Bilvärmartillverkaren Calix AB i Eskilstuna står inför en mycket stor förändring. Traditionella produkter duger inte för elhybrider och el-bilar. Nya produkter, med helt ny typ av elektronik för höga spänningar och strömmar måste utvecklas. Inte nog med att det krävs stora effekter som skall styras för kupévärmen – även batterierna måste värmas!

Anders Rosendahl är utvecklingschef vid Calix AB och berättar:
– För elbilar och elhybridbilar finns två nya behov: dels uppvärmning av kupén, dels uppvärmning av batterierna.
I fordon med förbränningsmotorer används motorvärmarna för att värma upp antingen kylvattnet, eller motoroljan för att göra den mera lättflytande.
För el-bilar och elhybrider handlar det om nya problem. Batterikapaciteten sjunker drastiskt med temperaturen. Att det gäller vet vi alla från erfarenheter från traditionella blybatterier. Tyvärr är tendensen ännu mer markant för litium-jonbatterier! Så det finns starka skäl till att värma upp det när det exempelvis är 20°C kallt ute. Batteriet ger sin bästa kapacitet om det håller temperaturen 35°C, ± 3°C.
– Vi har sett ett exempel på en hybridbuss från Volvo. Dess batteri levererade 120 kW vid 33°C, en fjärdedel så mycket vid +10°C och vid -10°C levererade det ingen ström alls!
Det betyder att det är nödvändigt att på något vis ha möjlighet att värma upp batteriet i fordon som körs på vår breddgrad.

Mikael Joki, EEPAB, och Anders Rosendahl, Calix, ses här framför en   testrigg för högspänningsprodukter. Här kan man testa vid olika flöden, matningsspänningar mm. För att testa i varierande temperatur finns ett kylrum som kan skapa -40°C.

I elbilar tillkommer problemet att få tillräcklig värme i kupén under körning vintertid. Det problemet har för övrigt börjat ge sig till känna i takt med att verkningsgraden i förbränningsmotorer höjts i väsentlig grad. Och syftet med en hybridbil är ju att minska bränsleförbrukningen, vilket leder till minskad spillvärme för uppvärmning av kupén och batteriet.

Hög spänning
Traditionella motorvärmare är avsedda för anslutning till 230 V elnät. I en elbil finns dock ett behov av en värmare som arbetar under färd, vilket ger nya förutsättningar.
I bilar med förbränningsmotorer är den nominella batterispänningen fortfarande 12 V, men i elbilar ligger batterispänningen från 350 V och i vissa fall på 700 V, eller ända upp till 1000 V. Eftersom värmarsystemet, för batteri och kupé, skall fungera under fordonets drift betyder det helt nya krav på den elektronik som skall anpassas till spänningskällan.
– Ett problem är att det idag ännu inte finns någon standard att rätta sig efter, säger Anders Rosendahl.
Den enda form av standardisering som idag gäller är att de ledningar som för dessa höga spänningar skall ha orange färg! Å andra sidan är färgen orange inte definierad  vilket ger stora avvikelser om man jämför olika tillverkares produkter. Längre än så har man alltså inte hunnit i standardiseringsarbetet.

MINST och MDH
Calix genomförde under hösten 2009 och första kvartalet 2010 tillsammans med minST och Mälardalens högskola en kompetenshöjning och teknikstudie i program som berör underleverantörer inom fordonsindustrin. Syftet, förutom att höja kompetensen, var att samla fakta inför en systemspecifikation av värmare med en distribuerad elektronikenhet för el- och hybridfordon. Arbetet utmynnade i en specifikation och projektplan för den distribuerade och CAN-bussbaserade enhet som ska kunna temperaturreglera vattnet i värmaren för såväl kupé som batteripaket i el- och hybridbilar.

Uppdrag till EEPAB
– Det handlar om helt nya typer av konstruktioner med de krav som ställs, säger Mikael Joki. Nu handlar det om hög likspänning och höga strömmar.
Han drivet företaget Eskilstuna ElektronikPartner AB, EEPAB, som både utvecklar och producerar elektronik och liksom Calix är beläget i Eskilstuna.

System BEV, Battery Electric Vehicle,  är avsedd för klimatanläggning i elbilar och elbilshybrider. Den värmer kylvattnet i tre steg: 1, 2 eller 3 kW, alternativt 1, 3 eller 4,5 kW.

