Устройство NiMH-батареи, контроль модулей, предзаряд и охлаждение.
Тяговая батарея гибрида: устройство и принцип работы
Высоковольтные процедуры показаны только в учебной модели. Работы выполняют обученные специалисты по документации конкретного автомобиля; модель не заменяет её.
Как работает высоковольтная батарея гибрида
Элементы, модули, блоки. Элемент даёт 1,2 В, модуль из 6 элементов — 7,2 В, 28 модулей последовательно — 201,6 В номинально. В покое, в зависимости от заряда, около 210–225 В; на внутреннем сопротивлении при разряде полной мощностью напряжение проседает примерно до 175 В, а при заряде поднимается примерно до 245 В. Блок управления меряет 14 блоков по 2 модуля и сравнивает их между собой.
Три главных реле. READY ON: реле минуса → реле предзаряда (конденсатор силового блока заряжается через резистор) → главное реле плюса → предзаряд размыкается. READY OFF: сначала плюс, затем минус. Так контакты главного реле не свариваются броском тока.
Окно заряда SOC. Батарея постоянно то разряжается на разгоне, то заряжается при торможении. Блок держит заряд около 60 %, обычно в пределах 40–80 %, а пределы — около 20 и 80 %: у краёв окна мощность разряда или заряда сводится к нулю. Так никель-металлгидридные элементы служат долго.
Тепло и вентилятор. Ток греет элементы. Вентилятор берёт воздух из салона, включается около 36 °C, к 50 °C работает на максимуме. Выше 50 °C и в сильный холод блок ограничивает мощность батареи.
Безопасность. Высокое напряжение отделено от кузова: блок постоянно меряет сопротивление изоляции. Перед работой снимают сервисную вилку в диэлектрических перчатках, ждут 5–10 минут и проверяют отсутствие напряжения.
Детали в модели «Высоковольтная батарея гибрида»
Модули батареи. Герметичные никель-металлгидридные модули: в каждом 6 элементов по 1,2 В, всего 7,2 В. 28 модулей соединены последовательно — 201,6 В номинально. Ёмкость всего 6,5 А·ч: гибриду нужна не энергия на сотни километров, а мощность на разгон и приём энергии торможения.
Соединительные шины. Медные пластины соединяют вывод «плюс» одного модуля с «минусом» соседнего — поочерёдно то спереди, то сзади. На шинах закреплены провода измерения напряжения блоков.
Блок управления батареей. Измеряет напряжение 14 блоков (блок — два модуля) по 15 проводам, ток, температуру и сопротивление изоляции. По ним считает заряд SOC, управляет вентилятором и сообщает блоку управления гибридной системой, сколько мощности можно взять и отдать.
Датчики температуры. Три терморезистора на модулях и один в канале забора воздуха. Чем горячее, тем меньше их сопротивление. По ним блок управления включает вентилятор и при перегреве или холоде ограничивает мощность.
Датчик тока. Датчик на эффекте Холла охватывает силовой кабель. Сигнал 2,5 В — тока нет, выше — разряд, ниже — заряд: 4,5 В при 200 А разряда, 0,5 В при 200 А заряда. Интегрируя ток, блок считает заряд SOC.
Главные реле батареи. Три силовых реле: реле минуса, реле предзаряда с резистором и главное реле плюса. При READY ON замыкается минус, затем предзаряд, затем плюс, и только потом размыкается предзаряд. При выключении сначала размыкается плюс, затем минус.
Резистор предзаряда. Около 20 Ом. Пропускает ток зарядки конденсатора силового блока при включении — без него бросок тока сварил бы контакты главного реле. При частых включениях подряд резистор греется, и блок временно запрещает READY.
Сервисная вилка. Разъём с предохранителем в середине батареи: снятая вилка разрывает цепь между двумя половинами по 14 модулей. Её рычаг сначала размыкает выключатель блокировки — реле отключаются раньше, чем расходятся силовые контакты.
Вентилятор охлаждения батареи. Центробежный вентилятор берёт воздух из салона и гонит его над модулями, вниз через щели между ними и в отвод в багажник. Включается около 36 °C и к 50 °C выходит на максимум; на стоянке работает тише.
Воздуховоды. Подводящий канал от решётки в салоне к вентилятору, распределительная полость над модулями, сборная полость снизу и отвод тёплого воздуха в багажник.
Решётка и фильтр забора воздуха. Решётка у заднего сиденья с сеткой-фильтром задерживает пыль, шерсть и мусор из салона. Решётку нельзя закрывать вещами, фильтр чистят или меняют при обслуживании.
Высоковольтные кабели. Оранжевые экранированные кабели «плюс» и «минус» идут от реле к силовому блоку. Оранжевый цвет означает: опасное напряжение, работать только после снятия сервисной вилки и проверки отсутствия напряжения.
Вход силового блока. Сюда приходят кабели батареи. Сглаживающий конденсатор на входе при включении заряжается через резистор предзаряда, после выключения — разряжается. Сам силовой блок с повышающим преобразователем и инверторами — в отдельной модели.
