Xamkin opiskelijat rakensivat sähkömoottoripyörän

Pyörän rakentajien nimet on ikuistettu pyörän näyttävään, Atte Marttisen suunnittelemaan erikoismaalaukseen.
Pyörän rakentajien nimet on ikuistettu pyörän näyttävään, Atte Marttisen suunnittelemaan erikoismaalaukseen.

Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulu Xamkin Mikkelin kampuksen sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelijoiden sähköiseksi konvertoima eBandit -moottoripyörä valmistui keväällä.

SM Extra audioartikkelit

Sähkömoottoripyörän rakennusprojekti käynnistyi syksyllä 2019 kaikille Mikkelin kampuksen sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelijoille suunnatulla suunnittelukilpailulla, minkä perusteella projektin tekijätiimi valittiin. Hyvän suunnitelman ja aiemman kaksipyöräisten rakennuskokemuksen perusteella tekijäryhmäksi valittiin sähkö- ja automaatiotekniikkaa opiskelleet, keväällä insinööreiksi valmistuneet Kalle Hellgren, Atte Marttinen ja Miikael Riuttaskorpi.

Lehtori Teemu Mannisen ja Miikael Riuttaskorven mukaan moottoripyörän jopa 2 000 työtunnin rakennusprojekti onnistui lopulta erinomaisesti lähes alkuperäisten suunnitelmien mukaan.

Projektia vetäneen sähkö- ja automaatiotekniikan lehtori Teemu Mannisen mukaan pyörän suunnitteluun ja rakentamiseen kului yhteensä noin 2 000 työtuntia.

– Suurin osa ajasta kului suunnitteluun, mutta kaikkeen testailuunkin meni varmasti 500 tuntia. Kaikki osat on irrotettu aika moneen kertaan ennen kuin kaikki saatiin lopulta paikoilleen, Miikael Riuttaskorpi ja Teemu Manninen kertovat.

Projekti käynnistyi Mikkelissä aiemmin niin ikään oppilastyönä sähköautoksi muutetun Toyota Celican purkamisella. Vuonna 2012 sähköautoksi konvertoidun Celican akut olivat tulleet tiensä päähän, joten auton käyttökelpoiset osat jouti ottaa uuteen käyttöön. Samalla opiskelijat saivat hyvän kuvan sähköajoneuvossa tarvittavasta tekniikasta, ja miten kaikki oli aikaisemmin rakennettu.

– Pojat suoriutuivat tosi itsenäisesti kaikista töistä aina suunnittelusta konfigurointiin. Celica-projektissa minulla kului itsellä 800 tuntia asennuksissa auttamiseen, mutta tässä minä selvisin paljon vähemmällä. Tällainen työ vaatii sekä intoa että osaamista, mitä kaikilta pojilta löytyy, työkalut pysyivät hyvin käsissä, Manninen kehuu.

Moottorinohjain suunnittelun pohjana

Pyörän suunnittelun lähtökohtana oli hyödyntää Celican vanhaa, hyväksi havaittua moottorinohjainta. Auton purkuvaiheessa selvisi, että vanhaa osaa ei kannata sittenkään enää käyttää, mutta uusi, toimintaperiaatteeltaan ja ohjelmointilogiikaltaan vastaava osa tilattiin entuudestaan tutulta valmistajalta, sähköajoneuvojen tekniikkaan erikoistuneelta yhdysvaltalaiselta Curtis Instrumentsilta.

Moottorinohjain on sähköajoneuvon tärkeimpiä osia, sillä taajuusmuuttajana toimiva ohjain vastaa ajoneuvon vaihteistoa. Ajoneuvon käytös ja suorituskyky riippuvat pitkältä ohjaimen asetuksista, sillä voima otetaan ketjulle ja rattaille suoraan sähkömoottorin akselilta. Mitään erillistä vaihteistoa pyörässä ei ole.

Ohjain muuntaa akustolta tulevan tasavirran 3 vaiheiseksi vaihtovirraksi. Moottoriohjaimen maksimijännite on 130 volttia ja maksimivirta 650 A. Jarrutettaessa moottori toimii generaattorina. Tällöin syntyvä kolmivaiheinen virta syötetään moottoriohjaimelle, joka muuttaa sen tasajännitteeksi akulle. Moottoriohjaimella voidaan säädellä myös tämän regeneroivan jarrutuksen voimakkuutta.

