Особенности конструкции аккумуляторной батареи
Современный автомобиль насыщен различными потребителями электроэнергии, электронными устройствами, начиная с CD-проигрывателя и заканчивая блоками электронных систем управления двигателем, коробкой передач, антиблокировочной системой тормозов. подушками безопасности и т.д. В сырое межсезонье, а особенно зимой, вся автомобильная электрика и электроника, и в первую очередь автомобильная аккумуляторная батарея, держат экзамен на выносливость.
Как показывает практика, если начались проблемы с пуском двигателя в холодное время года и для их решения постоянно приходится подзаряжать аккумуляторную батарею при условии, что генератор исправен и натяжение ремня генератора соответствует норме, а срок эксплуатации аккумуляторной батареи превышает 3 года, вполне разумно встает вопрос о покупке новой аккумуляторной батареи.
Современные аккумуляторные батареи бывают, как правило, двух видов:
- необслуживаемые в течение всего срока службы;
- малообслуживаемые, требующие доливки дистилированной воды один-два раза в год.
Выбирать для своего автомобиля, учитывая рекомендации завода-изготовителя, целесообразно необслуживаемую аккумуляторную батарею из широкого спектра автомобильных аккумуляторов различных производителей, представленных на рынке автомобильных запчастей.
Таблица 10.3. Зависимость емкости аккумуляторной батареи от температуры электролита
| Температура электролита, °С | Емкость аккумуляторной батареи, % |
| -10 | 80 |
| -20 | 66 |
| -30 | 50 |
| -40 | 32 |
Необходимо помнить, что при низкой температуре из-за увеличения вязкости моторного масла и ухудшения условий воспламенения топлива мощность, потребляемая стартером при пуске двигателя, возрастает в два-три раза. Время пуска холодного двигателя в сравнении с прогретым в некоторых случаях увеличивается в 10-20 раз. Таким образом, зимой при низкой температуре воздуха предъявляются повышенные требования к стартерным характеристикам аккумуляторной батареи, т.е. к ее способности в течение короткого времени (10 с по ГОСТу) выдать требуемый ток, необходимый для работы стартера с номинальными оборотами его якоря в холодное время года (-18°С по ГОСТу).
В табл. 10.3 представлена зависимость емкости аккумуляторной батареи от температуры электролита. Емкость аккумуляторной батареи показана в процентах от той емкости, которую аккумуляторная батарея способна выдать при 25°С.
Элементы батареи расположены в полипропиленовом моноблоке (корпусе) 1 (рис. 10.3) и закрыты общей крышкой 5, неразделимо соединенной с моноблоком. Два вентиляционных отверстия по бокам батареи в верхней части обеспечивают выход наружу небольшого количества газа, образующегося в ней.
В крышку батареи может быть вмонтирован индикатор 6 плотности электролита, показания которого учитывают температуру батареи. Возможны три варианта показаний индикатора:
- зеленая точка — батарея заряжена;
- темный индикатор без зеленой точки — батарея частично разряжена, пуск двигателя затруднен или невозможен;
- прозрачный или светло-желтый индикатор -чрезмерное понижение уровня электролита вследствие длительного перезаряда аккумуляторной батареи или ее естественного износа.
На автомобиль устанавливают свинцовую стартерную необслуживаемую аккумуляторную батарею емкостью 55 А·ч. Аккумуляторные батареи указанной емкости выпускаются многими производителями, характеристики этих батарей сходны.
Примечание: Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.
Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решетку в которой активным веществом является перекись свинца (PbO2). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решетку с губчатым свинцом в качестве активного вещества. На практике в свинец решеток добавляют 1-2% сурьмы для повышения механической прочности. В настоящее время в качестве легирующего компонента используются соли кальция в обеих пластинах или только в положительных (гибридная технология). Электроды погружены в электролит, состоящий из водного раствора серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при его плотности 1,26 г/см 3 . Однако на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты — до 1,29-1,31 г/см 3 . Это делается потому что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита падает и температура его замерзания становится выше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.
В новых конструкциях аккумуляторных батарей свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит желируют силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею делают не только более компактной и легкой, но и значительно более эффективной; помимо большего КПД, заряжается она значительно быстрее аккумуляторов предыдущих поколений.
