Installation och konfigurering av ett elektriskt drivsystem för ett ...

Installation och konfigurering av ett elektriskt
drivsystem för ett mindre elfordon
Kandidatarbete inom Elektroteknik
Christofer Larsson
Olov Solberg
Jacob Viktorsson
Institutionen för Energi och Miljö
Avdelningen för Elteknik
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2010

Tack
Vi vill tacka vår handledare Robert Karlsson och vår examinator Sonja Lundmark
vid Avdelningen för Elteknik på Chalmers för stöd och råd under projektets gång.
Dessutom vill vi tacka Kent Erikson och Mats Nilsson på ETP Kraftelektronik för
deras support och hjälp med gokartens motor och omriktare.

Abstract
The purpose of this project was to construct a working electric go-cart. Starting with a
bare chassis an electric driveline was mounted. The result was a fully functional electric
go-cart with a dashboard to supervise the batteries and the motor. The batteries in use
were lead cells with a capacity of 12 Ah and the motor was a 6 kW asynchronous motor.
Finally the inverter was configured and the go-cart was test run to evaluate the settings of
the inverter and the performance of the go-cart. At the trial runs the go-cart had an
running time of 15-20 minutes and a maximum velocity of approximately 60 km/h.
The crucial components of an electric go-cart are a well configured inverter and high
capacity batteries, for example Li-ion batteries. A disadvantage of the go-cart is its
deficient roadholding which is due to it being heavy at the back, and to the stiff rear axle.
An interesting further development that would make the go-cart more competitive by
increasing its roadholding ability is to use separate motors for the drive wheels.
Sammanfattning
Syftet med detta projekt var att ta fram en körbar elektrisk gokart. Med utgångspunkt i ett
avskalat chassi monterades en elektrisk drivlina på plats. Resultatet blev en fungerande
eldriven gokart med instrumentpanel för att övervaka batterier och motor. Batterierna var
blybatterier med en kapacitet på 12 Ah och motorn var en 6 kW asynkronmotor. Slutligen
konfigurerades motorstyrningen och gokarten testkördes för att utvärdera styrenhetens
inställningar och gokartens prestanda. Vid testkörningar hade gokarten en drifttid på 15-
20 minuter och en maxhastighet på ca 60 km/h.
De viktigaste komponenterna på en eldriven gokart är en välinställd omriktare och
batterier med hög kapacitet, till exempel Li-jon-batterier. En nackdel med projektets
gokart är dess dåliga väghållning vilket beror på att den är baktung samt att den drivande
hjulaxeln är stel. En intressant vidareutveckling som skulle göra gokarten mer
konkurrenskraftig genom att förbättra väghållningen är att använda separata motorer för
de drivande hjulen.

Innehållsförteckning
1. Inledning ......................................................................................................... 1
1.1 Bakgrund .............................................................................................................. 1
1.1.1 Elbilens historia ............................................................................................. 1
1.1.2 Utveckling och drift med asynkronmotor...................................................... 2
1.2 Syfte ....................................................................................................................... 2
1.3 Problemidentifiering ............................................................................................ 3
1.4 Avgränsningar ...................................................................................................... 3
1.5 Metod .................................................................................................................... 4
2. Teori för elektriskt drivsystem ..................................................................... 5
2.1 Asynkronmotorn .................................................................................................. 5
2.2 Växelriktare .......................................................................................................... 6
2.3 Batterier ................................................................................................................ 7
2.3.1 Blybatteri ....................................................................................................... 7
2.3.2 NiMH/NiCa ................................................................................................... 7
2.3.3 Li-jon ............................................................................................................. 8
3. Att ta fram en körbar elektrisk gokart ........................................................ 9
3.1 Drivsystem ............................................................................................................ 9
3.1.1 Batterier ......................................................................................................... 9
3.1.2 Motor ........................................................................................................... 10
3.1.3 Kraftöverföring ............................................................................................ 11
3.1.4 Gasreglage ................................................................................................... 12
3.1.5 Motorstyrning .............................................................................................. 12
3.2 Instrumentering ................................................................................................. 13
3.2.1 Mätning av elektriska storheter ................................................................... 13
3.2.2 Mätning av icke-elektriska storheter ........................................................... 14
3.2.3 Reglage för kontroll av gokarten ................................................................. 14
3.3 Säkerhet .............................................................................................................. 14
4. Konfiguration av motorstyrning ................................................................ 15
4.1 Funktioner med fysisk anslutning .................................................................... 16
4.2 Startsekvensen .................................................................................................... 17
4.3 Funktioner i mjukvaran .................................................................................... 18
5. Körtest av gokarten ..................................................................................... 20
6. Resultat – den färdiga gokartens konstruktion och prestanda ............... 20
7. Diskussion ..................................................................................................... 22
8. Förslag till förbättringar ............................................................................. 23
9. Slutsatser ....................................................................................................... 24
10. Litteraturförteckning .................................................................................. 25
11. Appendix A ................................................................................................... 26

1. Inledning
I dagens samhälle ser vi en ständigt ökande miljömedvetenhet på alla områden.
Elproduktionen ska vara koldioxidneutral, återvinning och kompostering är
självklara ord i hushållen och bilen ska helst inte gå på fossila bränslen. Att
vidareutveckla tekniken för eldrivna fordon är därför ett mycket aktuellt
forskningsområde som är av stor betydelse för samhället.
1.1 Bakgrund
I föreliggande projekt behandlas inte en fullstor bil utan en eldriven gokart. Först
ges dock en historik över elbilens utveckling (Westbrook, 2001) samt en överblick
av det projekt som föregått följande arbete.
1.1.1 Elbilens historia
Eldrivna fordon är ingalunda en ny företeelse för dagens klimatmedvetna tid. På
ett mycket tidigt stadium i elkraftens historia experimenterades det med eldrivna
fordon och de första elbilarna konstruerades på 1830-talet. År 1800 upptäckte
italienaren Alessandro Volta att det uppstår en elektrisk spänning mellan en
koppar- och en zinkplatta om dessa är åtskilda av kartong genomdränkt av
saltvatten. Han upptäckte även att spänningen ökar vid seriekoppling av sådana
plattor, samt att strömmen ökar vid samma spänning då de placeras parallellt.
Nästa stora steg framåt för att lägga grunden för elkraften och eldrivna fordon
togs 1821 då Michael Faraday upptäckte att en elektrisk ledare roterade runt en fix
magnet i ett kvicksilverbad. Vidare visade Faraday även elektromagnetisk
induktion år 1831 och i och med detta var grunden lagd både till batteriet och
elmotorn. Det påstås att den första modellbilen byggdes av professor Stratingh i
Nederländerna fyra år senare. En av de första välunderbyggda rapporterna om
eldrivna fordon gäller en eldriven båt som tysken Moritz Jacobi körde på en flod i
närheten av St Petersburg 1838. Utveckling fortsatte framåt och nästa stora
händelse inträffade 1859 när belgaren Gaston Planté demonstrerade den
elektrokemiska principen för ett laddningsbart batteri med möjlighet att ladda
upprepade gånger. Två år senare togs ytterligare ett viktigt steg då den elektriska
generatorn uppfanns i Italien av Antonio Pacinotti. Han använde en
likströmsmaskin som han roterade mekaniskt för att få ut en ström, alltså
principen för en generator.
Efter dessa upptäckter skyndade utvecklingen vidare och 1896 fanns det tretton
eldrivna taxifordon i bruk i New York. Dessa fordon hade konstruerats av Morris
och Salom och drevs av 44 stycken blybatterier som gav 88 V spänning till två
motorer om vardera en halv hästkraft, vilket gav en räckvidd på upp till 48 km.
Faktum är att år 1900 var fördelning mellan olika motorvarianter följande bland
de drygt 4000 bilar som tillverkades i USA: 40% ångdrivna, 37% eldrivna och
23% bensindrivna. Mellan år 1899 och 1902 var hastighetsrekordet för bilar
1