Корпус батареи. Стальной лоток с крышкой под подушкой заднего сиденья. Внутри — модули на рейках, полости для воздуха сверху и снизу, коробка реле и блок управления.
Показ по шагам
Батарея под задним сиденьем. Плоский корпус лежит под подушкой заднего сиденья. Воздух для охлаждения берётся из салона через решётку, оранжевые кабели уходят вперёд к силовому блоку.
168 элементов последовательно. 6 элементов по 1,2 В — модуль 7,2 В; 28 модулей — 201,6 В. Блок управления измеряет 14 блоков по два модуля: так видно, если один элемент ослаб.
Пуск: реле по порядку. Замыкается реле минуса, затем реле предзаряда: конденсатор силового блока заряжается через резистор. Когда напряжение почти сравнялось, замыкается реле плюса, а реле предзаряда размыкается. Загорается READY.
Разгон. Батарея отдаёт до 25 кВт мотор-генератору. Ток около 120 А, напряжение проседает на внутреннем сопротивлении, заряд SOC идёт вниз.
Рекуперация. При торможении мотор-генератор работает генератором: ток идёт в батарею, сигнал датчика тока опускается ниже 2,5 В, заряд растёт.
Окно заряда. Блок управления держит заряд около 60 %. Ниже 45 % на стоянке запускается двигатель и подзаряжает батарею; у краёв окна 20 и 80 % мощность разряда или заряда уменьшается до нуля.
Вентилятор. Около 36 °C вентилятор включается и с ростом температуры набирает обороты. Воздух из салона идёт над модулями, вниз через щели между ними и уходит в багажник.
Сервисная вилка. Рычаг вилки сначала размыкает выключатель блокировки — реле отключаются. Затем вилка разрывает батарею пополам. После снятия ждут 5–10 минут, пока разрядится конденсатор, и проверяют отсутствие напряжения.
Что ломается и как это проявляется
Разбаланс блока батареи. Признаки: горит контрольная лампа, в памяти код разницы заряда блоков. Машина хуже разгоняется, двигатель чаще запускается, расход растёт. Что проверить: сканером — напряжения 14 блоков: на стоянке с включёнными потребителями (заряд снижается) и в поездке «разгон — рекуперация». Дефектный блок проседает и «гуляет» сильнее других. Модули меняют, батарею балансируют.
Забит фильтр вентилятора. Признаки: В жару, в пробке или на подъёме машина «вялая», вентилятор под сиденьем шумит на максимуме, а температура батареи продолжает расти. Кода вентилятора нет: он исправен. Что проверить: решётку забора воздуха: не закрыта ли вещами. Фильтр и канал — почистить или заменить. Сканером — температуры батареи и воздуха на входе, проверка вентилятора с управлением от сканера и расход на выходе.
Снижено сопротивление изоляции. Признаки: горит контрольная лампа, в памяти код изоляции высоковольтной системы. Часто после мойки, луж или ремонта. Машина при этом может ехать. Что проверить: только с допуском к высокому напряжению: снять сервисную вилку, выждать 5–10 минут, проверить отсутствие напряжения, затем мегаомметром по зонам — батарея, силовой блок, мотор-генераторы, компрессор кондиционера. Осмотреть разъёмы и уплотнения.
Упрощения модели
Напряжение покоя элемента принято 1,23–1,33 В в зависимости от заряда; номинал 1,2 В. Сопротивление модуля 11 мОм, на холоде больше. Мощности 25 кВт разряда и 20 кВт заряда и кривые ограничения — учебные, те же, что в модели делителя мощности.
Предзаряд и разряд конденсатора замедлены, чтобы было видно: на машине предзаряд длится доли секунды, а после снятия вилки ждут 5–10 минут. Нагрев и остывание батареи ускорены примерно в 10 раз, заряд SOC меняется в реальном времени.
Режимы показаны как постоянная мощность: разгон 25 кВт, рекуперация 20 кВт, «Город» — цикл разгон, движение с подзарядом от двигателя, торможение, остановка. Двигатель, мотор-генераторы и силовой блок не показаны, силовой блок придвинут к батарее.
Случаи снижения изоляции засчитываются за каждое включение READY (одно включение — одна «поездка»). Проверка изоляции на машине идёт, когда не работает повышающий преобразователь; в модели — всё время в READY.
Слабый элемент блока 9 и вода в разъёме кабеля выделены цветом, рамкой, кольцом-меткой и подписью для наглядности. На машине модуль со слабым элементом снаружи не отличается от исправных — его находят по напряжениям блоков; место утечки ищут мегаомметром по зонам, влагу видно не всегда.
Расположение реле, датчиков, вентилятора и решётки на разных машинах разное. В некоторых батареях реле предзаряда стоит на минусе, а не на плюсе; принцип тот же.
Работать с оранжевыми кабелями, батареей и сервисной вилкой можно только обученному персоналу в средствах защиты. Электролит щелочной: при утечке не трогать.