Moottorivikainen Bandit tarjosi hyvän aihion

Pyörän rungoksi valittiin alun perin 600-kuutioinen Suzuki GSF Bandit. Sopiva, vuosimallin 1996 aihio löytyi edullisesti Helsingistä moottorivikaisesta pyörästä. Kyseinen malli valittiin projektin pohjaksi rungon sopivan kehtoranteen takia, mihin sähkömoottori ja akusto oli mahdollista sijoittaa tukevasti paikoilleen Kalle Hellgrenin Fusion 360 CAD-ohjelmalla suunnittelemilla kiinnikkeillä.

Sekä moottori että akusto on suojattu tiiviisti vedeltä ja pölyltä varta vasten rakennetuilla koteloilla.

Banditin eli maantierosvon uusi sähkömoottori on koteloitu huolellisesti. Optimaalisen välityksen saamiseksi pyörän takaratas on vaihdettu huomattavasti alkuperäistä suuremmaksi.

Suzukin alkuperäisistä sähkölaitteista ei jätetty mitään jäljelle. Alkuperäisten valojen tilalle asennettiin Arduino-mikroprosessorilla monipuolisesti säädettävät ledit. Valojen ja näytön tarvitsema 12 voltin jännite saadaan muuntajalla pyörän 121,8 voltin akulta.

Mittaristo korvattiin kosketusnäytöllä

Projektin aikana laitteille käytettävissä olevan tilan rajallisuus aiheutti jatkuvasti haasteita varsinkin kytkentäkotelossa, mutta lopulta kaikki saatiin mahtumaan nätisti metallilevyjen taakse. Ennen lopullista asennusta kaikkien osien toiminta varmistettiin huolellisesti testipöydässä.

Myös joidenkin osien löytämisessä riitti haasteita.

– Oikeanlaisen CAN-väyläadapterit löytäminen oli kaikkein vaikeinta. Adapteri erottaa moottorinohjaimen muiden sähköjärjestelmien maadoituksista, Riuttaskorpi kertoo.

Kaikki komponentit ja mikroprosessorit ovat yhteydessä toisiinsa CAN-väylän välityksellä. Atte Marttisen mukaan mittaristona toimiva kosketusnäyttö hakee tiedot CAN-väylän välityksellä akunhallintajärjestelmältä, moottoriohjaimelta ja Arduinolta Raspberry Pi 3 model B+ -ohjaimella.

– Ohjelmoin pyörän käyttöliittymän Qt-ohjelmistotyökalulla, joka on käytössä myös suurilla laite- ja ajoneuvovalmistajilla. Käyttöliittymän ja Arduinon lähdekoodit löytyvät GitHubista, joten ne ovat vapaasti käytettävissä, Marttinen kertoo.

Suorituskyky on riittävä

Granlundin sähkösuunnittelijana nykyisin työskentelevällä Riuttaskorvella on runsaasti kokemusta moottoripyöristä. Hänen edellinen pyöränsä oli 600-kuutioinen, reilun sadan hevosvoiman tehoinen Kawasaki Ninja.

– Minä sanoisin, että näiden suorituskyky on aika samaa luokkaa. Ninja saattoi lähteä paikalta nopeammin liikkeelle, mutta nopeuden noustessa Bandit tulisi todennäköisesti rinnalle, kun kiihtyvyys jatkuu tasaisesti huippunopeuteen saakka.

Banditin suorituskykyä, jarrutusenergian talteenottoa ja sähkökahvan reagointia voi säätää todella monipuolisesti moottorinhallinta- ja akunhallintajärjestelmien asetuksista. Kiihdytyskilpailuun moottorin maksimikierrosluvun ja muut asetukset voi säätää täysille, mutta normaaliajoon tehokäyrää kannattaa säätää loivemmaksi nykivimmän ajon välttämiseksi.

Akunhallintajärjestelmässä riitti ohjelmoitavaa

Akusto koostuu 812 erillisestä, 29 sarjaan ja 28 rinnan kytketystä akusta, jotka on jaettu viiteen erilliseen kennostoon. Akut painavat yhteensä noin 60 kiloa. Pyörään valittiin Samsungin valmistamat akut niiden hyvän teho-painosuhteen ja korkean purkuvirran takia. Akuston suurin hetkellinen purkuvirta on peräti 850 A, mikä mahdollistaa optimaalisen kiihtyvyyden niin haluttaessa.