98km/h, vilket innehades av en elbil. Fram till 1912 fortsatte antalet elbilar att öka
i USA. Bensindrivna bilar blev dock allt vanligare och Ford rönte stor framgång
med sin Model T år 1909. När sedan ljuddämparen och startmotorn uppfanns
markerade det slutet för den redan då mycket dyrare elbilen. Värt att notera är att
det redan vid denna tid tillverkades fungerade hybridbilar, alltså fordon som
använde både en förbränningsmotor och en elmotor, men även dessa förlorade på
sitt betydligt högre pris. Under större delen av 1900-talet var sedan eldrivna
fordon totalt utkonkurrerade av bensin- och dieseldrivna fordon. Inte förrän
framåt år 1990 började utvecklingen ta ordentlig fart igen, mycket tack vare att
Kalifornien lagstiftade om att alla större biltillverkare var tvungna att få
utsläppsfria bilar att utgöra en viss procent av deras årliga försäljning i delstaten.
Efter detta har kraven även rests på andra platser i världen om att arbeta för
minskad klimatpåverkan från transportsektorn genom användandet av elfordon.
1.1.2 Utveckling och drift med asynkronmotor
En av anledningarna till att elbilen förlorade i popularitet i början av förra
århundradet var dess sämre prestanda jämfört med bilar med förbränningsmotorer.
På senare tid har dock utvecklingen av halvledartekniken och dess tillämpning
inom kraftelektroniken kommit att ge förutsättningar för att producera mer
konkurrenskraftiga fordon med eldrift, fordon som då också måste tillvarata den
elektriska energin mer effektivt. Idag går utvecklingen mer och mer mot
användandet av trefas AC-motorer. DC-motorer är enkla att styra men för bättre
energieffektivitet används trefas induktionsmotorer (Westbrook, 2001).
På Institutionen för Energi och Miljö vid Chalmers har det tidigare skrivits
kandidatarbeten på temat elbilar, och då speciellt med växelströmsmotorer. Under
våren 2009 gjordes ett kandidatarbete (Alhashimi et al, 2009) som syftade till att
konvertera en bensindriven gokart till eldrift. Till detta projekt köptes bland annat
en trefas asynkronmotor in men tyvärr kunde aldrig den slutgiltiga gokarten
provköras. Dessutom användes ett chassi ursprungligen avsett för en barn-kart,
vilket gjorde det trångt både för förare och elektriska komponenter. Under våren
2010 har detta kandidatarbete fortsatt att arbeta med gokarten, med det uttalade
målet att ta fram ett fungerande fordon.
1.2 Syfte
Huvudsyftet med projektet är att ta fram en körbar eldriven gokart. Detta görs
utifrån de komponentval som har gjorts föregående år, samt utifrån ett befintligt
chassi. När gokarten är körbar skall motor, omriktare och övriga komponenter
konfigureras enligt önskad prestanda.
2

1.3 Problemidentifiering
För att få fram en fungerande gokart behöver ingående delar fungera och
samverka. Vid projektets början fanns en barn-kart med monterat drivsystem.
Dessutom fanns vid Avdelningen för Elteknik ett fullstort gokart-chassi men utan
motor. Idén var att flytta över nödvändiga komponenter till detta nya chassi och
implementera dessa så att gokarten gick att köra. För att göra detta behövde den
gamla gokarten monteras ner och delarna i drivlinan flyttas till det nya chassit. För
att kunna montera delarna behövde nödvändiga fästen tillverkas och kablar dras.
De komponenter som speciellt behövde fästen var motor, motorstyrning,
gasreglage, relä, instrumentpanel, shuntmotstånd, kedjehjul samt batterier och
strömbrytare. De kablar som behövde dras inkluderade signalkablar mellan
omriktare, relä, instrumentpanel och gasreglage, samt strömkablar till batterier,
huvudbrytare och omriktare.
Ett av huvudproblemen var att förstå styrenheten (även kallad omriktaren eller
motorstyrningen) till gokarten. Med denna enhet styrs varvtalet på motorn,
spänningsmatning, acceleration med mera. För detta projekts ändamål behövde
omriktaren konfigureras för lämplig acceleration, regenerativ bromsverkan,
batterispänning samt maxhastighet framåt och bakåt.
1.4 Avgränsningar
Primärt finns ett antal naturliga avgränsningar för detta kandidatarbete. Projektet
har bedrivits inom ämnesområdet elektroteknik med inriktning mot elteknik. Detta
har gjort att projektet har fokuserat på gokartens funktion framför dess design. Att
förbättra mekaniska funktioner såsom styrning och bromsar har även det fallit
utanför ämnesområdet. Naturligtvis behövde alla mekaniska komponenter och
lösningar fungera men det har inte funnits några krav på att de ska vara
sofistikerade. Funktioner såsom elektriskt styrd broms och differentialdrift för
drivande hjul har ej heller beaktats.
Eftersom projektet är en fortsättning på förra årets kandidatarbete finns vissa
avgränsningar på grund av detta. Förra årets projektgrupp jämförde olika
komponenter som till exempel motor och motorstyrning och köpte in lämpliga
sådana. Ekonomiska begränsningar från Avdelningen för Elteknik samt de
tidsmässiga ramarna gjorde sedan att årets projekt i stort sett helt har använt sig av
befintliga komponenter utan att utvärdera andra valmöjligheter. En positiv effekt
av detta har varit att projektet inte startat från grunden utan istället kunnat fortsätta
på det arbete som redan var gjort.
Ytterligare en avgränsning gäller kretslösningar för olika säkerhetslösningar och
styrfunktioner såsom strömbegränsning och gasreglage. Till dessa funktioner har
befintliga komponenter använts så långt som möjligt istället för att skapa nya
kretsar.
3

1.5 Metod
Projekt kan delas in i tre huvuddelar. Första delen är en konstruktionsinriktad del
där det övergripande målet har varit att få gokarten körbar med eldrift. Här har
ingått montering av motor och övriga komponenter samt drivning av hjulaxeln.
Den andra delen är även den praktisk men något mer teoretiskt inriktad, nämligen
att konfigurera motorn med hjälp av motorstyrningen Zapi ACE2. Detta moment
har inneburit experimenterande med olika inställningar, vilka i enlighet med
teorin för asynkronmotorer har gett motorn olika egenskaper. Inställningarna har
provats i verkligheten genom provkörningar för att se hur väl de fungerar. Dessa
körtester har i sin tur lett till ändrade parameterinställningar i en iterativ process.
Tredje och sista delen är att utvärdera gokartens prestanda genom olika
prestandatester i verkligheten.
På grund av de många praktiska delarna av projektet har arbetsmetoden oftast
varit att undersöka vad det är som behöver göras, till exempel att tillverka ett fäste
för reläet. Sedan har det utretts vilket material som vore passande, därefter har en
modell i kartong klippts till och slutligen har delen tillverkats i det riktiga
materialet och monterats på plats. För andra uppgifter som att dra kablar har första
momentet varit att ta reda på vilka kablar som behöver dras, alltså vilka
kopplingar som behöver göras och vilka funktioner i omriktaren som behöver
kopplas in. Därefter har kablar dragits, kontakterats och satts på plats. För att göra
detta behövde lämpliga kablar och kontakter anförskaffas. Kabeldragning
behövde också dokumenteras för eventuell felsökning. Projektet har alltså i mångt
och mycket varit ett handfast arbete.
Till den konstruktionsinriktade första fasen av projektet togs vid ett tillfälle extern
hjälp i anspråk. Företaget Torslanda Moped och Maskin Import AB tillverkade
och svetsade fast fästen för motor och motorstyrning. Övrigt mekaniskt arbete har
gjorts för egen hand på Avdelningen för Elteknik och på ETA – Elektroteknologsektionens
Teletekniska Avdelning.
4

