Myös sähkökäyttöiset työajoneuvot vaativat jäähdytystä

Sähköinen liikenne (E-mobility, Electromobility,) on maailmanlaajuisesti voimakkaassa nosteessa ja myös Suomessa sähkökäyttöisten ajoneuvojen määrä on voimakkaassa kasvussa. Nopeinta kasvu on tähän asti ollut sähköautoissa ja erilaisissa kevyissä liikennevälineissä, kuten sähköavusteiset polkupyörät, sähköiset skuuttilaudat ym. Mutta kiinnostus toteuttaa myös raskaampia työajoneuvoja täyssähköisinä ja sähköhybrideinä on herännyt konevalmistajien keskuudessa.

Motivaationa ajoneuvojen ja työkoneiden sähköistykselle on matalammat käyttökustannukset, mikä perustuu sähköenergian hintaan ja järjestelmän energiatehokkuuteen. Lisäksi täyssähköinen työajoneuvo leikkaa paikalliset päästöt nollaan, mikä on merkittävä etu, jos ajoneuvoa käytetään esimerkiksi sisätiloissa tai kaivoksessa. Myös ajoneuvon hybridisoinnilla on mahdollista vähentää paikallisia päästöjä ja parantaa energiatehokkuutta. Hybridisointia voidaan käyttää välivaiheena siirryttäessä täyssähköiseen käyttöön. Tällöin polttomoottorin kokoa voidaan useimmiten pienentää huomattavastikin tinkimättä työkoneen käytettävyydestä, kun tehohuiput otetaan akusta ja kevyemmän kuormituksen aikana polttomoottori puolestaan lataa akkua (Kuva 1). Myös jarrutusenergian talteenotto on mahdollista ja pienentää sekin osaltaan kokonaisenergian kulutusta.

Kuva 1: Sähköhybridissä polttomoottori voidaan mitoittaa keskimääräisen tehontarpeen mukaan

Toteutettiinpa työkoneen sähköistys millä tavalla tahansa: akustolla, polttokennolla tai vaikka biopolttoaineella toimivalla polttomoottorilla ja sen käyttämällä generaattorilla; sähkökäytölle tarvitaan kuitenkin aina myös riittävä jäähdytys varsinkin tehon kasvaessa yli tietyn rajan. Itse asiassa tarvittava jäähdytysteho voi olla jopa isompi verrattuna perinteiseen polttomoottorikäyttöiseen ja hydrauliikalla toteutettuun työkoneeseen. Tämä riippuu siitä, miten sähköistys on toteutettu ja millaisissa olosuhteissa konetta käytetään.

Ajoneuvojen ja työkoneiden sähköistyksellä pyritään parempaan energiatehokkuuteen, mutta silti niissäkin muodostuu huomattavia lämpöhäviöitä. Jos yksittäisen sähkökomponentin tehohäviö on vain joitakin satoja watteja, komponenttien jäähdytys pystytään toteuttamaan passiivisesti tai ilmapuhaltimilla, mikäli ympäristön lämpötila ei ole liian korkea.

Tehohäviöiden kasvaessa kilowatteihin, tarvitaan yleensä neste-ilmajäähdytys. Liian korkeiden lämpötilojen ohella kylmyyskään ei ole hyväksi useimmille sähkökomponenteille. Jäähdytysjärjestelmää voi hyödyntää myös lämmitykseen, joten oikeampi termi olisikin lämmönhallintajärjestelmä.

Jäähdytysjärjestelmän valinta

Nestekiertoisen jäähdytysjärjestelmän voi toteuttaa usealla tavalla; avoimen, puolisuljetun tai suljetun kierron järjestelmällä (Kuva 2). Erot niissä ovat osittain vastaavia kuin esimerkiksi avoimessa ja suljetussa hydraulipiirissä.

Avoimessa jäähdytysjärjestelmässä tarvitaan tyypillisesti suurehko säiliö, josta pumppu pumppaa jäähdytysnestettä järjestelmään. Suljetussa ja puolisuljetussa järjestelmässä jäähdytyskierrosta palaava jäähdytysneste menee suoraan pumpun imuun, joten isolle säiliölle ei ole tarvetta. Pieni paisunta-astia kuitenkin tarvitaan, jotta pienet vuodot sekä lämpölaajenemisesta aiheutuvat tilavuudenmuutokset voidaan kompensoida.