Примечания: В крышку батареи может быть вмонтирован индикатор плотности электролита, показания которого учитывают температуру батареи. Возможны три варианта показаний индикатора:
- зеленая точка — батарея заряжена;
- темный индикатор без зеленой точки — батарея частично разряжена, пуск двигателя затруднен или невозможен;
- прозрачный или светло-желтый индикатор — чрезмерное понижение уровня электролита вследствие длительного перезаряда аккумуляторной батареи или ее естественного износа.
Вместо штатной необслуживаемой батареи можно установить любую аналогичную по емкости и монтажным размерам батарею других производителей. В этом случае используйте и обслуживайте батарею в соответствии с приложенной к ней инструкцией.
Предупреждения: Аккумуляторные батареи одной модели могут быть изготовлены в двух вариантах с разной полярностью подключения (выводы «плюс» и «минус» у батарей разных вариантов расположены противоположно). Приобретайте батарею той же полярности, что и у установленной на автомобиле, так как батарею другой полярности не удастся подключить к бортовой сети из-за недостаточной длины проводов и несоответствия размеров их наконечников. Помимо этого некоторые производители выпускают батареи с уменьшенными размерами выводов (другого стандарта), которые также не удастся подключить к бортовой сети вашего автомобиля.
При работе с металлическими инструментами не допускайте коротких замыканий аккумуляторной батареи.
При заряде батареи выделяется взрывоопасная газовая смесь, поэтому во время заряда и обслуживания батареи запрещается курить и пользоваться открытым огнем. Заряжайте батарею в хорошо вентилируемом помещении.
При случайном попадании брызг электролита на кожу или в глаза немедленно, до оказания медицинской помощи, обильно промойте пораженные места водой и затем 2%-ным раствором питьевой соды (0,5 чайной ложки на стакан воды).
После любой работы с аккумуляторной батареей обязательно вымойте руки с мылом.
Примечание: Вместо штатной необслуживаемой батареи можно установить любую аналогичную по напряжению, емкости, монтажным размерам и полярности подключения батарею. В этом случае используйте и обслуживайте батарею в соответствии с приложенной к ней инструкцией.
Разборка батареи ,инвертора, блока зарядки Chevy Volt (Лекция)
Разбор батареи и электронных компанентов Chevy Volt
Иногда инженеры получают задания, которые не только обогащают их опыт, но и просто позволяют развлечься. Именно так произошло, когда Джон Скотт-Томас (John Scott- Thomas), менеджер по маркетингу фирмы UBM TechInsights, и Аль Штейер (Al Steier), старший научный сотрудник и «пророк проектов» компании Munro & Associates, недавно разобрали гибридный автомобиль Chevy Volt, чтобы узнать, что же в нем тикает, гудит и шумит, и как проектировщики этой модели уместили все технологии в одном автомобиле. За три дня творческого разбора Chevy Volt они узнали многое об этом автомобиле.
Литий-ионный аккумулятор весом 170 кг является сердцем Chevy Volt. Системы и программное обеспечение автомобиля нацелены на поддержание его жизнеспособности в течение максимально возможного времени.
Этот аккумулятор на основе литий-марганцевой шпинели производит компания LG Chem, но GM получила от US Argonne National Lab лицензию на кобальтовые батареи, а это может означать, что уже не за горами использование никель-марганец-кобальтовых аккумуляторов. Контур жидкостного охлаждения батареи является одним из четырех подобных контуров, снабженных собственным контроллером и радиаторным модулем. Остальные три контура предназначены для обслуживания двигателя внутреннего сгорания, двух инверторов мотор-генератора и встроенного силового преобразователя зарядного устройства.
Когда аккумулятор работает при температуре ниже оптимальной, жидкость нагревает его до необходимой температуры, а затем охлаждает во избежание перегрева. Даже когда машина не заведена, управляющая электроника активирует цепь охлаждения с целью предотвращения перегрева аккумулятора в жаркую погоду или переохлаждение в холодную. Таким образом, подключение незаведенного автомобиля к внешнего зарядному устройству позволяет предотвратить истощение батареи в неблагоприятных условиях.