2. Teori för elektriskt drivsystem
Här presenteras teori för de fundamentala eltekniska komponenterna i ett eldrivet
fordon. All teori utom för batterier är sammanställd från boken Elteknik,
Institutionen för Energi och Miljö. Informationen om batterier är sammanställd
från Battery reference book (Crompton, T.R., 2000), Electric vehicle battery
systems (Dhameja, S., 2002) och Faktasidor (Elfa, 2007).
2.1 Asynkronmotorn
Motorns uppgift är att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi som ska
överföras till hjulaxeln. Asynkronmaskinen är en mycket robust konstruktion med
få rörliga delar vilket gjort att den ändvänds till många applikationer. Den är
uppbyggd av ett hus där statorlindningarna, lager och anslutningar är fästa, se
figur 1.
Figur 1. Asynkronmotor i genomskärning med bland annat stator och rotor markerade.
Statorlindningarnas uppgift är att skapa ett magnetfält som roterar runt inuti
motorn. Varvtalet n s på fältet kan beräknas med (1) och ger varvtalet per minut
beroende på frekvensen f och antal polpar p.
n s = 60*f/p (1)
När statorfältet roterar runt rotorn skapas ett motverkande magnetiskt fält ifrån
rotorn som gör att rotorn vill rotera med fältet från statorn. Att motorn kallas
asynkronmotor eller asynkronmaskin beror på att rotorn kommer att rotera något
långsammare än fältet från statorn, alltså är axelns varvtal inte samma som
5

statorfältets varvtal. Detta kallas eftersläpning och beräknas med (2) där n s är det
synkrona varvtalet (statorfältets varvtal) och n är rotorns varvtal.
s = (n s -n)/n s (2)
Hastigheten på statorns fält kan ändras beroende på hur man lindar
statorlindningarna. Ofta talas det om antalet polpar som motorn har, vilket talar
om hur många gånger det synkorna varvtalet har sänkts jämfört med
nätfrekvensen. Eftersläpningen som axeln har i förhållande till statorns fält
varierar beroende på lasten och blir större med ökad last. Även strömmarna i
rotorn blir större med ökad last vilket leder till ökad värmeutvecklig och detta
begränsar hur mycket motorn kan lastas. På grund av asynkronmotorns robusthet
kan den under korta tider lastas mer än vad den kan ge under kontinuerlig drift.
För att kunna räkna på asynkronmotorer brukar ett ekvivalent kopplingsschema
användas. Det är en modell över hur asynkronmotorn fungerar rent elektriskt.
Statorns lindningar gör att asynkronmotorn har en induktiv karakteristik och den
blir alltså strömtrög. Detta utnyttjas när asynkronmotorn styrs med hjälp av
pulsbreddsmodulering. Motorn som används på gokarten har även en enkoder
eller varvtalsgivare som gör att växelriktaren får återkoppling på motorns varvtal
och kan styra den på ett bättre sätt.
2.2 Växelriktare
Som ses i ekvation (1) och (2) finns tre huvudsakliga metoder att reglera varvtalet
på en asynkronmaskin: ändra frekvensen på matande spänning, ändra maskinens
poltal alternativt att ändra eftersläpningen. Att ändra poltal på motorn kräver
direkta ändringar i motorns konstruktion och att ändra eftersläpning ger drastiskt
försämrad verkningsgrad, samt att varvtalsändringen inte kan bli särskilt stor. På
grund av detta är förändring av frekvensen det klart bästa sättet att styra en
asynkronmaskins varvtal. Den kraftelektroniska komponent som används för att
ändra frekvensen på den matande spänningen kallas för växelriktare. Ofta används
en teknik som utnyttjar transistorers förmåga att vara ledande eller icke-ledande.
Denna egenskap utgör grunden för så kallad pulbreddsmodulation (PWM = pulse
width modulation). Enkelt uttryckt ger PWM möjlighet att få medelvärdet av en
spänning över lasten att variera sinusformigt i tiden. På detta sätt kan önskad
växelspänning simuleras för att styra motorn till rätt varvtal.
Vektorstyrning är en styrteknik som använder sig av varvtalsåterkoppling från
motorn och reglerar varvtal och moment. För att få återkoppling från motorn
används en sensor som till exempel en enkoder eller en intern spole. Det går även
att få återkoppling utan sensor, då mäts spänning och ström till motorn, men detta
kräver en bra modell av motorn. Att inte använda en sensor ger oftast ett något
sämre resultat, men duger i de flesta fall eftersom det oftast inte är nödvändigt att
känna till motorns exakta position. Fördelen med vektorstyrning är att motorn kan
6

ha stort moment redan från stillastående till nominellt varvtal. Motorn kan även
köras snabbare än normalt men då minskar vridmomentet, detta på grund av att
spänningen inte kan höjas över märkspänning. Nackdelen med vektorstyrning är
att den är relativt komplicerad att implementera.
En annan teknik kallas skalär styrning och går ut på att styra momentet. Denna
metod använder inte någon återkoppling från motorn utan håller kvoten mellan
spänning och frekvens konstant, vilket gör att flödet och momentet blir konstant.
Att styra en motor på detta sätt gör att det saknas kontroll på varvtalet, vilket
kommer att bero på lasten. Fördelen med skalärstyrning är att det är en mycket
enkel styrmetod.
2.3 Batterier
Batteriernas uppgift är att lagra elektrisk energi på kemisk väg. Kapacitet mäts
oftast med sorten ampèretimmar [Ah] och är ett mått på hur mycket energi som
lagras i batteriet. Det finns många olika typer av batterier med olika egenskaper
och de används därför inom olika områden. När ett batteri laddas matas energi
tillbaka och de kemiska ämnena förändras. Laddningen sker ofta i olika steg och
ser olika ut för olika sorters batterier. Första steget är ofta en kontroll av batteriets
status och hur det reagerar på laddning. I nästa steg tillförs den mesta energin och
batteriet blir nästan fulladdat. För att veta när batteriet börjar nå full kapacitet kan
flera indikatorer används; spänningsfall, ökande temperatur, tid och batteriernas
spänning. De sista stegen i en laddningsprocess är avslutning och
underhållsladdning.
2.3.1 Blybatteri
Blybatterier används ofta där man behöver mycket kraft under kort tid som till
exempel vid start av en bil, men de förekommer också i backupsystem. Denna typ
av batteri är billiga men tunga och fungerar inte så bra vid cyklisk drift.
Uppbyggnaden av varje cell i batteriet består av bly och som elektrolyt används
svavelsyra. Denna blandning av ämnen gör att varje cell får en spänning kring 2
volt men spänningen varierar med laddningen, vilket även syrehalten gör. En del
typer av blybatterier måste placeras upprätta för att inte läcka syra och andra är
förslutna och har elektrolyten i gelform. För att ladda blybatterier används ofta
konstantström på cirka 10% av batteriets kapacitet och när man uppnår en
spänning på 2,3-2,4V per cell går man över till konstant spänning för
underhållsladdning. Om spänningen tillåts fortsätta att öka över rekommenderad
max cellspänning kommer knallgas (en blandning av vätgas och syrgas) att bildas.
I kapslade batterier finns det övertrycksventiler för att inte trycket ska bli för stort.
Alla blybatterier tar mer eller mindre skada av att överladdas.
2.3.2 NiMH/NiCa
MiMH (Nickel-Metall-Hydrid) är en vidareutveckling av NiCa (Nickel-
Kadmium) på grund av att kadmium har stor påverkan på miljön. Kapaciteten är
bättre för NiMH än för NiCa och de har även mindre minneseffekt. De flesta
7

