktionsanalys
Inom Design Thinking kan ”Why-How Laddering” användas för att ta reda på hur huvudbehov kan delas upp i flera andra behov, i form av en stege baserat på frågorna ”Varför?” och ”Hur?” (Dschool Stanford, 2020). På ett motsvarande sätt kan en produkts funktioner genom en funktionsanalys samlas i ett funktionsträd. Beroende på om funktionsträdets läses av uppåt eller nedåt ges det svar på frågorna ”Varför?” och ”Hur?” baserat på funktionerna (se figur 6). Med funktioner menas produktens krav eller egenskaper. Dessa kan delas in som en huvudfunktion med flertalet delfunktioner och stödfunktioner. Huvudsyftet med produkten motsvarar huvudfunktionen och delfunktioner samverkar för att uppfylla huvudfunktionen. Stödfunktioner är dock inte nödvändiga för huvudsyftet men erbjuder andra funktioner hos produkten. (Österlin, 2016, ss. 50-51)
Figur 6, Funktionsanalys (Österlin, 2016 s.51)
Utifrån tidigare framtagna funktionsmodeller för befintlig DC-kontaktor framställd av uppdragsgivare, så togs en funktionsanalys fram i form av ett förenklat funktionsträd. Metoden valdes för att kunna uttrycka sig i funktioner hos befintlig DC+kontaktor istället för behov som i: ”Why-How Laddering”. Metoden användes för att illustrera en överskådlig bild av hur olika funktioner relaterar till varandra för att senare få förståelse för hur det nya konceptet bör fungera.
2.4.3. Genomgång av ellära & CREO
För att stödja förståelsen av användningsområde och funktionalitet hos projektarbetets produkt studerades grundläggande ellära i litteratur men också genom presentation av handledare vid företag i samband med produktstudie. Läs teori om ellära i avsnitt 3.1. Ellära.
Mjukvaran CREO Parametric eller förkortat CREO är utvecklat av PTC och erbjuder olika produktutvecklingsmöjligheter inom 3D CAD (PTC, 2020). En genomgång av programmet CREO behövdes för att kunna behärska programmet vilket projektarbetarna inte använt tidigare. Genomgången utfördes av kollegor vid företag och genom att titta på videor online (Youtube.com). CREO nyttjades för att ta fram 3D CAD-modeller under konceptfasen.
2.5. Idéfas
I detta delavsnitt beskrivs metodval för idégenerering och idéval.
2.5.1. Idégenerering
För att ta fram flertalet idéer kan brainstorming användas som metod. Syftet med brainstorming är att tillgå ett kollektivt tänkande istället för att generera idéer på egen hand. Detta genom att engagera deltagare, lyssna till och bygga på andras idéer (Dschool Stanford, 2020). Deltagarna bör vara positiva och optimistiska där öppen kreativitet premieras framför genomförbarhet (IDEO, 2015). Andra regler och tankesätt att följa är att sikta på kvantitet, bygga vidare på andras idéer, vara visuell, hålla fokus och inte döma eller hindra andras idéer. Processen för brainstorming kan genomföras med ett högt engagemang under ett kortare tidsspann på
exempelvis 15 eller 30 minuter. Med en ”Hur kan vi?”-fråga som utgångspunkt för fokus under brainstorming kan individer skriva eller rita ner idéer som sedan verbalt kan presenteras för övriga deltagare. (Dschool Stanford, 2020)
I detta projektarbete har brainstorming använts för att ta fram idéer till lösningar på ett område. Området som valts att fokuseras på efter diskussion med handledare vid företaget var konstruktion och placering av släckpaket. Mer om vad ett släckpaket innebär beskrivs i avsnitt
3.2. Kontaktorer. Anledningen till att fokusera på detta område var att det ansågs mest kritiskt
för att ta fram en fungerande lösning. Med ungefär 20 min per fråga fördes idéer ner i text eller skiss. Frågor formulerades för att gå från ett öppet tankesätt till ett mer rationellt tankesätt för området. Detta för att kunna tänka fritt och sedan mer avgränsat i relation till projektmål. Frågor som användes under brainstorming för idégenerering var:
1. Hur kan släckpaket konstrueras och placeras utan något som begränsar utformningen? 2. Hur kan släckpaket konstrueras och placeras med hänsyn till de begränsningar som finns
hos befintlig produkt?
En CAD-modell av befintlig produkt har använts som hjälpmedel för att tydliggöra tankegångar och idéer. Utifrån detta har sedan idéval kunnat genomföras.