Avoimen järjestelmän suurempi nestemäärä kasvattaa järjestelmän tilantarvetta, mutta suuremmasta nestemäärästä voi olla joissakin tapauksissa myös hyötyä. Järjestelmän keskimääräinen jäähdytystehontarve voi joskus olla vain murto-osa maksimista, joten hyödyntämällä säiliön nestetilavuutta lämpöhäviöiden ”välivarastona”, voidaan jäähdytin mitoittaa selvästi maksimitehoa pienemmäksi perustuen tarvittavaan keskimääräiseen jäähdytystehoon.

Avoimen piirin yhtenä haasteena on se, että jäähdytysneste on säiliössä suorassa kontaktissa ympäröivän ilman kanssa. Nesteeseen liukenee aina jonkin verran ilmaa, jonka happi aiheuttaa komponenteissa korroosiota. Ilman mukana järjestelmään voi kulkeutua myös erilaisia epäpuhtauksia, jotka saattavat aiheuttaa ongelmia järjestelmän toiminnalle.

Suljetussa piirissä ilma ei käyttöönoton jälkeen pääse kontaktiin jäähdytysnesteen kanssa, mistä on useita hyötyjä. Korroosio ei pääse etenemään, sillä nesteeseen ilman mukana liuennut happi kuluu loppuun suljetussa piirissä eikä uutta happea pääse järjestelmään. Myös ilmaan sitoutuneen veden ja ilmassa leijailevien likapartikkeleiden joutuminen suljettuun järjestelmään on estetty kokonaan, koska yhteyttä ulkoilmaan ei ole edes huohottimen kautta.

Kuva 2: Avoimen (a), puolisuljetun (b) ja suljetun (c) jäähdytysjärjestelmän periaatekaaviot

Jäähdytysnesteen viskositeetti kasvaa kylmänä, mikä tulee ottaa huomioon järjestelmän suunnittelussa. Pumpun sähkömoottorin mitoituksessa pitää olla pelivaraa, jotta pumppu pystyy tuottamaan halutun virtauksen myös kylmällä, jähmeämmällä jäähdytysnesteellä. Kylmissä olosuhteissa jäähdytysjärjestelmän tarve on yleensä vähäisempi, mutta joissakin tapauksissa järjestelmää pitää pystyä lämmittämään. Lämmitys tehostuu, jos jäähdytyspiirin nestettä pystytään kierrättämään, joten pumpun pitää pystyä pumppaamaan myös kylmää jäähdytysnestettä.

Toisaalta jäähdytysjärjestelmän pumppua ei ole järkevää myöskään ylimitoittaa. Ylikokoinen pumppu vain nostaa kustannuksia turhaan ja kuluttaa liikkuvan työkoneen muutenkin rajallista sähkötehoa.

Kylmän nesteen korkeampi viskositeetti voi aiheuttaa kavitaatiota, jos pumpun imulinjassa paine laskee alle jäähdytysnesteen höyrynpaineen. Tältä riskiltä vältytään kokonaan, jos käytetään paineistettua suljettua jäähdytysjärjestelmää. Pelkkä paineistuskaan ei auta, vaan paisunta-astian ja sen esitäyttöpaineen pitää olla mitoitettu oikein. Tällä varmistetaan järjestelmän paineen pysyminen halutuissa rajoissa niin kylmällä kuin kuumallakin jäähdytysnesteellä.

Tyypillisesti jäähdytettävien komponenttien paineenkesto on vähintään 3..5 bar, mutta oikein mitoitetussa suljetussa piirissä painetta tarvitaan usein alle 2 bar. Painetasot ovat siis maltilliset, joten paineistettu suljettu jäähdytyspiiri ei aiheuta käyttäjille sen suurempaa turvallisuusvaaraa kuin avoin tai puolisuljettu järjestelmä.

Taulukko 1: Erilaisten jäähdytysjärjestelmien ominaisuuksien vertailua

Jäähdytysnesteet

Vesi on hyvä jäähdytysväliaine erinomaisen lämmönsiirtokyvyn ja edullisuutensa ansiosta, mutta kylmissä olosuhteissa talvella vesi jäätyy. Lisäksi pelkkä vesijohtovesi voi aiheuttaa levä- ja bakteerikasvustoja jäähdytysjärjestelmään, minkä seurauksena jäähdytyskennot ja muut ahtaat virtauskanavat voivat tukkeutua. Jotta näiltä ongelmilta vältytään, veteen lisätään seosaineita. Vaihtoehtoja on runsaasti tarjolla, mutta yksi perinteisimmistä jäähdytysnesteistä on glykoli (Etyleeniglykoli), joka estää nesteessä ylimääräiset kasvustot, alentaa sulamispistettä ja hidastaa korroosion etenemistä. Glykolin lämmönsiirtokyky on huonompi kuin vedellä ja lisäksi sen viskositeetti on suurempi kuin vedellä. Glykolin määrää ei siis kannata seoksessa kasvattaa enempää kuin on tarve. Esimerkiksi 40 %:n glykoliosuudella saavutetaan pakkaskestävyydeksi -23 °C ja 50 %:lla -34 °C, mikä riittää hyvin normaaleissa sovelluksissa.