atterier av denna sort är små och används i många konsumentprodukter men det
finns även större batterier. Ett NiMH-batteris elektroder består av nickel och
någon sorts väteabsorberande metall, vilken metall det är varierar i olika batterier.
NiMH är svårare att ladda och kräver mer kontroll än andra batterier. För
långtidsladdning används ofta konstantström på 10% av kapaciteten i 15 timmar.
Snabbladning av NiMH kräver god kontroll och ofta används temperatur- eller
spänningsfallskontroll. När batteriet börjar nå full kapacitet ökar temperaturen
snabbt och spänningen faller något över tiden. Detta beror på att en annan kemisk
reaktion som bildar syrgas startar . Fortsätter laddningen kommer syrgas att läcka
ut och batteriet kommer att förstöras. Cellspänningen i dessa batterier ligger kring
1,2V och när de är fulladdade kring 1,4-1,6V, beroende på temperatur och skick.
2.3.3 Li-jon
Det finns många varianter av litiumjon-batterier. Användandet har ökat och
ersätter NiMH-batterier i konsumentprodukter eftersom de väger mindre och har
större kapacitet. Även för större batteritillämpningar har Li-jon-batterier börjat
användas, till exempel i elbilar. Li-jon-batterier är dyra men minskar i pris med
den ökande användningen. Det högre priset beror på att denna typ av batterier ofta
behöver en inbyggd skyddskrets. Li-jon-batterier kan reagera mycket kraftigt på
mekanisk åverkan, för hög i- och urladdning samt höga temperaturer. I värsta fall
kan de börja brinna nästan explosionsartat. Battericellens elektroder består av
litiumbaserade ämnen och som elektrolyt används olika litiumsalter.
Cellspänningen är cirka 3,7V och det är betydligt högre än många andra batterier.
Laddning av Li-jon sker oftast med kontantström tills cellspänningen når ca 4,2V.
Under urladdning är det viktigt att kontrollera cellspänningen eftersom cellen
kommer att tappa kapacitet då cellspänningen sjunker under 3V.
8

3. Att ta fram en körbar elektrisk gokart
I grund och botten är en eldriven gokart mycket lik en bensindriven. Delar av det
system som fordonet utgör blir dock annorlunda på en eldriven gokart, framför
allt ställs det andra krav på energiförsörjning, instrumentering och säkerhet. Som
energikälla till ett eldrivet fordon används oftast batterier, men andra lösningar
som till exempel bränsleceller och också möjliga. När det gäller instrumentering
är syftet att föraren ska få relevant information om batterier och hastighet.
Säkerhetsanordningarna i sin tur har till uppgift att minimera risken för elektriska
person- och materialskador. En skiss av uppbyggnaden av den gokart som togs
fram i projektet visas i figur 2.
Figur 2. Blockschema över gokartens elementära uppbyggnad.
3.1 Drivsystem
En gokart behöver precis som en vanlig bil en energikälla och en kraftöverföring
därifrån till hjulen. De komponenter som behöver finnas på en eldriven gokart är
motor, batterier, kraftelektronik för att styra motorn, gaspedal samt någon typ av
kraftöverföring till hjulen.
3.1.1 Batterier
Valet av energikälla var gjort förra året och det fanns två NiMH-batterier inköpta,
dessa bestod av vardera fyra enheter. Enheterna var parvis kopplade seriellt och
de två paren var sedan kopplade parallellt, vilket gav en spänning på 48 V och en
kapacitet på 18 Ah per batteri. Tyvärr hade dessa batterier läckt under året och de
var i så dåligt skick att de inte alls gick att köra med. De batterier som därför har
9

använts istället är blybatterier med en kapacitet på 12 Ah. Dessa seriekopplades
fyra och fyra för att få 48 V spänning till omriktaren.
Vid konstruktion av en gokart är det viktigt att beakta fordonets viktfördelning.
Detta är en högst relevant aspekt med tanke på hur viktig väghållningen är för en
gokart. Batterier tenderar att väga ganska mycket och det är därför viktigt att
placera dem på ett för viktfördelningen bra sätt. De batterier som användes till
projektet gokart vägde 15 kg per kluster à fyra batterier. Totala batterivikten blev
alltså 30 kg och batterierna placerades på var sida om föraren, alltså mellan framoch
bakaxel. Detta gjordes för att få en låg tyngdpunkt samt för att få jämn
viktfördelning i sidled. Ett intressant alternativ hade varit att placera batterierna
framför framaxeln, för att väga upp motorns tyngd baktill. Detta var dock inte
möjligt på grund av platsbrist i fronten.
3.1.2 Motor
Den motor som fanns att tillgå heter C.F.R. AM173 och är en trefas
asynkronmotor med en märkeffekt på 6 kW. Motorns märkvarvtal är 2850 r.p.m.
vid 100 Hz. Denna motor är egentligen överdimensionerad, effekten är mer än
tillräcklig för en gokart och vikten på 34 kg är inte till dess fördel. Detta gjorde
det desto viktare att placera den på ett fördelaktigt ställe.
Att tänka på vid placering av en motor på en gokart är att den bör placeras så nära
axeln för det drivande hjulparet som möjligt. Detta är en fördel då det minskar
förlusterna för att överföra kraften från motorn till hjulen. Dessutom bör motorn
placeras så att viktfördelningen inte blir alltför ojämn. I fallet med projektets
gokart blev lösningen att placera motorn bakom bakaxeln. Den sitter då nära
bakaxeln och kraftöverföringen var enkel att lösa med hjälp av en kort kedja från
motorns kugghjul till kedjehjulet på bakaxeln, vilket kan ses i figur 3. Nackdelen
med denna placering är att gokarten blir baktung. Tyvärr fanns ingen annan reell
möjlighet då motorn var för stor för att få plats mellan fram- och bakaxeln.
Bakvikten kompenseras dock till viss del av batteriernas placering i mitten. En
eventuell möjlighet hade varit att placera motorn till höger om föraren men då
hade det krävts en mekanisk vinkelväxel, samt att batterierna inte hade blivit
symmetriskt placerade.
10

Figur 3. Gokartens motor och kedjan till bakaxeln.
En annan viktig sak att ta hänsyn till vid montering av en motor är att den ska sitta
ordentligt fast i chassit. Vid acceleration belastas motorns infästning kraftigt och
därför krävs ett ordentligt fäste som håller för krafterna det utsätts för. På den
aktuella gokarten behövde en förlängning göras baktill med järnstag för att kunna
fästa motorn. Detta resulterade i lite extra vikt men fästet håller utan problem för
påfrestningen från motorn.
3.1.3 Kraftöverföring
Vid konstruktion av kraftöverföringen från motorn till hjulaxeln är det viktigt att
välja en konstruktion som ger små förluster och har tillräcklig hållfasthet, samt att
bestämma en lämplig utväxling för fordonet. Primärt finns två alternativ för att
koppla motorn till hjulaxeln, antingen via kugghjul och en kedja, eller med en
rem. Nackdelen med en kedja är att det är en tyngre konstruktion, men den kan å
andra sidan tåla större påfrestningar. På gokarten fanns från början ett kedjehjul
på bakaxeln, samt ett på motorn. Detta gjorde det naturligt att välja en lösning
med kedjedrift eftersom det fanns goda förutsättningar för det.
Vid bestämning av utväxlingen behöver en avvägning mellan acceleration och
topphastighet göras. Gokartar saknar i allmänhet växellåda och för en eldriven
gokart finns det inget egentligt behov av en växellåda eftersom en frekvensstyrd
asynkronmotor ger ett vridmoment nära det maximala, oberoende av motorns
varvtal. Utväxlingen bestäms därmed enbart av storleken på de kugghjul som
sitter på motor och hjulaxel. Några enkla beräkningar (se appendix A) visade att
en utväxling på 2,5:1 skulle ge en topphastighet på ca 60 km/h, vilket ansågs vara
ett lämpligt val. Det visade sig också att kedjehjulet från förra årets barn-kart gav
en utväxling på 2,39:1. Detta passade bra och dessutom sparades tid på att
använda det befintliga kedjehjulet.
11