2.5.2. Idéval
Med metoden Selection av Standford D.school kan och rekommenderas att ett flertal idéer väljs för vidareutveckling. Tre alternativa sätt för att utföra metoden Selection och därmed genomföra idévalet är: ”Post-it voting”, ”Four categories method” och ”Bingo selection method”. För att med ”Post-it voting” göra valet oberoende av varandras åsikter har varje deltagare tre röster att markera ut på tre olika idéer. Med ”Four categories method” väljs en eller två idéer ur följande fyra kategorier av idéer: ”the rational choice”, ”the most likely to delight”, ”the darling”, och ”the long shot”. I användning av ”Bingo selection method” väljs idéer också ur kategorier men baserat hur de inspirerar en att gå vidare med idéen i olika typer av formfaktorer. (Dschool Stanford, 2020)
Idéer har i projektarbetet valts ut genom ”Post-it voting”, då den metoden gör valen oberoende av varandras åsikter med ett fåtal idéer att rösta på. Innan dess sållades idéer ner till de mer genomförbara och rationella i relation till kravspecifikation.
2.6. Konceptfas
Nedan redogörs konceptfasens olika metoder.
2.6.1. Utveckling & bedömning av koncept
För att ta vidare tidigare valda idéer till ett konceptstadie användes CREO för CAD-modellerande, där koncept för produkten utvecklades. Utvecklandet av koncept gjordes iterativt tillsammans med konceptbedömning.
DFM & DFA
Design For Manufacture (DFM) kan definieras som att utformningen av komponenter bestäms för att tillverkningen ska kunna bli effektiv och hög-kvalitativ. Huvudsaken med DFM är att se till att det som ska tillverkas är passande för tillämpad tillverkningsprocess. (Ullman, 2010, s.
328) Design For Assembly (DFA) handlar om att ha sammanställningen av olika komponenter i åtanke vid design av en produkt för att göra det så enkelt som möjligt att få ihop produkten på kort tid (Ullman, 2010, s. 329).
DFM och DFA har använts som tankesätt under projektarbetets process och speciellt vid bedömning i samband med konceptutveckling. Detta för att tillgodose att konceptet erbjuder en lösning lämplig att tillverka och montera.
FMEA
Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) syftar till att identifiera var behov för redundans finns samt diagnostisering av misslyckanden efter att de inträffat. FMEA kan användas som en tabell med fem steg. Första steget är identifiering av funktioner som påverkas och steg 2 är att identifiera hur misslyckandet uppstår. Därefter i steg 3 identifieras effekten som misslyckanden har,sedan i steg 4 identifieras orsaker bakom misslyckandena. Slutligen i sista steget
identifieras korrigerande åtgärder. (Ullman, 2010, ss. 350-352)
Med FMEA som metod har bedömning gjorts enligt de fem stegen för att kunna redogöra potentiella risker och åtgärdsmöjligheter till det koncept som valts som slutgiltigt koncept.
2.6.2. Konceptval
Efter en iterativ process av utveckling och bedömning av koncept har fullständig lösning valts som en konsekvens av att konceptutvecklandet var färdigt. Ingen annan specifik metod har använts för att genomföra konceptvalet eftersom efter idévalet hade det redan definierats ett utvalt tillvägagångssätt (läs mer om detta i 4.4. Konceptfas). Denna lösning färdigställdes i CAD som slutkoncept av produkten.
2.7. Slutfas
Detta delavsnitt beskriver metoderna för slutfasens två moment.
2.7.1. Kostnadsbedömning
I samråd med handledare och baserat på given kravspecifikation har en kostnadsbedömning gjorts på slutkonceptet. Detta för att ge en enkel inledande analys av förväntade material- samt montagekostnader och kunna avgöra kostnadseffektivitet.
2.7.2. Resultatsammanställning
Som ett slut av projektarbetets genomförande har resultatet sammanställts för att kunna presenteras i denna rapport. I samband med det har resultatet bedömts. Under sammanställningen så samlades det även in renderade bilder av resultatets CAD-modell.
2.8. Reliabilitet och validitet
Reliabilitet kan innebära hur pass väl något mätbart ger samma svar hur än och när än det utförs. Alternativt kan det beskrivas som hur pass oberoende ett svar är från andra oavsiktliga omständigheter i forskning. Validitet kan innebära i vilken utsträckning ett svar är rättmätigt eller hur pass svaret är tolkat korrekt. (Jerome Kirk, 1986, ss. 19-20)
Det här projektarbetet har stött på olika former av hinder som har gjort att det varit svårare att uppnå reliabilitet och validitet under processen. Genom att reliabiliteten i projektarbetet har varit svårare att uppnå så kan det antas vara svårt att göra en motsvarande process och åstadkomma
samma resultat. På grund av det kan validiteten antas brista också genom att det blir svårare att avgöra trovärdighet i resultatet. Den stora svårigheten under arbetet har varit att inte avslöja företagshemlig- och konfidentiell information. På grund av detta har projektarbetets avsnitt 4.
Genomförande och 5. Resultat inte kunnat redovisas på ett fullständigt sätt. Däremot för att
förhålla sig till reliabilitet och validitet, trots hinder, så har projektarbetet förhållit sig till standarder, certifierings krav, och andra typer av krav inom projektområdets produktmarknad.
3. TEORETISK REFERENSRAM
Här presenteras teori som ligger till grund för det här projektarbetet. Det består till stor del av teori från vetenskapliga artiklar och böcker som varit relevanta under projektarbetet.