Mikäli jäähdytysneste on kosketuksissa sähkökomponenttien jännitteisten osien kanssa, on tämä huomioitava myös nesteen valinnassa. Nesteen on tällöin oltava täysin sähköä johtamatonta, eli esimerkiksi de-ionisoitua vettä, jossa lisänä mahdollisesti sähköä johtamattomia lisäaineita. Tämä on huomioitava myös jäähdytysjärjestelmän komponenttien materiaalivalinnoissa. Kaikkien jäähdytysnesteen kanssa kosketuksissa olevien osien materiaalien on oltava yhteensopivia käytetyn nesteen ja lisäaineiden kanssa.

Jäähdytysnesteen valinta on usein haasteellinen tehtävä, sillä markkinoiden laajasta valikoimasta löytyy runsaasti erilaisia jäähdytysnesteitä erilaisilla lisäaineseostuksilla. Jäähdytysnesteet eroavat jo uutena toisistaan kemiallisilta ominaisuuksiltaan ja lämmönsiirtokyvyltään, mutta lisää eroavaisuuksia tulee esiin myös käytön aikana. Joissakin jäähdytysnesteissä esimerkiksi korroosionestokyky heikkenee nopeasti, joten jäähdytysneste joudutaan vaihtamaan usein. Ajan myötä jäähdytysnesteen tietyt lisäaineet saattavat myös sakkaantua, minkä seurauksena jäähdytettävien komponenttien ahtaat jäähdytyskanavat voivat tukkeutua ja jäähdytysteho romahtaa.

Sähköä johtamattomia nesteitä käytettäessä on huomioitava myös mahdollinen ionien kertyminen nesteeseen, jolloin neste alkaakin ajan kuluessa johtaa sähköä ja aiheuttaa ongelmia koko sähköjärjestelmän toiminnassa. Ratkaisuna tähän löytyy sekä sähkönjohtavuutta mittaavia antureita että erikoissuodattimia, joilla ioneja voidaan poistaa nesteestä.

Jäähdytysjärjestelmän käyttöönotto

Mobilekoneiden suunnittelun tyypillisenä haasteena on tilanahtaus eikä se helpotu edes koneen sähköistämisen myötä, vaikka polttomoottoria pienennetään tai siitä päästään kokonaan eroon. Sähkökomponentit ja energiavarasto vaativat oman tilansa, joten jäähdytysjärjestelmän komponentit voidaan joutua sijoittamaan ahtaisiin tai muuten hankaliin paikkoihin. Jäähdytysletkut voidaan ahtaissa koneissa joutua asentamaan monelle mutkalle, minkä seurauksena letkuihin voi jäädä paikkoja ilmataskuille. Ilmataskut voivat pahimmillaan estää jäähdytysjärjestelmän toiminnan, jos neste ei lähde kunnolla kiertämään käynnistyksen jälkeen. Jäähdytysjärjestelmän huolellisen suunnittelun ja mitoituksen ohella myös toteutukseen pitää kiinnittää erityistä huomiota.

Avoimen ja puolisuljetun jäähdytyspiirin täyttö on suoraviivaista, mutta paineistetun suljetun piirin täyttäminen vaatii erillisen paineistavan pumpun. Suljetun piirin täyttö tulee tehdä riittävän hitaasti, jotta neste ei vaahtoudu ja järjestelmässä oleva ilma pääsee poistumaan ilmausliitäntöjen kautta. Lopuksi pitää vielä varmistua, että järjestelmään jää mitoituksen mukainen painetaso. Paineistetun järjestelmän täyttö ei ole monimutkaista, mutta järjestelmätoimittajan ohjeiden noudattaminen on tärkeää.

Sähkötyökoneiden jäähdytysjärjestelmät erityispiirteitä

Sähköisten mobiletyökoneiden sähkökomponenttien vaatima jäähdytysteho on usein selvästi alle 50 kW. Jäähdytettäviä komponentteja ovat esimerkiksi akustot, superkondensaattorit, generaattorit ja sähkömoottorit sekä niiden vaatima tehoelektroniikka, kuten invertterit ja DC/DC-muuntimet. Tyypillisenä vaatimuksena on, että edellä mainituille komponenteille tulevan jäähdytysnesteen lämpötila saa olla enintään +60 °C. Normaalisti työkoneiden ympäristön lämpötila on alle +40 °C, joten ilmajäähdyttimen lämpötilaeroksi (ΔT) jää tällaisissa tapauksissa vähintään 20 °C. Tällöin pärjätään vielä melko maltillisen kokoisella jäähdyttimellä.

