• johdotus
• konetekniikka
• matalajännitejärjestelmä
• sähköajoneuvo

Sähköajoneuvon toimivuus ei synny pelkästään akusta, moottorista ja tehoelektroniikasta. Yhtä ratkaisevaa on se, että ohjaussignaalit kulkevat oikein, johdotus on ymmärrettävä ja järjestelmän rakenne voidaan todentaa myös myöhemmin. eKarting-auton sähköjärjestelmää kehittäneessä opinnäytetyössä havaittiin, että matalajännitejärjestelmän selkeyttäminen paransi ennen kaikkea auton huollettavuutta, vianetsintää ja jatkokehityksen edellytyksiä.

Sähköajoneuvoista puhuttaessa huomio kiinnittyy usein akustoon, sähkömoottoriin ja suorituskykyyn. Käytännön sähköajoneuvotekniikassa vähintään yhtä tärkeä kysymys on kuitenkin arkisempi: miten järjestelmän eri osat on kytketty toisiinsa, ja ymmärtääkö seuraava huoltaja tai kehittäjä, mitä mikin johdin tekee?

Tämä korostuu erityisesti prototyyppimäisissä ajoneuvoissa, joita on kehitetty useassa vaiheessa. Kun järjestelmään lisätään toimintoja ajan mittaan, johdotukseen voi jäädä vanhoja ratkaisuja, ylimääräisiä johtimia ja epäselviä signaalireittejä. Auto voi silti toimia osittain, mutta sen sähköinen kokonaisuus ei välttämättä ole enää helposti ymmärrettävä.

Sähköajoneuvossa on kaksi erilaista sähköistä maailmaa

Hayes & Goodarzi (2018) mukaan sähköisen karting-auton sähköjärjestelmä voidaan jakaa karkeasti kahteen osaan: korkeajännitejärjestelmään ja matalajännitejärjestelmään. Korkeajännitejärjestelmä siirtää energiaa akustolta moottoriohjaimen kautta sähkömoottorille. Matalajännitejärjestelmä puolestaan huolehtii ohjauksesta, signaaleista, mittauksesta ja apulaitteista.

Tässä opinnäytetyössä kehitystyö kohdistui erityisesti matalajännitejärjestelmään. Syynä oli se, että havaittujen ongelmien vaikutus näkyi ennen kaikkea johdotuksen selkeydessä, signaalien reitityksessä ja liitosten loogisuudessa.

Matalajännitejärjestelmä ei siirrä suurinta tehoa, mutta sen merkitys on auton käytön kannalta ratkaiseva. Kuljettajan komennot, kuten kaasupolkimen asento, jarrutustieto, ajosuunnan valinta ja käyttöönottoon liittyvät signaalit, kulkevat matalajännitepuolen kautta moottoriohjaimelle. Jos nämä signaalit ovat epäselvästi kytkettyjä tai vaikeasti jäljitettäviä, vika ei ole vain kosmeettinen. Se voi vaikuttaa suoraan vianetsintään, käyttövarmuuteen ja järjestelmän jatkokehitykseen.

Ongelma ei ollut yksi johto vaan epäselvä kokonaisuus

Työn alussa karting-auton sähköjärjestelmä kartoitettiin seuraamalla johdotuksia fyysisesti komponentilta toiselle. Samalla selvitettiin, mitkä johtimet olivat käytössä, mitkä liittyivät aiempiin toteutuksiin ja mitkä eivät palvelleet enää selkeää toiminnallista tarkoitusta.

Nykytilan analyysissä matalajännitejärjestelmästä tunnistettiin useita kehityskohteita:

• käyttämättömiä johtimia
• epäselviä johdotuksen reitityksiä
• puutteellisia merkintöjä
• signaalipolkuja, joiden tarkoitus ei ollut helposti pääteltävissä
• kytkentöjä, joiden oikeellisuus vaati varmistamista valmistajan dokumentaation ja testauksen avulla.

Yksittäinen ylimääräinen johto ei välttämättä estä ajoneuvoa toimimasta. Useiden epäselvien johtimien muodostama kokonaisuus kuitenkin tekee järjestelmästä vaikeasti huollettavan. Jos johdotuksen tarkoitusta ei voi päätellä merkinnöistä tai dokumentaatiosta, jokainen vikatilanne alkaa uudella selvitystyöllä.

Tämän vuoksi työn tavoite ei ollut rakentaa koko sähköjärjestelmää uudelleen. Olennaisempaa oli tunnistaa ne kohdat, joissa pienillä mutta perustelluilla muutoksilla saavutettiin suurin hyöty järjestelmän ymmärrettävyyden ja huollettavuuden kannalta.

Testaus paljasti sen, mitä silmä ei nähnyt

Johdotuksen fyysinen tarkastelu ei yksin riittänyt varmistamaan järjestelmän toiminnallista oikeellisuutta. Tämä tuli esiin testauksen aikana, kun moottoriohjain antoi encoder-vikaan viittaavan ilmoituksen.

Sevcon (2013) manuaali kertoo, että encoder-vika liittyi moottorin roottoriasentopalautteeseen. Roottoriasentoanturi kertoo moottoriohjaimelle, missä asennossa moottorin roottori on. Tätä tietoa tarvitaan, jotta moottoria voidaan ohjata oikein. Käytössä oli sin/cos-roottoriasentoanturi, jolloin moottoriohjain tarvitsi sekä sine- että cosine-signaalin roottorin asennon laskemiseen.