3.1. Ellära
Det finns två olika typer av elektrisk ström, de kallas växelström (förkortat AC från engelskans Alternating Current) och likström (förkortat DC från engelskans Direct Current) (Gibilisco, 2001, s. 34). AC går i cykler likt en sinuskurva (Gibilisco, 2001, ss. 34-35), den återupprepas med frekvensen 50 Hz) i Sverige (SEK Svensk Elstandard, 2011), till skillnad från DC som inte oscillerar och därmed aldrig går igenom en nollpunkt (Gibilisco, 2001, ss. 34-35). För att mäta elektrisk ström används standardenheten ampere med förkortning A (Gibilisco, 2001, s. 15). En annan standardenhet är volt (förkortat V) som används för elektrisk spänning (Gibilisco, 2001, s. 23). Ström och spänning används ofta i relation till varandra, exempelvis så gäller det att mängden ström som går igenom en elektrisk krets beror på bland annat spänningen (Gibilisco, 2001, s. 26).
Användningsområden för AC brukar vara distribution av elektricitet och är därmed den typ av ström som finns att tillgå i vägguttag med mera. Dessutom har AC fördelen att kunna konvertera till andra spänningar med hjälp av transformatorer vilket inte fungerar med DC. DC har många användningsområden, allt från batterier till elektronikutrustning. Produkter så som mobiltelefoner, datorer med mera använder alla likström. (Electronics Notes, 2020)
Ett elektriskt kopplingsschema är ett visuellt språk som används för att beskriva ett system av komponenter för att kunna på ett enkelt sätt förmedla kunskaper om hur olika komponenter är sammankopplade (Gibilisco, 2013, ss. 2, 4, 8). Symboler används för att representera olika komponenter, exempelvis en elektrisk ledare illustreras som en rak linje (Gibilisco, 2001, s. 65). En annan variant på schema är ett schematiskt diagram. Det innefattar en karta över varje komponent som en krets innehåller och hur de kopplas samman, med vardera individuell komponent representerade med egen symbol. (Gibilisco, 2013, ss. 1, 2). Ett sådant diagram som illustrerar ett DC-laddningssystem visas i avsnitt 3.4. EV-charging, figur 10.
3.2. Kontaktorer
En kontaktor är en produkt som används i en elektrisk krets för att sluta, leda och bryta strömmen (c3controls.com, 2018), (electgo.com, 2019). Produkten fungerar likt ett relä men klarar av att hantera en högre strömstyrka (Saravanan, 2016). Det finns kontaktorer för både AC- och DC- ström, dessa har olika användningsområden (Fang, et al., 2020). DC-kontaktorer används främst inom nyutvecklade områden så som datacenter/UPS, elektriska fordon och solinverterare (Johansson, et al., 2018). AC-kontaktorer används vid bland annat svagt induktiva laster och direktstart av elmotorer (Karlén, 2020).
En kontaktor består av många olika komponenter, alla har sin funktion (Karlén, 2020). Det finns dock några komponenter som är kritiska för dess funktion, dessa är spolen, magneten, kontakterna och inkapslingen. De komponenterna kan ses i figur 7, med spole och magnet centrerat nedtill och röda kontakter ovan med en omslutande inkapsling. Spolen och magneten är det som huvudsakligen ser till att kontakterna kan slå till och leda ström. (c3controls.com, 2018) En elektromagnetisk kontaktor kan definieras som en kontaktor där kraften som krävs för att öppna och stänga huvudkontakterna tillhandahålls av en elektromagnet (IEC, 2012). En kontaktor är vanligtvis i öppet läge, vilket innebär att det inte går någon ström igenom den (c3controls.com, 2018), (electgo.com, 2019), för att den ska leda ström så behöver en signalström gå igenom en spole som då drar ihop en magnet (Karlén, 2020). Det är även viktigt att använda rätt typ av kontakt för de olika funktioner de ska uppfylla i kontaktorn. Slutligen är inkapslingen en väsentlig del som säkerställer att komponenterna skyddas men också att ingen person kan komma i kontakt med de farliga komponenterna. (c3controls.com, 2018)
Figur 7, Illustration av en kontaktor i slutet läge där den leder ström (GalcoTV, 2013)
När en kontaktor slår från så produceras en ljusbåge vilket är oundvikligt (Cao, et al., 2017). En elektrisk ljusbåge består av en elektrisk urladdning i gasform (Andersson, 2002). Den överförs i luften mellan två kontakter, vilket skapar ett väldigt starkt ljus samtidigt som det kan bli flera tusen grader varmt (i Celsius) (SSG, 2019). Ljusbågen är skadlig för kontakterna och kontaktorn i sin helhet (Cao, et al., 2017). Det är därför viktigt att släcka den väldigt snabbt (Yoshida, et al., 2017), i värsta fall kan en ljusbåge orsaka en brand (Wypych, 2017).