Avtalet mellan Calix och EEPAB slöts i slutet av förra året.
För att bana väg för nya elektronikkonstruktioner, med helt nya förutsättningar, har EEPAB sedan många år ett samarbete med forskningsprogrammet minST vid Mälardalens Högskola (MDH). En fortsättning på det programmet, minST innovation, startades nyligen.
– Calix är ett exempel på hur vi i minST arbetat med ett företag där fortsättningen blivit en produkt – och då i samarbete med EEPAB detta fall. Samarbetet fortsätter också i minST Innovation, säger Anders Martinsen som är projektledare för detta program.
Mikael Joki berättar att minST finansierade förstudier av projektet.
– Det har varit värdefullt och har lett till att vi snabbare kunde komma till beslut avseende de tekniska lösningarna.
Anders Rosendal berättar att Calix under ett decennium varit i kontakt med minST och deltagit i dess seminarier och träffar. Calix har bland annat använt minST som ett ”bollplank”, dvs som koordinator i samarbetet med under- och utvecklingsleverantörer av elektroniken. För två år sedan hölls ett sådant seminarium hos EEPAB med temat högströms mönsterkort med extremt tjock koppar.
– Då förstod jag att detta kunde vara något för våra system och vi började diskutera samarbete med EEPAB, säger Anders Rosendahl.

Höga effekter
Trots höga spänningar handlar det om att utveckla lösningar som kan styra stora effekter.

System CCF, Calix Controll Fluid Heater är PWM-reglerad och hanterar effekter upp till 6 kW. Styrningen görs via LIN- eller CAN-buss.

Det handlar om två lösningar:
* System BEV, Battery Electric Vehicle. Denna enhet är avsedd för klimatanläggning i elbilar och elbilshybrider. Den värmer kylvattnet i tre steg: 1, 2 eller 3 kW, alternativt 1,5, 3 eller 4,5 kW och drivs av nominella batterispänningen 355 V.
– Men det kan bli fråga om spänningar mellan 300 – 600 V beroende av vilken bil enheten skall monteras i. Produkterna blir unika för olika biltillverkare, säger Anders Rosendahl.
* System CCF, Calix Controll Fluid Heater är det mest avancerade av de två. Det är PWM-reglerat och hanterar effekter upp till 6 kW. Styrningen görs via LIN- eller CAN-buss.
Elektroniken kyls av kylvattentemperaturen, vilket kan betyda upp till 90°C i ett system.
– Det gör att den termiska marginalen för halvledarkomponenterna blir liten, säger Mikael Joki. Det är mycket viktigt med hur kylningen sker.
För åstadkomma effektiv kylning av komponenterna används högströms mönsterkort med extremt tjock koppar, s k GHC-laminat. Det tjocka kopparlagret behövs även för att kunna hantera höga strömmar. Läs mer om det i EiN 2010 nr 10, sid 32 (gå in på vår hemsida där äldre nummer kan läsas).
6 kW och 355 V matningsspänning betyder 17 A! Det kräver inte bara mycket koppar på mönsterkortet utan även begränsar urvalet av halvledarkomponenter. Transistorernas RDS(on) måste vara låga för att begränsa förlusterna.
Reglersystemet måste snabbt kunna ställa diagnoser och reglera för att förhindra torrkokning. Kommunikationen sker över LIN- eller CAN-buss.
– En speciell utmaning är anpassningen mellan elektronik och mekanik. Integrationen kräver ett nära samarbete mellan dem som utvecklar elektroniken respektive mekaniken, säger Mikael Joki.
– En annan speciell faktor för projektet är den extremt höga säkerhet som ett fordonssystem kräver. Det räcker inte med att enheten skall ha hög säkerhet i sig. Det måste alltid finans ett bakomliggande säkerhetssystem som hanterar fel i systemet och rapporterar avstängning om så skulle krävas.
Gunnar Lilliesköld

Calix AB är en industri med anor. På väggen hänger en tavla av den fabrik Karl Särenholm byggde upp 1915. Den vänstra byggnaden står fortfarande kvar i Eskilstuna.

Carl Särenholms verksamhet slogs samman med den betydligt äldre verksamhet som fanns inom Nickelbolagen. Tillverkningen var i huvudsak militärmateriel som omfattade alltifrån spottkoppar och matlådor till tändspisar, fältkök och magasin till automatkarbiner med beteckningen AK5.
Calix har sedan slutet av 50-talet tillverkat elektriska motorvärmare. Hela verksamheten bytte ägare flera gånger. Motorvärmardelen knoppades av. Idag ägs den av Gunnar Bark Invest AB under namnet Calix Group.
I Calix group ingår Calix bilvärmare, Autoform, som gör plastdeltaler som mattor och takboxar för bilar samt PeBe som arbetar med eftermarknadsprodukter som vindrutetorkarblad, Calix bilvärmare för eftermontering, överdragsklädsel mm.
Sedan mer än 20 år är Calix en av Europas ledande tillverkare av motor- och kupévärmare.
 

Filed under: Fordonselektronik