Контур охлаждения аккумулятора присоединяется с помощью хомутов, что явно указывает на далеко не массовый характер производства Chevy Volt. При массовом выпуске использовались бы паяные соединения. На всех болтах, соединяющих части аккумулятора, краской нанесены по три отметки служб технического контроля, показывающих, что сборка была тщательно проверена, чтобы гарантировать качество и работоспособность стоящего $8000 компонента, являющегося сердцем Chevy Volt.
Средства управления и мониторинга
Аккумуляторная батарея Chevy Volt, как выяснилось в результате демонтажа, имеет одинаково сложные системы управления и мониторинга, что типично и для всей машины в целом. Скотт-Томас отмечает, что 40% стоимости автомобиля приходится на электронные компоненты, среди которых насчитывается около 100 бортовых микроконтроллеров. Вся эта электронная начинка управляется примерно 10 миллионами строк программного кода. Это больше, чем требуется, например, для управления самолетом Boeing 787 Dreamliner, где весь код умещается в 8 миллионах строк.
Если говорить непосредственно об аккумуляторе, Скотт-Томас отмечает, что почти все в его многочисленных схемах управления подчинено цели продления срока эксплуатации. Для этого производитель предусмотрел стабилизацию температуры батареи в пределах 2 °F и выравнивание зарядов между ячейками. Управляющее программное обеспечение также учитывает такие факторы, как производственный разброс характеристик ячеек и их старение.
Например, контроллеры измеряют напряжение на каждой ячейке в процессе их зарядки. Для того чтобы обеспечить равенство максимальных зарядов на всех ячейках в случае, если одна из них заряжается раньше других, к ней подключается резистивный шунт, предотвращающий излишнее накопление заряда до тех пор, пока не будут заряжены другие ячейки. «Трудно оценить уровень системы управления и программного обеспечения», – говорит Скотт-Томас. Контроллеры автомобиля делают 500 диагностических измерений напряжения аккумулятора и температуры с частотой 10 раз в секунду, даже тогда, когда машина выключена.
На плате интерфейсного модуля и системы мониторинга состояния аккумулятора расположены датчики, измеряющие температуру и напряжение каждой ячейки. Эти данные направляются в кластеры, в которых информация из десяти ячеек оцифровывается и передается в микроконтроллер. Общая шина подключена к основному контроллеру модуля инвертора через оптоизоляторы.
Модуль интерфейса и мониторинга состояния аккумулятора закреплен на передней части батареи. В нем имеются четыре печатные платы оранжевого цвета, предназначенные для измерения высоких напряжений, по одной на каждую секцию батареи . На этих платах установлены микросхемы таких производителей, к ак Freescale, LG Chem и STMicroelectronics. Чипы компаний LG Chem и STMicro выполнены по технологии CMOS DMOS. Платы для измерения напряжения среднего уровня окрашены в синий цвет, а низкого – в зеленый. Вся продукция тщательно проверяется на протяжении всего производственного цикла; на каждый разъем, соединяющий ячейки, нанесено по несколько отметок служб технического контроля.
Создание хорошей аккумуляторной электроники является сложной задачей. Система должна измерять напряжение на каждой ячейке с точностью до нескольких милливольт, в то время как напряжение на этих ячейках относительно земли может достигать сотен вольт. Эта задача требует повышенного внимания к разводке печатных плат, конфигурации земляных слоев и изоляции. Скотт-Томас отмечает, что разработка автомобиля не завершена, но гибкая и модульная конструкция позволяет легко встраивать новые ячейки, аккумуляторные батареи, электронику и системы управления.
Скотт-Томас и Штейер обнаружили в автомобиле один связанный с аккумуляторной системой модуль, о существовании которого они даже не подозревали. В дополнение к расположенному под приборной панелью стандартному порту системы бортовой диагностики, под передним пассажирским сиденьем они нашли изолированный герметичный модуль. В него записывается диагностическая информация, собираемая при работе системы с аккумулятором и в ходе выполнения «гибридных» операций. Модуль снабжен разъемом, позволяющим специалисту с помощью специального кабеля получить доступ к этой информации.