En svårighet när det kommer till utvecklingen av DC-kontaktorer jämfört med AC-kontaktorer är, på grund av att DC-ström aldrig går igenom en noll punkt. Detta gör AC-ström, vilket utnyttjas för att enklare kunna bryta strömmen i AC-kontaktorer. Däremot finns ett koncept
beskrivet av Johansson, et al., (2018) som möjliggör brytning av DC-ström genom ett dubbelkontaktsystem. Det fungerar med en snabb rörlig kontakt som går igenom ett släckpaket vilket innehåller ett flertal plattor, medan huvudkontakten öppnas långsammare. När den rörliga kontakten går igenom släckpaketet bildas ljusbåge som bygger upp en ljusbågspänning högre än systemspänning vilket leder till att kretsen bryts. (Johansson, et al., 2018)
3.3. Befintlig produkt
I figur 8 syns en CAD-modell av befintlig 2-polig DC-kontaktor. Det är en elektromagnetisk kontaktor som huvudsakligen är uppbyggd i bottendel, mellandel och toppdel. Kontaktorn innehåller olika typer av kontakter som ämnar till att leda och bryta ström med hjälp av övrig utrustning som exempelvis släckpaket, fjädrar, huvudkontaktssystem och kontaktbrygga. En typ av kontakt kallas kontaktskena, som kan ses i figur 8 vilka är de röda delarna med hål i. Dessa används för anslutning av kontaktorn till applikationen. På dessa finns kontaktbläck inuti kontaktorn som leder ström vidare till andra kontakter. Vid tillslag och frånslag så används huvudkontaktssystem med en kontaktbrygga på för att bryta och leda strömmen. På sidorna av kontaktorn sitter det hjälpkontaktblock som används för att signalera kontaktorns läge till andra kontaktorer eller annan utrustning i applikationen. För att manövrera kontaktorn används en elektrisk signal som ansluts till kretskortet på toppen av produkten. Se figur 9 för befintlig produkts verkliga utseende i form av en produktbild.
Data om befintlig produkt:
• Klassad för spänning på 1500 V
• Har en ledningsförmåga på maximalt 1500A • Mått:
o Bredd mätt längs med sidorna där hjälpkontaktblocken sticker ut: 253 mm (Bredd utan fötter: 213 mm)
o Höjd mätt från botten till toppen: 300 mm
o Längd mätt från kontaktskena till kontaktskena: 355 mm (Längd mätt utan kontaktskenorna: 189 mm)
3.4. EV-charging
Implementeringen av elfordon världen över ger stora utmaningar på elnätet (Jinil, et al., 2017). Dock har elfordon förmågan att förändra industrin och våra vanor till det bättre genom att färre fossila bränslen används. Det innebär att våra utsläpp kopplade till transport kan minskas drastiskt (Will & Schuller, 2016). De oroligheter som finns kring fossila bränslen och klimatförändringar bidrar även till att elfordonsbranschen växer (Peiwen & Alireza, 2017). Dessa elfordon behöver laddas och detta behöver då göras med el från förnybara energikällor för att dra nytta av dess fulla potential (Will & Schuller, 2016). Framåtväxandet kan exempelvis ses i att Göteborgs Stad tillsammans med ABB planerar att sätta 157 elbussar i drift under 2020, dessa ska trafikera Göteborg, Mölndal och Partille. Laddningen planeras att göras på hållplatserna längs rutterna som bussarna färdas på. Bussarna kommer att vara fulladdade på 3–6 min med en effekt på 450kW. (ABB media relations, 2020) Se figur 10 för illustration framtagen av ABB för elfordonsladdning av bil och buss. Elnäten behöver vara förberedda för en större belastning i samband med ökad implementering av elfordon, detta kan göras genom att kontrollera hur laddningen går till (Jinil, et al., 2017).
Figur 10, Illustration över laddning av bil och buss (ABB, 2017)
Figur 11 är ett schematiskt diagram för ett DC-laddningssystem vid laddning av elfordon. Figurens system kan beskrivas överskådligt genom att det har tre huvudsakliga delar: DC-laddare, fordonskoppling, elfordon.
Från DC-laddare till fordonskoppling tillförs ström till elfordonets batteri. (IEC, 2014) I laddningssystemet används kontaktorer huvudsakligen för att sluta, leda och bryta strömkretsen. I ett laddningssystem tillgodoser kontaktorer även isolation när stationen inte används. Isolationsprovning sker före laddning för att säkerställa att inte fel delar spänningsätts och på så vis säkerställer det att varken fordon, mark, och användare strömsätts. För att möjliggöra detta behövs två enskilt styrda 1-poliga DC-kontaktorer. Vid användning av DC-kontaktorer med fler än 1 pol så kan inte varje pol manövreras enskilt. Polerna behöver manövreras var för sig för att det ska vara möjligt att genomföra isolationstest i laddningssystemet. Vid eventuella nödsituationer under pågående laddning ska kontaktorn kunna bryta den maximala strömmen. (Karlén, 2020)
4. GENOMFÖRANDE
Det här avsnittet tar upp projektarbetets fem sekventiella fasers genomförande. Detta avsnitt beskriver inte alla moment fullständigt, som förklarat tidigare i avsnitt 2.8. Reliabilitet och
validitet.