Tarkemmassa selvityksessä todettiin, että pinni 35 oli varattava moottorilta tulevalle cosine-signaalille. Kun kyseinen johto kytkettiin valmistajan dokumentaation mukaisesti, encoder-vika poistui ja järjestelmän testaus eteni seuraavaan vaiheeseen.

Tämä havainto oli työn kannalta tärkeä, koska se osoitti, ettei johdotuksen arviointi voi perustua vain siihen, näyttääkö rakenne loogiselta. Sähköjärjestelmässä oikea kytkentä tarkoittaa myös sitä, että signaali vastaa laitteen teknisiä vaatimuksia.

Testauksessa havaittiin myös, ettei pinni 34 soveltunut antureiden 5 voltin käyttöjännitteelle, koska se antoi noin 13 voltin syötön. Antureiden käyttöjännitelähteeksi valittiin työn aikana pinni 26, joka tarjosi 5 voltin syötön ja mahdollisti testauksen jatkumisen. Ratkaisua ei kuitenkaan pidetty lopullisena ideaaliratkaisuna, koska sama syöttö liittyi myös moottorin encoderin toimintaan. Jatkokehityksessä antureille olisi perusteltua suunnitella erillinen ja häiriöiden kannalta turvallisempi käyttöjänniteratkaisu.

Tämä on hyvä esimerkki insinöörityön rajauksesta: kaikkia havaittuja asioita ei tarvitse väittää valmiiksi, mutta jokainen havainto on dokumentoitava rehellisesti ja teknisesti perustellusti.

Jarruanturi täydensi ohjauslogiikkaa

Yksi työn konkreettisista muutoksista oli jarruanturin lisääminen osaksi matalajännitejärjestelmää. Jarruanturin tehtävä on välittää moottoriohjaimelle tieto siitä, että ajoneuvoa jarrutetaan. Tällöin ohjauslogiikka voi ottaa jarrutuksen huomioon esimerkiksi kiihdytykseen liittyvissä tilanteissa.

Jarruanturin merkitys ei ole pelkkä lisämukavuus. Se tuo järjestelmään lisäehdon, joka auttaa vähentämään ristiriitaisten komentojen mahdollisuutta. Sähköajoneuvossa kaasun, jarrun, ajosuunnan ja käyttöönoton kaltaiset signaalit muodostavat yhdessä kokonaisuuden, jonka on toimittava ennakoitavasti.

Työn aikana myös vaihteenvalitsimen maadoituksessa havaittiin ongelma, joka korjattiin testauksen perusteella. Tämä vahvisti samaa havaintoa kuin encoder-vika: osa järjestelmän puutteista tuli esiin vasta, kun johdotuksen kartoitus yhdistettiin käytännön testaukseen.

Selkeä johdotus on huollettavuutta, ei pelkkää siisteyttä

Työn tuloksena matalajännitejärjestelmän rakennetta selkeytettiin usealla tavalla. Ylimääräisiä johtimia poistettiin, liitinjärjestelmän pinnijakoa tarkennettiin, kaasupolkimen asentoanturin johdotusta uusittiin osittain, jarruanturi lisättiin ja testauksessa havaittuja kytkentävirheitä korjattiin. Lisäksi järjestelmästä laadittiin päivitetty kytkentäkaavio.

Tulosten kannalta olennaista ei ollut yksittäinen korjaus, vaan kokonaisuuden parantuminen. Järjestelmästä tuli aiempaa johdonmukaisempi, paremmin dokumentoitu ja helpommin huollettava. Samalla syntyi parempi tekninen perusta jatkokehitykselle.

On tärkeää huomata, että opinnäytetyö ei ollut valmiin ajoneuvon lopullinen hyväksyntätesti. Järjestelmän lopullinen toiminnallinen valmius ei valmistunut kokonaan työn aikana. Tämä ei kuitenkaan vähennä työn arvoa, vaan rajaa sen oikein: työ paransi järjestelmän ymmärrettävyyttä, dokumentoitavuutta ja toiminnallista oikeellisuutta niissä kohdissa, joihin kehitys oli perusteltua kohdistaa.

Sama ajattelutapa sopii muihinkin prototyyppeihin

Tämän työn keskeinen opetus on sovellettavissa myös muihin prototyyppitason sähköjärjestelmiin. Kun järjestelmää on rakennettu vaiheittain, ensimmäinen ratkaisu ei ole lisätä uusia osia tai vaihtaa kaikkea kerralla. Ensin on selvitettävä, mitä järjestelmässä jo on ja miten se todella toimii.

Toimiva etenemistapa voidaan tiivistää neljään vaiheeseen:

• kartoita järjestelmän todellinen rakenne
• vertaa kytkentöjä valmistajan dokumentaatioon
• varmista toiminta käytännön testauksella
• dokumentoi lopputulos niin, että seuraava käyttäjä ymmärtää sen.

Tällainen lähestymistapa vähentää arvailua. Se myös auttaa tekemään järkeviä rajauksia: kaikkia havaintoja ei tarvitse ratkaista samassa työssä, mutta olennaisimmat riskit ja epäselvyydet on tunnistettava.

Sähköajoneuvon järjestelmä ei ole laadukas vain siksi, että se toimii hetkellisesti. Laatu näkyy myös siinä, että järjestelmän toiminta voidaan selittää, todentaa ja huoltaa myöhemmin. Tässä mielessä selkeä johdotus on osa teknistä laatua.

Lähteet

Hayes, J. G. & Goodarzi, G. A. 2018. Electric Powertrain: Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles.

Sevcon. 2013. Gen4 Motor Controller Product Manual.

Kettunen, J. 2026. eKarting-auton sähköjärjestelmän suunnittelu ja toteutus – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.