Lämpötilalle herkempiä sähkökomponentteja ovat usein akustot, sillä niiden ideaalinen lämpötila-alue käytetystä akkuteknologiasta riippuen on noin +20…35 °C. Tätä lämpimämmässä akuston kyky varastoida energiaa paranee, mutta toisaalta liian korkea lämpötila voi lyhentää huomattavasti akuston käyttöikää. Akuston käyttöikä voi lyhentyä myös kylmyyden seurauksena ja samalla energianvarastointikyky heikentyy, joten akuston lämmitys voi olla tarpeen kylmissä olosuhteissa.

Kuva 3: Yksinkertaistettu esimerkki sähköhybridin jäähdytysjärjestelmästä, sekä käytännön toteutus (ilman jäähdytintä ja jäähdytettäviä sähkölaitteita)

Sähköisten työajoneuvojen sähkökomponenttien jäähdytysjärjestelmän toteutukseen vaikuttaa moni asia kuten jäähdytettävien komponenttien vaatimat tilavuusvirtaukset, painehäviöt ja niiden luovuttama lämpöenergia. Jäähdytettäviä komponentteja voidaan kytkeä joko sarjaan tai rinnakkain tai näiden yhdistelmään. Jos useampia komponentteja kytketään sarjaan, pitää suunnittelussa varmistaa, etteivät painehäviöt kasva liian suureksi. Lisäksi piirin viimeisenkin jäähdytettävän komponentin pitää saada riittävästi ja riittävän viileää jäähdytysnestettä, jotta jäähdytystehoa on tarpeeksi kaikissa käyttötilanteissa.

Latausasemien jäähdytys

Sähköajoneuvo vaatii oman luotettavan jäähdytysjärjestelmän. Mutta myös niiden latausasemissa tarvitaan usein jäähdytystä. Jotta sähköisen työajoneuvon lataus tapahtuisi mahdollisimman nopeasti, sähköteho latauksen aikana voi olla huomattava, jopa satoja kilowatteja. Latausaseman sähkökomponentit lämpenevät voimakkaasti latauksen aikana, joten ne vaativat tehokkaan nestejäähdytyksen. Myös sähköajoneuvon akuston lämpötila nousee latauksen aikana, joten koneen oman jäähdytysjärjestelmän pitää toimia latauksen aikana, jos akustolle ei ole järjestetty erillistä ulkoista jäähdytystä latauksen ajaksi.

Sähköisen työajoneuvon lataus voidaan toteuttaa virroittimella (pantografi) tai latauskaapelilla. Tulevaisuudessa ehkä myös langattomasti, induktioon perustuen, kuten nykypäivänä tapahtuu jo pienemmillä akkukäyttöisillä sähkölaitteilla. Etenkin latauskaapelin ja -liittimien mitoituksessa vaadittava latausteho pitää ottaa tarkasti huomioon, jotta lämpötila pysyy sallituissa rajoissa latauksen aikana. Lämpenemistä voidaan hallita valitsemalla riittävän järeä latauskaapeli, mutta mitoitusta voi kasvattaa vain rajallisesti, sillä ongelmaksi muodostuu helposti niin kaapelin paino kuin käsiteltävyyskin. Käytännössä useiden satojen kilowattien lataustehoa on hankala toteuttaa ilman jäähdytettyä latauskaapelia.

Latauskaapelin jäähdytysjärjestelmän voi toteuttaa usealla tavalla, mutta yksi tehokkaimmista vaihtoehdoista on kompressorijäähdyttimellä jäähdyttää toisiopiirin neste, joka lämmönvaihtimen kautta jäähdyttää latauskaapelin jäähdytysnestettä (Kuva 4). Jos latauskaapelin jäähdytyksessä käytetään sähköä johtamatonta nestettä, suljettu jäähdytyspiiri on toimivin ratkaisu. Jäähdytysnesteeseen ei tällöin joudu ympäröivästä ilmasta vettä eikä muita epäpuhtauksia, joilla voisi olla vaikutusta jäähdytysnesteen sähkönjohtavuuteen.

Kuva 4: Esimerkki latauskaapelin nestejäähdytyksestä

 

Teksti:
Arto Laamanen, Teknologiapäällikkö, arto.laamanen@hydac.fi
Veli-Matti Jortikka, Kehityspäällikkö, teknologia, veli-matti.jortikka@hydac.fi

Hydac Oy, www.hydac.fi