4.1. Planering
Projektarbetes planering i GANTT-schema har kunnat följas till stor grad. Alla moment har kunnat genomföras men i vissa fall något tidigare än planerat och i andra fall har förseningar förekommit.
4.2. Förstudie
Här beskrivs förstudiens utförda moment som har ansetts vara relevanta att presenteras i detta avsnitt.
4.2.1. Observation
Tillverkningsprocessen för befintlig produkt observerades till fem huvudsakliga steg som följer en tydlig produktionslina (se figur 12). I det första steget sker montering av produkt i fixturer av montörer som sedan i steg 2 placeras in i en robotcell som testar ledningsförmåga. Därefter märks produkten med etiketter i steg 3 och i steg 4 förs den in i ett labb där personal testar och säkerställer produktens hållfasthetsförmåga. I det slutliga steget paketeras produkten.
Figur 12, Tillverkningsprocess av befintlig produkt
Observationen utfördes genom att observera utifrån olika frågor enligt den valda metoden PPIEA Worksheet (Larsson, et al., 2015):
1. Hur ser arbetsmiljön ut?
2. Hur ser aktiviteterna/processerna ut?
3. Hur interagerar personalen med varandra och utrustningen? 4. Vilka och hur används de produkter/hjälpmedel som finns? 5. Vad har personalen för roll under tillverkningen?
Svar till dessa frågor antecknades ner under tiden som observationen pågick. Anteckningarna sammanställdes sedan i ett arbetsblad och omdömen på hur de olika områdena uppfattades markerades med en grön cirkel. Se bilaga B för observationens arbetsblad. Utifrån observation av tillverkningsprocessen samt arbetsbladet för observation kunde det konstateras att den nuvarande situationen fungerar väl för användarna, i detta fall montörer och annan personal. Därmed uppfattades det inte som att det fanns något behov av förändring i tillverkningen men däremot fastställdes att tillverkningssättet som finns idag är effektivt. Utifrån det ansågs det att konceptet för en ny produkt bör med fördel utvecklas så att tillverkningsprocessen kan ske på ett sätt som liknar processen för den befintliga produkten. Med detta i åtanke kunde DFM och DFA sedan användas i konceptsfasen genom att försöka möjliggöra en effektiv
4.2.2. Konkurrensanalys
Med projektarbetets enklare variant av en konkurrensanalys kunde konkurrenter som tillverkar kontaktorer hittas. Dessa var företag från tre världsdelar; Eaton, Schneider Electric, Siemens, Mitsubishi Electric, Fuji Electric, och Rockwell. Gällande att hitta information om
konkurrerande och motsvarande produkter till eftersträvad 1-polig DC-kontaktor så har det i projektarbetet inte kunnat hittas relevant information, ritningar eller CAD-modeller med mera. Det hittades information om andra varianter av kontaktorer som finns på marknaden men dessa bedömdes inte vara relevanta som inspiration för projektarbetets utveckling av 1-polig DC-kontaktor.
4.2.3. Kravspecifikation
Kravspecifikationen som var given av uppdragsgivaren innehöll flera områden som var och ett innefattar olika krav (se tabell 1). Områdena är bland annat generella krav, prestandakrav, produktionskrav och finansiella krav. I projektarbetet har ett antal standarder samt krav för certifikat följts enligt kravspecifikation. Dessa omfattar marknadskrav i olika länder för kontaktorer och EV-charging. Utöver detta har även flertal krav inom miljö, hälsa, och säkerhet följts. Övriga krav är upprättade av ABB och utifrån kundmarknad. Huvudsakligen har dock kravspecifikation använts i projektarbetet för att upprätta projektmålen men också andra direktiv i konstruktionsarbetet, exempelvis har rekommenderade mått på kontaktskena tillgängliggjorts i kravspecifikationen. Då projektarbetet avsett en utveckling av ett teoretiskt fungerande koncept har inte alla krav kontrollerats då det ligger utanför projektarbetes ramar. För fullständig kravspecifikation se bilaga A.
Tabell 1, Beskrivning av kravområden i kravspecifikation
Kravområde Beskrivning
Generellt Standarder och certifikat, med mera
Konceptuellt Produktfamilj med mera
Prestanda Elektrisk och materiell prestanda med mera
Funktion Beteende vid spänningsvariationer, med
mera
Marknadsföring Produktinformation tillgängliggjord på
internet, med mera
Produktion Tillverkningsanpassad produkt, med mera.
Underhåll av produkt Produktlivslängd med mera
Materialtillförsel Lättillgängligt material, med mera.