3.1.4 Gasreglage
En elektrisk gokart ger möjlighet att använda okonventionella konstruktioner som
gasreglage, till exempel skulle ett styrbart motstånd (potentiometer) på ratten
kunna fungera som gas. För att främja enkelheten i körningen kan det dock vara
bättre att använda gokartens befintliga gaspedal, så gjordes även på gokarten i
projektet. Den vanliga gaspedalen kopplades till en elektronisk gaspedal med
hjälp av en vajer, vilken i sin tur ger insignal till omriktaren. En fördel med den
elektroniska gaspedalen är att det är en robust konstruktion och då undviks
problem som skulle kunna uppstå med en fritt liggande potentiometer.
3.1.5 Motorstyrning
Ett eldrivet fordon behöver någon typ av motorstyrning för att reglera motorns
hastighet. Till detta används lämpligen en så kallad omriktare för frekvensstyrning
av motorn (se avsnitt 2.2). Omriktaren är hjärnan i gokartens elektriska
drivsystem och är den enhet som tar emot signal från gaspedalen, styr strömmen
till och från batterierna, reglerar motorn och övervakar driften säkerhetsmässigt.
Lämpligt är att välja en omriktare med frekvensstyrning och inställningsmöjligheter
för acceleration och inbromsning, samt gärna också säkerhetsfunktioner
såsom temperaturövervakning och överströmsskydd. Omriktaren är
också den enhet som ger signal för att sluta reläet som kopplar in batterierna till
drift.
Omriktaren bör placeras i närheten av motor och batterier för att minimera
längden på de högströmskablar som behöver dras. Omriktaren behöver även viss
ventilation för att få tillräcklig kylning. Omriktaren på den avsedda gokarten
placerades ovanför och framför bakaxeln, vinklad för att följa sätets form, se figur
4. Därifrån räckte det med relativt korta kablar till motor, batterier och gaspedal
vilket gjorde uppkopplingen mer lätthanterlig.
Figur 4. Gokartens omriktare såsom den placerades bakom sätet.
12

3.2 Instrumentering
Vid körning av ett eldrivet fordon finns ett antal saker som är intressanta att mäta
och få uppgift om. I figur 5 visas den instrumentpanel som monterades under
ratten på denna gokart med bland annat instrument för mätning av spänning och
ström. Hastighetsmätningen gjordes med en cykeldator som monterades uppe på
ratten. Utöver befintliga instrument skulle det även kunna vara av intresse att mäta
varvtal, effekt och motortemperatur och visa dessa värden på panelen.
Figur 5. Gokartens instrumentpanel med instrument för mätning av batteriernas spänningsnivå (2)
och strömuttaget ur dem (5). Dessutom syns startnyckel (4), nödstopp (7), riktningsväljare (1),
säkring (6) och indikatorlampa för tillkopplad spänning (3).
3.2.1 Mätning av elektriska storheter
Vid batteridrift av ett fordon är det naturligt att vilja veta hur spänningsnivån är i
batterierna. Spänningsnivån är inte liktydig med kapaciteten som finns kvar i
batterierna men ger en god uppskattning av den, och spänningen är väldigt enkel
att mäta med en voltmeter.
En annan intressant storhet att mäta är strömmen från batterierna till omriktaren.
Detta kan till exempel göras genom att koppla ett shuntmotstånd i serie med
batterierna. Shuntmotståndet ger ett mycket litet spänningsfall som varierar
beroende på strömmens storlek. Detta spänningsfall kan mätas med en voltmeter
och ge motsvarande ström, alternativt kan en strömsensor som utnyttjar
Halleffekten användas.
13

3.2.2 Mätning av icke-elektriska storheter
Det mest naturliga att mäta på ett motordrivet fordon är förmodligen hastigheten,
vilket kan göras på olika sätt. I projektet valdes lösningen att montera en
cykeldator på gokarten för att mäta hjulens varvtal. En fördel med att använda en
cykeldator är att den är tillverkad för denna typ av mätning, fast på en cykel, och
det behövs inga extra omräkningar för att få ut hastighet, cykeldatorn sköter det
mesta själv. En nackdel är den mätosäkerhet som finns i cykeldatorns sensor.
Som nämnts ovan är omriktaren hjärnan i det elektriska systemet på gokarten för
styrningen av motorn. För att göra detta behöver omriktaren få information från
motorn om dess momentana varvtal. Detta görs genom en inbyggd varvtalsgivare
i motorn som återkopplar motorns varvtal till omriktaren och möjliggör
frekvensstyrningen. Utöver detta finns det även temperaturgivare i motorn och ett
automatiskt säkerhetssystem i omriktaren som minskar strömmen till motorn om
dess temperatur överstiger 150 grader.
3.2.3 Reglage för kontroll av gokarten
En eldriven gokart ger möjlighet till mer eller mindre nödvändiga funktioner som
en bensindriven gokart inte har. En sådan funktion som har implementerats på
gokarten är möjlighet att backa (alltså utan traditionell växellåda), asynkronmotorn
gör ingen skillnad på framåt- eller bakåtdrift. För att styra detta
monterades en riktningsbrytare på instrumentpanelen. Dessutom implementerades
även ett nödstopp för att kunna bryta reläet om något fel uppstår, samt en säkring,
som dock bara skyddar styrkretsarna i omriktaren.
3.3 Säkerhet
I stycket ovan har det beskrivits ett par funktioner som relaterar till säkerheten,
närmare bestämt temperaturkontrollen, nödstoppet och säkringen. Utöver dessa
finns ett par andra viktiga säkerhetsanordningar att implementera på en gokart, en
sådan sak är huvudbrytare för batterierna. Normalt sett ska den startnyckel som
monterades på instrumentpanelen bryta spänningen till omriktaren, men det är
ändå viktigt att fysiskt kunna koppla ur varje batteri om det skulle uppstå
allvarliga fel eller bara för att underlätta batteribyte. På projektets gokart har det
därför monterats en huvudbrytare direkt efter varje batteri så att batterierna kan
kopplas ur var för sig.
Slutligen är det bra att ha ett skydd för kedjan eller den mekaniska kraftöverföring
man har valt mellan motorn och drivande hjulaxel. En väldimensionerad kedja bör
aldrig gå av men för att skydda sig mot en olycka är det viktigt att ha ett rejält
kedjeskydd som täcker så stor del av kedjan som möjligt. Till denna gokart
tillverkades ett skydd i aluminium som täcker kedjan och kedjehjulet, se figur 6.
14

