Sähköauto osana älykästä sähköverkkoa – Ohjaus ja toiminnallisuudet

Tulevaisuudessa sähköverkko kohtaa monia haasteita, kun sähköautot yleistyvät, vaatien suuren tehotarpeen. Uusiutuvan energiantuotannon epävarma huipputehon tuotanto ei välttämättä pysty kattamaan sähköautoista johtuvaa suurta tehopiikkiä, jos suuret määrät ajoneuvoista kytketään yhtä aikaa lataukseen. Jos sähköajoneuvot voidaan ladata ohjatusti, ei välttämättä tarvita lisäenergian tuotantoa kattamaan kasvanutta huipputehon tarvetta. Lisäksi sähköajoneuvojen akut toimivat koko sähköverkolle energiavarastoina, jollaista ei ole ennen ollut. Älykkäällä sähköverkolla voidaan ohjata sähköajoneuvon latausta, mikäli ajoneuvossa on ohjausjärjestelmä ja akkujen varaustilan mittaus. Tässä kandidaatin työssä ohjelmoidaan mittaus- ja ohjauskortti plug-in hybridiautoa varten, jossa on V2G-ominaisuus. Ohjainkortista toteutetaan toimintakuvaus, jonka mukaan se myös ohjelmoidaan. Ohjainkortti mittaa akkujen jännitettä ja virtaa, joista voidaan määrittää akkujen varaustilat. Ohjainkortti lähettää tiedot eteenpäin PC:lle, jolta ohjainkortti saa käskyn toimintatilasta. Mittaustietojen perusteella voidaan seurata mahdollisia vikatilanteita. Kandidaatintyön aikana ohjainkorttia ei ehditty asentamaan ajoneuvoon, mutta laboratoriotestien mukaan voidaan todeta, että ohjainkortti on ohjelmallisesti toimiva. Mittauksissa selvisi, että ohjainkortin mittaustulot eivät olleet tarpeeksi tarkkoja käyttökohteeseen. Todettiin, että ohjainkortti vaatii rakenteellisia muutoksia mittaustuloksien parantamista varten, ennen ohjainkortin käyttöönottoa, mutta kandidaatintyön tavoitteet saavutettiin.

Akku ja vetypolttokenno sähköauton voimanlähteenä

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty akkuja ja vetypolttokennoja sähköauton voimanlähteenä. Työssä on esitelty sähköautojen ja niiden voimanlähteiden teknologioiden periaatteita, energiankantajia, hyötysuhteita ja päästöjä. Lisäksi on tarkasteltu polttomoottorikäyttöisiä autotekniikoita vertailukohdan saamiseksi. Työn lopuksi on analysoitu sähköautojen markkinoita ja niiden yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Sähköautot mahdollistavat vaihtoehtoisten energialähteiden käytön, joka antaa tilaisuuden saasteiden ja päästöjen keskitettyyn vähentämiseen ja talteenottoon. Niiden avulla päästään myös pois öljyriippuvuudesta ja paikallisesti aiheutuneista päästöistä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, kohtuullisien energiatiheyksien ja laajojen infrastruktuurien vuoksi käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Uusien tekniikoiden etuja ja haittoja voidaan tarkastella yksinkertaisilla metodeilla, kuten kustannusten, hyötysuhteiden, päästöjen ja polttoaineiden elinkaarien vertailulla. Vertailua vaikeuttaa tosin hintatasojen ja verotuksen eroavaisuudet eri maissa, ja se on siksi suoritettava osin maakohtaisesti. Suurimpia esteitä uusille tekniikoille ovat tällä hetkellä niiden tuomat lisäkustannukset, infrastruktuurien puuttuminen ja nykyisten polttoaineiden korvaaminen toisella.

Electric propulsion system in a modern sports car

In this thesis an electric propulsion system is designed on a device level using Cadence ORCAD. The vehicle belongs to the Helsinki Metropolia University of Applied Sci-ences and it is to compete in the Automotive X-Prize competition held in the USA. In this thesis the electric propulsion system and related electric safety measures are designed. Also electro-magnetic compatibility and interferences present in the system are examined by examining the birth mechanisms and transmission paths of interference. Per device effects of interference and solutions to minimize them were examined and proposed. Suitability of permanent magnet synchronous machines for passenger vehicle use was examined by examining the torque production capability of the motor and the torque requirements of the vehicle. Also a short overview of history of electric vehicles is given.

Sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutukset

Euroopan unionin energiapolitiikka on luonut paineen parantaa energiatehokkuutta kaikilla energiankäytön aloilla. Merkittävä osa energiasta kulutetaan liikenteessä, joten sähköautojen käyttöönotolla voidaan parantaa energiatehokkuutta merkittävästi. Tämän vuoksi on tarkasteltava sähköautojen laajamittaisen levinneisyyden aiheuttamia vaikutuksia sähköverkolle. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutuksia. Tarkastelu painottuu kotilatauksen tarkasteluun taajamissa ja maaseudulla. Kuormituksen kasvu simuloidaan hyödyntäen sähköauton lataukselle laskettua kuormituskäyrää, jonka laskenta perustuu keskimääräiseen henkilöauton liikkumiseen, joka on saatavilla Suomen henkilöliikennetutkimuksesta. Simuloinnin tulosten perusteella sähköauton pikalatauksen verkkovaikutukset ovat merkittäviä keskijänniteverkossa ja pienjänniteverkossa. Suuremmat vaikutukset kohdistuvat pienjänniteverkkoon.

Marketing Plan of Electric Vehicle Charging Solutions to USA

The purpose of the Thesis was to evaluate the business environment of electrical vehicle charging equipment (EVSE) in USA, find the key issues of entering the US EVSE markets and to form a marketing plan for possible market entry. The external market research analyzed the environment, customers, competitors and demand of EVSEs. In the internal analysis the focus was on resources and capabilities, offering, performance, business relations and US related issues. The research about the business environment was done using already available information from market studies and seminars. In external analysis there were also two semi-structured interviews from market experts used. The internal analysis was done mostly by interviews, but also company’s internal data sources were used. The interviews were semi-constructed and included eight interviewees from each part of EVSE value chain. The research findings were analyzed using SWOT analysis, which was converted to a so called TOWS matrix for extracting strategies. As a result of the Thesis, valuable information about the US markets and their requirements for EVSEs was gained. By matching the strengths of the case company and market requirements, customer segmentation and targeting were done and a marketing plan was constructed for the case company to help their management to evaluate the feasibility of possible market entry and investments to USA.

Sähköajoneuvojen vaikutukset sähköverkkoon

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan sähköajoneuvojen yleistymisen vaikutuksia Suomen sähköverkkoihin. Työssä käsitellään myös sähköajoneuvojen, sekä hybridi- että täyssähköajoneuvon, toimintaperiaate, akkuteknologiaa ja latausvaihtoehtoja, sekä mahdollisia muita vaihtoehtoja nykyiselle polttonesteajoneuvokannalle. Kirjallisuustutkimuksessa käydään läpi myös mahdolliset sähköajoneuvojen yleistymisskenaariot. Tutkimuksessa käydään läpi yleistymisen vaikutukset sähkön siirtoverkkoon, keskijänniteverkkoon, pienjänniteverkkoon sekä sähköntuotantoon.

Julkisten tukitoimien vaikutus sähköautojen yleistymiseen

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin julkisten toimijoiden asettamia sähköautojen yleistymistavoitteita kymmenessä maassa. Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä. Tavoitteena oli selvittää sähköautojen yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Erityisenä kiinnostuksen kohteena olivat julkishallintojen sähköauton hankintaan kohdistamat kannustimet eri maissa ja se, onko kannustimien voimakkuudella havaittavissa olevaa vaikutusta sähköautojen yleistymiseen. Tutkimuksessa luotiin myös katsaus sähköautojen myyntiin ja yleistymisodotuksiin Suomessa ja verrattiin niitä muihin maihin. Tutkimuksessa havaittiin, että kannustimien voimakkuudella ei ole selvää yhteyttä sähköautojen yleistymiseen. On mahdollista, että kannustimet vaikuttavat positiivisesti sähköautojen myyntiin. Vaikuttavia tekijöitä on kuitenkin muitakin, ja niiden vaikutus voi olla suurempi kuin julkisten kannustimien. Suomessa sähköautojen myynti on samassa suuruusluokassa kuin Keski-Euroopassa, mutta merkittävästi jäljessä muita Pohjoismaita. Myös kannustimien voimakkuudella mitattuna Suomi häviää muille Pohjoismaille ja lisäksi useille Euroopan maille. Voimakkaammat tukimuodot voisivat kasvattaa sähköautojen myyntiä Suomessa, mutta julkisen talouden alijäämäisyys ei luultavasti mahdollista nykyistä voimakkaampien tukien käyttöönottoa.

Economical potential of controlling charging of electric vehicles by using price signal

The number of electric vehicles grows continuously and the implementation of charging electric vehicles is an important issue for the future. Increasing amount of electric vehicles can cause problems to distribution grid by increasing peak load. Currently charging of electric vehicles is uncontrolled, but as the amount of electric vehicles grows, smart charg-ing (controlled charging) will be one possible solution to handle this situation. In this thesis smart charging of electric vehicles is examined from electricity retailers` point of view. The purpose is to find out plausible saving potentials of smart charging, when it´s controlled by price signal. Saving potential is calculated by comparing costs of price signal controlled charging and uncontrolled charging.