4.2.4. Funktionsanalys
Funktionsträdet nedan (se figur 13) består av en övergripande huvudfunktion med tillhörande delfunktioner samt stödfunktioner. Pilar i blått innebär delfunktionsrelationer och streckade pilar i rött innebär stödfunktionsrelationer. I huvudsak är produktens funktion att slå till och bryta strömmen. Det görs med hjälp av olika komponenter, där huvudkontaktssystemet både slår till kontakter som leder ström men också bryter strömmen via ljusbågssystemet. Exempel på andra funktioner som sker i kontaktorn är isolering av spänningen och förmedling av det läge kontaktorn befinner sig i till hjälpkontakterna.
Figur 13, Funktionsanalys av befintlig kontaktor
4.3. Idéfas
Nedan presenteras projektarbetets idégenerering och idéval.
4.3.1. Idégenerering
Idégenerering redogörs nedan med fokus på området släckpaket, med avseende på konstruktion och sedan placering. Dessa idéer skapades med hjälp av skisser för att inom projektarbetet kunna illustrera idéer på ett enkelt sätt utan att lägga onödig tid på sådant som gör processen och idéflödet långsammare. På grund av sekretesskäl har samtliga skisser och figurer på idéer samt
beskrivningar av enskilda idéer gällande placering av släckpaket inte kunnat presenterats i denna rapport.
Ett flertal idéer för släckpaket togs fram främst med hänsyn till ny typ av konstruktion. Idéer fanns för att minska totala antalet släckpaket för att kunna minska den totala storleken på kontaktorn och minska antalet komponenter. Detta genom att bland annat göra släckpaket som befintliga fast högre, ett annat alternativ var att göra dem högre med lutning för att kunna utnyttja ledigt utrymme i olika riktningar av kontaktorn. Andra idéer för att minska totala antalet släckpaket var att stapla plattor i släckpaketen på olika sätt. En idé var att placera plattor i två staplar vilket gör släckpaketen bredare. Genom detta kan ljusbågen gå från vänster till höger och tillbaka i en uppåtriktning. En av de mer utsvävande idéerna var att placera släckplåtarna i en spiral likt en fjäder som skulle möjliggöra att ljusbågen skulle starta i plåten längst när för att sedan vandra i spiralen uppåt för att släckas.
Gällande placering av släckpaket som idégrupp skissades det fram olika varianter, vissa med hänsyn till begränsningar hos befintlig produkt och andra mindre. Det var främst fokus på olika släckpakets placeringar i relation till kontaktbrygga. Flertalet idéer handlade om att få kontaktorn mindre i jämförelse med befintlig produkt. Detta genom effektiviserade placeringar av släckpaket på ett antal olika sätt. Andra idéer var mer fokuserade på att se nya möjligheter kring placering av släckpaket med större krav på förändring av kringliggande komponenter.
4.3.2. Idéval
Efter idégenereringen återstod valet av de idéer som bedöms vara de mest passande för projektarbetes problem. Det fanns fördelar men också brister bland en del av idéerna. Brister sågs mest i genomförbarhet gällande idéer för nya utformningar av släckpaket. Exempelvis ansågs en högre lutande lösning för släckpaket inte vara särskilt anpassad för hantering av ljusbåge tillsammans med befintligt huvudkontaktssystem. Att placera ut plattor i spiralform ansågs orsaka allt för stora förändringar av komponenter och försvårar återanvändning av befintlig produkts komponenter. Fördelar kunde dock ses i en del av idéerna som avsåg att behålla befintlig konstruktion av släckpaket men med förändrad placering i kontaktorn. De idéer som förhöll sig till de begränsningar som finns hos befintlig produkts konstruktion ansågs vara realiserbara medan de idéer som satte större krav på förändring av kringliggande komponenter ansågs ha brister i genomförbarhet likt idéer för ny utformning av släckpaket. Utifrån detta kunde totala antalet idéer sållas ner till sex olika idéer som ansågs vara mest genomförbara efter diskussion projektarbetarna emellan med kravspecifikationen i åtanke. Samtliga var idéer med fokus på placering av släckpaket och en del var sammanslagningar av olika tankegångar. Projektarbetarna fick rösta på tre idéer per person i enlighet med den valda metoden ”Post-it voting”. Röstning gav ett enat resultat där tre av idéerna fick en röst per person och därmed valdes dessa tre idéer att tas vidare till konceptfas.
4.4. Konceptfas
I konceptfasen valdes det att slå ihop de tre valda idéerna till ett och samma tankesätt att arbeta vidare på. Dock valdes till stor del en av idéerna att utgå ifrån, vilket ledde till att ett beslut togs om att enbart realisera ett koncept. Utifrån detta skedde val av slutgiltigt koncept efter den iterativa processen av utveckling och bedömning av konceptet. Det genom att ta beslut om att avsluta konceptutveckling och färdigställa en fullständig CAD-modell. Processen kom att bestå av att bygga upp konceptet i CAD i ett antal steg. Ett flertal lösningar på delproblem krävde olika typer av testande. Det innefattade bland annat test av mekanisk funktion hos en del komponenter med ny konstruktion. Detta för att säkerställa att den mekaniska funktionen återspeglar befintlig
produkt. Det hjälpte arbetet framåt så att nästkommande beslut om fortsatta steg i arbetet kunde göras. Konceptet konstruerades nerifrån och upp, likt hur befintlig produkt tillverkas. Tanken med det var att kunna använda DFM och DFA som tankesätt under arbetets gång genom att göra så att produktens samtliga delar passar ihop och slutligen går att tillverka.