Figur 6. Kedjeskyddet på gokarten täcker hela kedjan för att förhindra skada vid eventuellt
kedjebrott.
4. Konfiguration av motorstyrning
När projektet började satt omriktare och motor monterade på barnkarten. Alltså
fanns redan från start ett fungerande val av omriktarens funktioner.
Motorstyrningen ACE2 är primärt avsedd för industritruckar eller andra
arbetsfordon. Förra årets projektgrupp gjorde ett val för att bestämma vilka
funktioner som skulle kopplas in för gokartdrift. Dessa val har bearbetats och
ändrats i årets projekt. Noteras bör att det finns en viktig skillnad mellan
omriktarens funktioner. Dels finns det de funktioner som måste kopplas in rent
fysiskt genom en egen sladd i det mångpoliga kontaktdonet på omriktaren, se
figur 7. Dels finns de funktioner som enbart är mjukvaruinställningar. Dessa
funktioner konfigureras med hjälp av en programmeringsdosa till omriktaren.
Figur 7. Anslutningen av signalkablar till omriktaren
15

4.1 Funktioner med fysisk anslutning
Det kompletta kopplingsschemat för omriktaren och gokarten, som resultatet blev
i detta projekt, kan ses i figur 8.
Figur 8. Kopplingsschema för gokartens elektriska drivsystem inklusive instrumentering och reglage
De in- och utgångar som har använts i projektet är följande:
A1 gör att omriktaren får ström genom nyckelbrytaren för att kunna slå till
reläet (A16). När reläet sedan är tillslaget får omriktaren ström till
kraftelektroniken för att kunna driva motorn. A1 sitter i serie med en
säkring för att förhindra skador vi eventuell kortslutning, samt med en
lampa för att indikera när matningsspänningen är inkopplad.
A2, A3 och A9 tar hand om signaler från potentiometern i gaspedalen. A2
är positiv referensspänning, A3 är styrsignalen från potentiometern och A9
är negativ referensspänning.
A4 och A5 är ingångar för drift framåt respektive bakåt. Dessa båda är
kopplade till den interna brytare i gaspedalen som ger signal för drift när
pedalen trycks ner. Riktningsbrytaren avgör sedan om gokarten går framåt
eller bakåt.
16

A6 är en säkerhetsfunktion som ska avgöra om föraren sitter i gokarten
eller inte. Men denna funktion är inte implementerad och A6 är kopplad
direkt till A9 och därmed till negativ batterispänning, eftersom omriktaren
kräver att den ska vara inkopplad.
A7, A8, A14 och A15 hanterar återkopplingen till motorn. A7 är signal
från enkoderns (varvtalsgivarens) fas A och A14 signal från fas B. A8 är
positiv spänningsmatning till enkoder, och A15 negativ matning (jord).
A11 är en säkerhetsfunktion som ska bryta reläet och slå ifrån batterierna
om något går fel. Då denna funktion inte används är den alltid kopplad till
negativ batterispänning för att omriktaren kräver att ingången är aktiv.
A16 och A17 styr reläet. De ger spänning till spolen som kopplar in
kraftelektroniken i omriktaren.
A18 ska egentligen vara kopplad till ett relä för en elektromekanisk broms.
Denna är dock inte implementerad utan simuleras enbart med hjälp av ett
10k-ohms motstånd.
A22 och A23 hanterar signal från temperaturgivaren i motorn.
I sitt kompletta utförande inkluderar omriktaren 23 inkopplade funktioner, A1 till
A23. Som ses i figur 8 saknas det ett antal av dessa, nämligen:
A10 har liknande funktion som A3 fast för bromspedal.
A12, A20 och A21 är anslutningar för CAN-bus (Controller Area
Network) för att kunna koppla in extern utrustning via ett CAN-nätverk.
A13 är en ingång för handbroms.
A19 är en utgång för backvarnare.
Med ovanstående konfiguration fungerade gokarten bra. A10 och A13 har inte
implementerats eftersom omriktaren mycket effektivt motorbromsar automatiskt
direkt när man släpper gasen. Dessutom har gokarten hydrauliska skivbromsar.
A19 var ej relevant och CAN-nätverket har inte implementerats eftersom det
primära projektmålet var att ta fram en körbar gokart, och då behövdes det inte.
4.2 Startsekvensen
För att alls få ström till motorn kräver omriktaren att vissa funktioner är
inkopplade. När startnyckeln vrids om kopplas lampan in och omriktaren
spänningssätts via ingång A1. Efter en kort tid slår omriktaren till reläet och
omriktaren får full batterispänning för att driva motorn. Nu är gokarten körklar
och man kan välja fram eller back med riktningsbrytaren. För att köra iväg trycker
man på gaspedalen och omriktaren börjar mata motorn. Gaspedalen styr
hastigheten oberoende av belastningen på motorn. Detta kallas varvtalsreglerad
drift och innebär att ett specifikt läge på gaspedalen motsvarar ett specifikt varvtal
på motorn. Detta kan jämföras med ett fordon som har förbränningsmotor där man
snarare styr effekten som motorn genererar.
17

4.3 Funktioner i mjukvaran
Omriktaren Zapi ACE2 har mångtaliga inställningsmöjligheter för styrning av
motor, för en fullständig beskrivning se manualen (Zapi, 2007). I detta
kandidatarbete har de inställningar som tydligast påverkar köregenskaper och
prestanda testats. Konfigurering av dessa parametrar har gjorts för att hitta en
lämplig kombination mellan prestanda och drifttid. Förutom de inställningsbara
parametrarna finns en testfunktion som visar aktuella data för motorn, till exempel
spänning, ström, frekvens och temperatur.
Under menyn ”Adjustments”:
MAIN CONT V. RID bestämmer den spänning som ges till reläet för att
fortsätta hålla det tillslaget när det väl slagit till. Denna ställdes till 40%
(alltså 19,2V) för att minska den passiva strömförbrukningen och
värmeutvecklingen i reläet. En inställning på 20% provades också men då
var det precis på gränsen att reläet hölls slutet. Dessutom uppstod ett
otrevligt högfrekvent pip vilket gjorde denna inställning ofördelaktig.
Under menyn ”Parameter change”:
ACCELERATION 0 styr motorns acceleration från stillastående upp till
ACC PROF. FREQ 1. Alla accelerations- och bromsparametrar anges i
sekunder och relaterar till den tid det skulle ta att accelerera från 0 till 100
Hz (alternativt bromsa från 100 till 0 Hz) med just den inställningen.
Följaktligen blir lågt ställd parameter lika med snabb acceleration eller
inbromsning. ACCELERATION 0 ställdes till 6,0 s efter körtester. Denna
inställning gjorde att gokartens acceleration upplevdes som ”snabb” men
samtidigt var den inte för ryckig utan det gick att hålla en låg konstant
hastighet.
INV. ACCEL 0 bestämmer accelerationen från stillastående efter byte av
körriktning. Denna parameter valdes till 10,0 s eftersom det då inte utgör
någon risk att ofrivilligt komma åt riktningsställaren. Gokarten blir inte
ryckig och dessutom fanns inget behov av att ögonblickligen kunna byta
körriktning med maximal acceleration.
ACCELERATION 1, 2 och 3 anger hur motorn ska accelerera från
motsvarande ACC PROF. FREQ 1, 2 eller 3 upp till nästa gräns.
ACCELERATION 2 anger alltså accelerationen från ACC PROF. FREQ 2
till ACC PROF. FREQ 3. ACCELERATION 3 anger i sin tur
accelerationen från ACC PROF. FREQ 3 upp till maxhastighet.
ACCELERATION 1, 2 och 3 ställdes till 4,5 s, 4,5 s respektive 4,0 s.
Detta gjordes för att gokarten skulle få en bra acceleration utan att vara
alltför ryckig i körstilen.
ACC PROF. FREQ 1, 2 och 3 anges i hertz och är frekvensgränser för de
olika accelerationsintervallen. Dessa parametrar valdes till 10 Hz, 20 Hz
respektive 40 Hz vilket fungerade bra i de körtester som utfördes.
18