Suunnitelmien ensimmäisessä versiossa pyörään oli tarkoitus laittaa alkuperäispainon sallima maksimimäärä akkuja, mutta kaikkien laitteiden vaatiman tilan vuoksi akkukoteloon ei mahtunut aivan suunniteltua määrää akkuja ja pyörä laihtui kymmenen kiloa alkuperäisestä 214 kilosta. Samalla pyörän painopiste jäi suunniteltua alhaisemmaksi, mikä on omiaan parantamaan pyörän hallittavuutta.

Testeissä pyörän maantiekulutukseksi mitattiin 80 Wh/km. Rauhallisella ajolla akut riittävät noin 150 kilometrin ajoon.

– Kahvaa käyttämällä pääsee sataan kilometriin ja kaupungissa voisi päästä kahteenkin sataan kilometriin, Riuttaskorpi sanoo.

Riuttaskorven mukaan akkujen sielunelämään tutustuminen oli projektin opettavaisin osuus. Akkujen jännitetasoja ja lataus- sekä purkuvirtoja seurataan ja ohjataan Orion BMS 2 -akunhallintajärjestelmällä. Järjestelmä seuraa myös akuston lämpötiloja termistoreilla.

– Jokaista sarjassa olevaa akkua on ladattava ja valvottava erikseen. Akunhallintajärjestelmä myös rajoittaa moottoriohjaimen akulta ottamaa virtaa, Riuttaskorpi kertoo.

Myös järjestelmien ohjelmointi Arduino-ohjelmointikielellä oli mielenkiintoista puuhaa.

– Varsinaisten asennusten teko oli kuitenkin parasta nypräämistä. Automaatiokin kiinnostaa, mutta osien saaminen paikoilleen on aina palkitsevinta, Riuttaskorpi kertoo.

Riuttaskorpi teki projektista pyörän sähkömoottorin ja moottoriohjaimen toimintaa sekä moottoripyörän yleistä sähköistystä käsittelevän opinnäytetyön. Kalle Hellgren syventyi omassa insinöörityössään pyörän akkuteknologiaan ja akunhallintajärjestelmän suunnitteluun ja Atte Marttinen käyttöliittymän ohjelmointiin ja CAN-väylän toimintaperiaatteisiin. Työt ovat kaikkien luettavissa ammattikorkeakoulujen Theseus-tietopalvelussa.

Tekniset tiedot: eBandit

Moottori: HPEVS AC-20 induktiomoottori. Nimellisjännite 96 V, moottori operoi 72-130 V jännitteellä. Paino 27,2 kg.
Teho ja vääntö: 48,5 kW, 111 Nm. Maksimivirta 650 A.
Moottorinohjain: Curtis 1238E-7622. Moottoriohjain toimii taajuusmuuttajana, joka vaihtaa akustolta tulevan tasavirran 3 vaiheiseksi vaihtovirraksi. Moottoriohjaimen maksimijännite on 130 volttia ja maksimi virta 650 A.
Jäähdytys: ilmajäähdytys sisäisellä tuulettimella.
Akku: 812 kappaletta Samsung INR18650-30Q -litiumioniakkuja, a 3 000 mAh. Akkuja on 29 sarjassa ja 28 rinnan viidessä akkukennostossa. Maksimijännite 121,8 V, kapasiteetti 10 kWh, paino 60 kg.
Käyttösäde: 150 km
Akunhallintajärjestelmä: Orion BMS 2. Jokaista sarjassa olevaa akkua ladataan ja valvotaan järjestelmällä erikseen. Järjestelmän huolehtii akun lataamisesta sekä akkumoduulien jännitteiden ja lataus- ja purkuvirran valvomisesta sekä rajoittaa moottoriohjaimen akulta ottamaa virtaa.
Laturi: Elcon TC 3,3 kW. Sukolataus 230 V/16 A. Ylikuumenemissuoja.
Omapaino: 204 kiloa
Suorituskyky: riittävä

Mikko Arvinen, teksti ja kuvat

Verkkokursseja voi suorittaa koska tahansa!