Processen med att ta fram konceptet i CAD började med att konstruera en bottendel. Den gjordes ny från grunden med ett maximalt mått på 150mm på bredden, på grund av ett av projektmålen. Måttet för längden valdes till 200 mm för att kunna spara längd åt kontaktskenor med avseende på målvärdet 340 mm. Det visade sig dock vara svårare att få till rätt mått på infästningar, vilket ledde till att befintlig produkts bottendel användes istället och modifierades till 150 mm i bredd, på så sätt följde vissa infästningar med och behövde inte göras om. Detta tillvägagångssätt med att göra modifikationer på befintlig produkts komponenter valdes att implementeras vidare i resterande moment under processen. En annan fördel med att göra på det här sättet ansågs vara att det underlättade att återanvända komponenter från befintlig produkt baserat på ett av projektmålen. Ett av de andra projektmålen var att konstruera konceptet utifrån DFM och DFA, men i enlighet med uppdragsgivaren bestämdes det att prioritera att ta fram ett koncept med fokus på att det ska vara teoretiskt fungerande. Det bestämdes alltså att mindre fokus skulle läggas på att göra konceptet helt redo för produktion, däremot har DFM och DFA fortfarande använts under processen.
Spole med magnet och hållare från befintlig produkt har vridits 90 grader för att passa bredden på 150 mm. Ett förslag på konstruktion för kontaktskenor presenterades i kravspecifikationen. Konstruktionen behövde dock förändras. Uppdragsgivarens förslag för dessa innebar användning av tre stycken kontaktbläck (se de sex svarta kvadraterna i figur 14). På grund av att kontaktskenan behövde placeras centrerat i kontaktorn togs beslutet att ta bort det mittersta kontaktbläcket och skapa en urgröpning i kontaktskenan. Det gjordes för att få plats med huvudkontaktssystem och placerades centrerat för att få jämvikt och symmetri i produkten (se figur 15). Detta innebar att varje kontaktskena endast kunde ha två kontaktbläck, likt befintlig produkts kontaktskenor. För att säkerställa att ledningsförmågan fortfarande kan uppnå 3000 A behövde förändringen diskuteras med uppdragsgivaren. Det konstaterades i samråd att ledningsförmågan fortfarande kunde uppnås med totalt fyra kontaktbläck tillsammans med urgröpningen. Se figur 16 för slutgiltig version av kontaktskena.
För att sedan kunna bygga en mellandel som upprätthåller komponenter som släckpaket, huvudkontaktssystem, kontaktbrygga med mera så behövde komponenters utformning studeras. Detta för att kunna se till att komponenter placeras så platseffektivt som möjligt utan att förhindra
Figur 16, Slutgiltig version av kontaktskena
Figur 14, Ursprunglig bottendel med
mekaniska funktioner eller inverka på stabilitet och hållbarhet. Efter att detta klargjorts har en mellandel kunnat skapas som gjordes i ett och samma stycke.
Projektarbetet har tagit fram en lösning för placering av släckpaket baserat på valda idéer från idévalet. Med denna lösning kan stora delar av befintligt huvudkontaktssystem och befintlig kontaktbrygga användas tillsammans med släckpaket. Detta medför utifrån samråd med uppdragsgivare att samma brytförmåga som hos befintlig produkt kan bibehållas. Mer detaljerad beskrivning av lösningen och hur det påverkar konstruktion i sin helhet redogörs ej i denna rapport på grund av sekretesskäl gällande pågående patentansökan.
För att kunna omsluta komponenter som släckpaket, huvudkontaktssystem, kontaktbrygga med mera konstruerades ett lock (se figur 17). På detta lock placerades även elektronik med kretskort och tillhörande anslutningar. Elektroniken hanterar styrningen av kontaktorn. Det sågs tre möjliga placeringar av elektronik i produkten, nedtill, i mitten och upptill. Anledningen till att det placerades upptill ovan kontaktbrygga var att det var platseffektivt där samt att det skulle möjliggöra enklast kabeldragning och montering.
Figur 17, Lock med elektronik
Efter processen av att ta fram olika komponenter till produkten var klar gjordes ett slutfinisharbete för att färdigställa konceptet. I samband med detta gjordes en riskbedömning av det slutgiltiga konceptet med FMEA (se bilaga C). Den framtagna riskbedömningen gjordes som en inledande studie av risker hos produkten, vilken är tänkt att fortsättas på vid vidareutveckling av produkten.