RELEASE BREAKING. Denna inställning anges i sekunder och
bestämmer hur lång tid det tar att motorbromsa från 100 Hz till
stillastående. Inbyggt i omriktaren finns en automatisk regenerativ
bromsfunktion (alltså att motorn används som en generator när fordonet
bromsar och således laddar batterierna en kort stund). Denna funktion är
på ett sätt fördelaktig, men parametern ställdes ändå till max, 10 s, för att
minska motorbromsningen så mycket som möjligt och göra gokarten mer
lik en ”vanlig” bensindriven kart i körsättet.
MAX SPEED FORW är maximal hastighet vid framåtdrift. Ställdes till
100 Hz eftersom en gokart ska kunna gå relativt snabbt, men det fanns inte
behov att ställa den högre än 100 Hz, vilket dessutom hade gett
fältförsvagning.
MAX SPEED BACK är maximal hastighet vid backning. Denna ställdes
till 8 Hz eftersom det inte fanns behov att kunna back särskilt snabbt.
FREQUENCY CREEP bestämmer minsta möjliga hastighet i någon
riktning. 0,60 Hz ansågs vara ett lämpligt värde för långsammaste möjliga
krypkörning.
MAXIMUM CURRENT bestämmer maximala strömmen som omriktaren
matar motorn med. Denna anges i procent av omriktarens maximala ström
och parametern ställdes till 70% vilket efter testkörning verkade vara en
passande avvägning mellan drifttid och prestanda.
Under ”Program VACC”:
Nödvändig programmering av gaspedalens minimala och maximala utslag
för att ställa in det intervall i vilket gaspedalen ger signal till omriktaren.
19

5. Körtest av gokarten
Det bästa sättet att prova en gokart och dess prestanda är naturligtvis att köra på
en bana avsedd för gokartar. Om detta görs finns möjlighet att konkret testa
väghållning, styrning och acceleration. En intressant aspekt med en eldriven
gokart är att jämföra den med bensindrivna gokartar. För att göra en sådan
jämförelse rättvis behöver dock någon typ av standard för motoreffekt och rent
fordonsteknisk utrusning följas för både den eldrivna och den bensindrivna
gokarten. Eventuellt kan det också vara lämplig att bestämma en maximal kostnad
för fordonet eftersom en obegränsad budget skulle göra jämförelsen direkt
missvisande.
För den gokart som byggts i projektet har det tyvärr inte funnits möjlighet att testa
den på bana. Provkörning har istället ägt rum i närheten av Chalmers, på
parkeringsplatsen mellan V-huset och Skeppsrännan samt på raksträckan utanför
Chalmers Teknikpark. Dessa platser har naturligtvis begränsat möjligheten att se
hur gokarten beter sig under tävlingslika förhållanden. Det är positivt att det har
gått bra att testa acceleration och topphastighet, men tyvärr har det inte gått lika
bra att testa väghållningen på grund av utrymmesbrist.
6. Resultat – den färdiga gokartens konstruktion och prestanda
Projektets primära resultat är att gokarten går att köra. Alla mekaniska
komponenter är på plats och fungerar. Det elektriska drivsystemet har
implementerats och fungerar bra. Sammantaget är gokarten fullt körduglig och
upplevs till och med som rolig att köra!
Sett till gokartens konstruktion har projektet uppnått målen. Chassit som från
början inte var mycket mer än en stålram, däck, ratt och säte har byggts om till en
eldriven gokart med bra prestanda. Motorn monterades tillfredställande baktill på
chassit och batterier och omriktare monterades även de på ett funktionellt sätt. Det
elektriska gasreglaget har integrerats med chassits fysiska gaspedal och en
instrumentpanel med relevanta visare och reglage har konstruerats. Säkerhetsfunktioner
såsom kedjeskydd och huvudbrytare till batterierna sitter också på
plats. Slutligen kopplas alla elektriska komponenter ihop med kablar som är
snyggt och praktiskt dragna. Konstruktionsmässigt är alltså resultatet som önskat.
Den andra delen av projektet som beskrivet i metodavsnittet var att konfigurera
omriktaren enligt önskad prestanda och funktionalitet. Detta har också
åstadkommits efter ett antal testkörningar för att prova inställningarna. De
parametrar som reglerar acceleration och motorbroms är de som har behandlats
mest utförligt. Till slut konstaterades att de inställningar som presenterades under
avsnitt 4.3 fungerar bra och ger fullgod prestanda med godkänd drifttid.
20

I tabell 1 ges en översiktlig presentation av några av de testsessioner som utfördes
med gokarten. Drifttiden räknas som den tid gokarten har rullat, från fulladdade
batterier tills batterispänningen sjunkit så mycket att reläet har slagit ifrån vid
acceleration. Det har alltså fortfarande gått att köra gokarten långsamt då det inte
kräver lika mycket ström från batterierna. Noteras bör att de olika sessionerna inte
är direkt jämförbara då körsättet varierat mellan gångerna. De olika
testkörningarna har bestått av hastighets- och accelerationstest samt allmän
körning för att prova styrförmågan och få erfarenhet av hur gokarten uppför sig.
Data i tabellen ger en uppskattning om till exempel gokartens genomsnittliga
körtid, men ska inte ses som garanterade värden som alltid kan uppnås. Siffrorna
skulle säkerligen ändras vid jämnare körstil för att till exempel uppnå längsta
möjliga körsträcka på en batteriladdning.
Tabell 1. Data från tre olika testsessioner med gokarten. Uppgifterna är inte jämförbara rakt av
utan ska ses som en uppskattning av dess prestanda
Sträcka [km] Tid [min] Maxhastighet [km/h]
3,43 20 49,1
2,48 16 40,1
4,67 24 58,9
Under den tredje testkörningen gjordes tillfälligt en ändring i omriktarens
inställningar och parametern MAX SPEED FORW sattes till 125 Hz. Vid denna
inställning uppnåddes en maxhastighet på 60,7 km/h, dock begränsad av
raksträckans längd där testkörningen ägde rum.
Förutom de resultat som redovisats i tabell 1 gjordes även ett antal försök att
uppnå minimal tid över en sträcka på 30 m, från stillastående start. Vid dessa
tester uppmättes en tid på ca 5 sekunder inklusive reaktionstid. Dock gjordes
mätningarna för hand vilket medför en relativt stor osäkerhet.
21

7. Diskussion
Resultaten såsom presenterade ovan är i mångt och mycket i enlighet med det
förväntade. Gokartens konstruktion blev lyckad även om dess styrförmåga och
väghållning inte blev så bra som kan krävas av en gokart. Detta beror i huvudsak
på att gokarten är baktung då motorn är placerad bakom bakaxeln. I allmänhet
fungerar gokarten ändå mycket bra att köra och komponenter och kablar har
monterats och fästs så att projektets viktigaste syfte är uppfyllt, gokarten är
körbar. Ett av de problem som identifierades vid projektets början var att flytta
komponenterna från barn-kartens chassi till det större chassi som fanns tillgängligt
för detta projekt. Konstateras kan att det gick bra att flytta komponenterna och
även att inkludera nya mätinstrument i systemet.
Enligt avsnitt 3.1.3 ger en frekvensreglerad asynkronmotor nära maximalt
vridmoment oberoende av motorns frekvens. Detta har dock inte riktigt kunnat
observeras i verkligheten. Gokarten accelererar väldigt snabb (ett par sekunder)
upp till ca 40 km/h, men sedan går den fortsatta hastighetsökningen betydligt
långsammare. Detta kan bero på att de nuvarande blybatterierna begränsar
strömmen till motorn, eller på den i omriktaren inställda strömbegränsningen.
Ett annat problem som behövde lösas inom ramarna för projektet var att förstå
omriktaren och dess funktioner för att kunna konfigurera gokarten enligt önskad
prestanda. Resultatet visar att konfigureringen gått bra och omriktaren styr motorn
på ett tillfredsställande sätt. Tyvärr har arbetet med omriktaren inte gett några
fördjupade teoretiska kunskaper kring växelriktare. Projektgruppens medlemmar
har lärt sig mer om vad en omriktare kan göra och hur den fungerar i verkligheten,
men de bakomliggande teoretiska kunskaperna behöver bli mer ingående.
I anknytning till projektets metod kan sägas att den har gett ett bra resultat. Det
var bra att först göra en modell av de fästen och skydd som skulle tillverkas. För
ytterligare effektivitet i den konstruktionsmässiga fasen hade dock en tydligare
uppdelning av arbetsuppgifterna kunnat göras. Konfigurationen av omriktaren har
också gått bra att genomföra som en iterativ process där nya inställningar har
provats i verkligheten.
22