Kestomagneettiavusteisen synkronireluktanssikoneen soveltuvuus autokäyttöihin

Työn tavoitteena on tehdä kirjallisuuskatsaus kestomagneettiavusteisesta synkronireluktanssikoneesta ja tarkastella sen soveltuvuutta sähköauton voimantuottoon. Lisäksi työssä tehdään katsaus tämänhetkisiin sähköautoihin ja niissä esiintyviin koneratkaisuihin ja esitetään esimerkkilaskelma moottorin voimantarpeesta auton eri toiminta-alueilla. Tarkasteluissa selvisi, että kestomagneettiavusteinen synkronireluktanssikone on varteenotettava moottoriratkaisu sähköautoissa. Tämänhetkisissä sähköautoissa pääosin esiintyviin epätahtikoneeseen ja kestomagneettitahtikoneeseen verrattuna kestomagneettiavusteisella synkronireluktanssikoneella on muutamia ominaisuuksia, jotka autokäytössä ovat erityisesti sen vahvuuksia. Epätahtikoneeseen verrattuna kestomagneettiavusteisella synkronireluktanssikoneella on etuina huomattavasti pienempi paino ja synkronisuus ja kestomagneettitahtikoneeseen verrattuna sillä on paremmat kentänheikennysominaisuudet ja näin laajempi nopeusalue käytettävissä.

Sähköautojen akkuteknologioiden tilannekatsaus

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia sähköautoissa käytettäviä akkuteknologioita ja verrata niiden ominaisuuksia keskenään sekä sähköautojen asettamien akkuvaatimusten kanssa. Akkuteknologiakartoituksen ja ominaisuusvertailun avulla tutkimuksessa oli tarkoitus selvittää sähköautojen akkujen kehitystä menneestä nykyhetkeen ja luoda katsaus akkuteknologian tulevaisuuteen. Tutkimuksessa painotettiin akkujen suorituskykynäkökulmaa, mutta tutkimuksessa otettiin kantaa myös eri akkuteknologioiden turvallisuuteen, ympäristötekijöihin ja hintaan. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena ja lähteinä käytettiin alan kirjallisuutta, IEEE artikkeleita, tutkimusraportteja ja verkkodokumentteja. Lisäksi tutkimuksessa hyödynnettiin akku- ja sähköautovalmistajilta saatavaa tietoa, johon suhtauduttiin varauksin. Tutkimuksessa kävi ilmi, että erilaisia litiumioniakkuteknologioita käytetään tällä hetkellä eniten sekä täyssähköautoissa että pistokehybrideissä. Huomattiin, että akkujen suorituskyvyn kehittyminen on nopeutunut viime vuosina. Erityisesti akkujen energianvarastointikykyyn vaikuttavat ominaisenergiatasot ovat kasvaneet selkeästi. Nykyisen kehittyneen litiumioniakkuteknologian todettiin täyttävän jo osittain lähivuosien suorituskykytavoitteet. Tutkimuksessa tultiin siihen tulokseen, että litiumrikkiakkuteknologia voi korvata litiumioniakkuteknologian ainakin täyssähköautoissa parempien ominaisenergiatasojen ja halvempien valmistuskustannuksien takia. Myös litiumilma-akkuteknologialla havaittiin olevan mahdollisuuksia haastaa muut litiumakkuteknologiat seuraavalla vuosikymmenellä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todetaan, että sähköautot voivat kaupallistua laajemmin lähivuosina akkujen suorituskykyominaisuuksien kehittyessä jatkuvasti. Suorituskykyominaisuuksien parantuminen tulee todennäköisesti johtamaan siihen, että täyssähköautot yleistyvät enemmän ja pistokehybridit tulevat jäämään sähköautojen välivaiheeksi. Uusien akkuteknologioiden käyttöönotto kaupallisiin sähköautoihin voi viedä kuitenkin odotettua kauemmin, sillä akut tarvitsevat huolellista testausta ja käyttöönotto edellyttää, että kaikki ominaisuudet ovat vaaditulla tasolla.

Reuse of electric vehicle battery in uninterruptible power supply

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Nissan Leaf -sähköauton käytetyn litiumakun soveltuvuutta UPS-varavirtalaitteen energialähteeksi. Kun akku on heikentynyt niin ettei sen kapasiteetti enää ole riittävä autokäyttöön, sitä voidaan kuitenkin vielä hyödyntää muissa sovelluksissa, kuten UPS-laitteessa. Työ sai alkunsa osana GreenDataNet-projektia, jossa pyritään kehittämään datakeskuksiin ympäristöä vähemmän kuormittavia ratkaisuja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä, akkujen uusiokäytöllä, sekä energianhallinnan optimoinnilla. Työssä käytiin läpi akun ja sen ohjausjärjestelmän ominaisuuksia, kerrottiin UPS:in ohjelmistoon tehdyistä muutoksista sekä esitettiin testitulokset. Lopputuloksena todettiin akun sopivan muuten hyvin UPS-käyttöön, mutta vaadittu päivittäinen kennojännitteiden tasaus ja sen aiheuttama katkos energian saatavuuteen heikentää UPSin käyttövarmuutta kuorman suojauksessa. Lopussa esitettiin muutamia ehdotuksia tämän ongelman korjaamiseksi.