4.5. Slutfas
I slutfasen togs det fram en resultatsammanställning till denna rapport med renderade bilder (se avsnitt 5. Resultat, figur 18). I samband med det gjordes även en resultatbedömning och kostnadsbedömning. Resultatet har bedömts utifrån samtliga projektmål förutom projektmålet gällande kostnadseffektivisering som istället utfördes i kostnadsbedömningen.
Under slutfasen inledes en mer frekvent kontakt med handledare vid ABB för att tillsammans kunna göra en kostnadsbedömning av konceptet. För att kunna göra kostnadsbedömning baserat på kravspecifikation togs materialåtgången i konceptet fram i en Bill of materials (BOM) från CAD-modell. Sedan gjordes en bedömning av material- samt montagekostnad. Bedömningen
baserades på material- samt montagekostnaden av befintlig produkts komponenter. Materialkostnadens bedömning gjordes genom att jämföra konstruktionen hos konceptets komponenter med befintlig. Vilket innefattade jämförelse av funktion, tillverkningssätt, och skillnader i höjd och bredd på komponenterna. Bedömningen av montagekostanden uppskattades till att bli densamma som hos befintlig produkt. Kostnadsbedömningen gav ett resultat på 9,2 % lägre direktkostnad (material och montage) mot befintlig produkt. Det innebär att det återstår att sänka direktkostnaden med 7,8 procentenheter för att nå målet som var att kostnadseffektivisera med 17 %. Det bedöms dock med stor sannolikhet att projektmålet på 17 % kan nås genom mindre modifieringar av konceptet. Detta kan göras genom att optimera komponenter som blivit överdimensionerade. Exempelvis bör fötternas och kontaktbläckens storlekar minskas. Mer om detta i avsnitt 7.2. Rekommendationer. Se bilaga D för kostnadsbedömningen i sin helhet. Målvärdena för mått på konceptet var 150 mm i bredd, 300 mm i höjd och 340 mm i längd. Måtten på konceptet blev: 220 mm i bredd, 310 mm i höjd och 421 mm i längd. Målvärdena för mått har därmed överskridits men konceptets storlek bedöms kunna minskas. Det blir dock svårt att uppnå samtliga målvärden. Det gäller framförallt bredden av produkten. Bredden har bedömts till att kunna minskas till 170–190 mm genom att konstruera om fötterna vilka har bedömts vara överdimensionerade. Målvärdet för höjden har överskridits med endast 10 mm, att nå målet på 300 mm uppskattas vara möjligt. Det kan göras genom att titta mer i detalj hur mycket plats elektroniken bör uppta och på så sätt förhoppningsvis minska utbuktningen i toppen. Längden överskreds med 80 mm, det har dock bedömts att det tyvärr inte går att nå målvärdet för längden. Det går dock att optimera kontaktskenorna så att målvärdet inte överskrids lika mycket.
Genom bedömning av befintlig produkts konstruktion och i samråd med uppdragsgivare har det uppskattats att konceptet kan leda 3000 A. Detta då uppdragsgivarens kunskaper inom området är goda, vilket tillsammans med återanvändning av befintlig produkts komponenter ökar trovärdigheten av bedömningen. Det ska dock poängteras att det bara är ett teoretiskt koncept som inte har testats praktiskt i verkligheten. Utöver förmågan att leda 3000 A, kan lösningen för placering av släckpaket tillsammans med användning av huvudkontaktssystem och kontaktbrygga göra att brytförmågan hos befintlig produkt kan bibehållas. Alltså kan strömmen på 3000 A brytas vid 1500 V.
Med det framtagna konceptet har 60 % av komponenterna kunnat återanvändas, ytterligare 37 % har förändrats och resterande 3 % är helt nya. Målet för återanvändning av komponenter var en procenthalt på 50 % eller mer. 60 % har ansetts vara ett bra resultat utifrån att det bidrar till kostnadseffektiviseringen eftersom ett mindre antal nya verktyg behöver tas fram.
Konceptet har konstruerats utifrån tankesätten DFM och DFA för att uppnå procenthalt på 100 % motsvarande befintlig produkts monteringsvänlighet och tillverkningsanpassning. För att kunna uppnå detta har konceptet konstruerats på samma sätt som den befintliga produkten ska byggs ihop (nerifrån och upp). I ett tidigt stadie under konceptfasen valdes det dock att prioritera att färdigställa ett teoretiskt fungerande koncept framför ett koncept optimerat för produktion. Det kan konstateras att konceptet uppfyller 100 % i monteringsvänlighet baserat på att konceptet följer samma monteringsordning med enkel placering av komponenter. Det stärks av återanvändningen på 60 % av befintlig produkts komponenter. Vilket möjliggör att monteringsmomenten kan utföras på samma sätt. Dessutom anses de komponenter som fått förändrad konstruktion eller är helt nya vara anpassade för befintlig produkts montering av komponenter. På så vis kan det uppskattas att konceptet är lika effektivt att montera ihop som befintlig produkt. Genom att montera ihop konceptet i verkligheten med hjälp av en prototyp i framtiden, kan det avgöras om en högre procenthalt än 100 % kan uppnås. Procenthalten för