8. Förslag till förbättringar
Även om gokarten fungerar finns det många saker som skulle kunna förbättras
eller göras annorlunda. Sett till vad som skulle göra gokarten snabbare i tävlingar
är det viktigaste att förbättra väghållningen och styrförmågan.
Den bristfälla väghållningen beror i huvudsak på den ojämna viktfördelningen och
den stela bakaxeln. Det förstnämna skulle kunna motverkas genom att använda en
mindre motor. Den befintliga motorn kan ge en kontinuerlig effekt på 6 kW och
under kortare perioder kan den ge ytterligare effekt, vilket är mer än tillräckligt.
Att använda en mindre motor skulle kunna minska vikten men ändock ge fullgod
effekt. För att avhjälpa den stela bakaxeln finns två olika lösningar, antingen att
montera en differential eller att använda separata motorer till de drivande hjulen.
Om detta gjordes skulle det ge möjlighet för hjulen att rulla olika lång sträcka i
kurvor. Nackdelen med två separata motorer är att det förmodligen blir dyrare
eftersom det även behövs två omriktare samt en sensor för att känna av
rattutslaget. Nackdelen med den enklare lösningen att använda en differential är
att om innerhjulet lyfter i en kurva kommer det att rulla fritt och ta kraft från
hjulet som har markkontakt, därför vore det önskvärt att även ha ett
antispinnsystem i detta fall.
En tydligt begränsande faktor för ett eldrivet fordon är dess batterier. De
blybatterier som används på gokarten idag är tunga och det finns alternativ som
har klart bättre kapacitet. Användandet av Li-jon-batterier som både har högre
kapacitet och kan ge högre ström skulle förbättra både acceleration och drifttid.
En annan sak som skulle förbättra gokartens prestanda för eventuella tävlingar är
att använda en omriktare som är avsedd för snabbare fordon än truckar och andra
arbetsfordon. Den främsta fördelen med att använda en sådan skulle vara att
gokartens nu kraftiga motorbromsning skulle kunna minskas. I och för sig skulle i
så fall den regenerativa bromsverkan minska vilket ju inte enbart är positivt. Den
bästa varianten vore att använda en omriktare som tillåter att motorn rullar fritt
när gaspedalen släpps upp. Vid ett lättare tryck på bromspedalen skulle sedan
motorbromsen kopplas in, och vid ett kraftigare tryck skulle motorbromsen och de
hydrauliska bromsarna samverka. Detta torde ge en, för en eldriven gokart,
utmärkt kombination av fart, bromsverkan och energieffektivitet.
Slutligen finns det vissa säkerhetsaspekter som vore bra att arbeta vidare med. I
sitt nuvarande skick har gokarten ett flertal öppna ledande ytor som naturligtvis
skulle vara bra att isolera. Ett överströmsskydd för respektive batteri skulle
minska risken för skador vid en eventuell kortslutning. Det nuvarande nödstoppet
skulle också kunna förbättras så att gokarten bromsar in när nödstoppet trycks ner,
vilket inte sker i dagsläget.
23

9. Slutsatser
En slutsats som kan dras från detta projekt är att ett chassi från en bensindriven
gokart duger bra som utgångspunkt för att konstruera ett eldrivet fordon. Det
krävs inte heller några ovanliga eltekniska komponenter för att få eldriften att
fungera. Värt att tänka på är vinsten med att dra kablar ordentligt, att göra dem
lagom långa och samla dem i en kabelstrumpa underlättar eftersom det inte blir
några löst hängande kablar. För en eldriven gokart är det också speciellt viktigt att
konfigurera motorstyrningen korrekt. Om inte detta görs spelar det ingen roll hur
bra konstruktionen är i övrigt, eftersom omriktaren explicit styr motorns
prestanda. Därtill är det givande att mäta elektriska parametrar för att kunna
övervaka gokarten vid drift.
Om målet är att konstruera en tävlingsgokart är det nödvändigt att förbättra
väghållningen genom att använda en differential för drivande hjulaxel, alternativt
att använda separata motorer för de drivande hjulen. Detta har egentligen inget
med eldriften att göra utan är ett problem för alla gokartar. Dock ger eldriften
intressanta möjligheter att lösa problemet genom användning av separata motorer.
I detta sammanhang blir även placeringen av tunga komponenter som motor och
batterier viktig, vilka bör placeras så att viktfördelningen centreras mellan
gokartens hjulaxlar.
Slutligen kan sägas att, precis som i elbilens barndom för drygt 100 år sedan, så är
batterikapaciteten ett avgörande problem. För en gokart räcker 15-20 minuters
drifttid, men om det ska köras flera tävlingsomgångar blir batterikapaciteten en
begränsande faktor.
24

10. Litteraturförteckning
Alhashimi, M., Andersson, C., Klang, K., & Madorski, R. (2009). Framtagning
av en elektrisk driven gokart. Utbyte av drivsystem från bensindrivet till eldrivet
system. Göteborg: Chalmers Tekniska Högskola.
Crompton, T. (2000). Battery reference book. Oxford: Newnes, 108-129.
Dhameja, S. (2002). Electric vehicle battery systems. Boston: Newnes.
Elfa AB. (2007). Faktasidor. Hämtat 2010-05-13 från
https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_STATIC/sv/pdf/fakta.pdf
Institutionen för Energi och Miljö. Elteknik. Göteborg: Chalmers Tekniska
Högskola, 86-134, 160-164.
Westbrook, M. H. (2001). The Electric Car: Development and Future of Battery,
Hybrid and Fuel-Cell Cars. London: Institution of Electrical Engineers.
Zapi. (1975-2007). ZAPI ACE2 350-450 INVERTER. User Manual . Zapi S.p.A.
25

11. Appendix A
MatLab-kod för att räkna ut moment och hastighet för gokarten.
Pn=6000;
wn=2850/60*2*pi;
Vaxel=2.5;
M=200;
Tmotor=Pn/wn
Thjul=Tmotor*Vaxel
Ohjul=0.87;
Rhjul=Ohjul/(2*pi);
Fhjul=Thjul/Rhjul
Vmax=2850/Vaxel/60*Ohjul
Vmax=2850/Vaxel/60*Ohjul*3.6
% märkeffekt [W]
% vinkelhastighet [rad/s]
% växelförhållande
% massa [kg]
% moment på motor [Nm]
% moment på hjulaxel [Nm]
% omkrets hjul [m]
% radie hjul [m]
% kraft på hjul [N]
% hastighet [m/s]
% hastighet [km/h]
26