Система зарядки
Помимо использования рекуперативного торможения аккумулятор запасается энергией за счет зарядки от сети 110 В с помощью прилагаемого зарядного устройства или же, для ускоренной подзарядки, с помощью опционально поставляемой зарядной станции 220 В, устанавливаемой квалифицированным электриком. Компания Lear Corp выпускает работающие от сети 110 В бытовые зарядные устройства, силовая электроника и программное обеспечение которых настолько совершенны, что зарядка не начнется, если пользователь вставит вилку в розетку с плохо выполненным заземлением. Реле зарядного устройства и плата мониторинга связаны с аккумулятором и бортовой системой контроля. Как отмечалось ранее, предназначенная для зарядки аккумулятора бортовая система преобразования сетевого напряжения в постоянное имеет собственный контур охлаждения.
Зарядное устройство подключается к стандартизированному разъему, расположенному на левом переднем крыле автомобиля. По словам Скотта-Томаса, демонтаж этого интерфейсного модуля показал, что в GM уделяют большое внимание проработке деталей. Высоковольтные компоненты – конденсаторы и синфазный дроссель для надежности и защиты от среды с повышенной вибрацией производитель изолировал лентой и пеной, а обмотки сделал прочными, надежными и механически резервированными.
Штейер обнаружил одну интересную особенность расположения зарядного устройства. Хотя его разъем находится на левом крыле, инвертор зарядного устройства, который питается от этого разъема, располагается под правой фарой. Более того, контроллер бензинового двигателя расположен в левой части автомобиля, а сам двигатель – в правой. Если бы производитель пересмотрел такое расположение элементов, вес машины можно было бы уменьшить за счет сокращения длины проводов.
«Мозги» Chevy Volt
К выглядящему как коробка передач обычного автомобиля кожуху, которым закрыты электромотор и генератор, прикреплен охлаждаемый жидкостью модуль инвертора, питающий энергией аккумулятора тяговый двигатель. В целях безопасности подводимые к этому модулю высоковольтные кабели оранжевого цвета могут расцепляться посредством реле. Штейер замечает, что сама крышка модуля также представляет собой разъединитель. По словам Скотта-Томаса, продвигаясь внутрь все глубже, они приближаются к «мозгу» автомобиля .
Модуль инвертора системы «двигатель-генератор» содержит «мозг» силовой части автомобиля, основными компонентами которого являются один микроконтроллер-супервизор и три микроконтроллера, определяющих рабочее состояние двигателя и системы рекуперации.
На печатной плате компании Hitachi установлены четыре 32-разрядных микроконтроллера Freesc ale Qorivva. Скотт-Томас отметил, что на плате достаточно много свободного места, что позволяет в будущем модифицировать ее, изменяя или добавляя новые части схемы. На один из четырех контроллеров возложены функции супервизора, в который поступает информация о скорости автомобиля, числе оборотов колес, ускорении, торможении и состоянии аккумулятора, на основании которой принимается решение о том, какой режим будет наиболее эффективным на текущий момент. Принимаемыми решениями могут быть, например, выбор используемой комбинации выходных сигналов от тягового двигателя и системы двигатель внутреннего сгорания – генератор, момент активации рекуперативного торможения, определение предела восстановления энергии. Из четырех микроконтроллеров супервизор является самым мощным, он имеет 3 Мб флеш-памяти, занимающей половину площади кристалла. Для большей эффективности контроллер также пытается снижать скорости вращения электромоторов. Остальные три микроконтроллера управляют тяговым двигателем, генератором, связанным с двигателем внутреннего сгорания и планетарной коробкой передач.
Контроллер-супервизор инвертора является центром гибридной архитектуры Chevy Volt. Он определяет текущее состояние силового агрегата автомобиля.
Прочая электроника
Остальная электроника Chevy Volt, не имеющая отношения к гибридной установке автомобиля, представлена типичными для современных автомобилей устройствами. DC/DC преобразователь с воздушным охлаждением с печатной платой компании TDK и микроконтроллером фирм ы Renesas выр абатывает 12 В для питания стандартных систем автомобиля, управляющих дверями, светом, навигацией и звуком, а также для зарядки вспомогательного аккумулятора 12 В.
Примерно три четверти из 18 электронных модулей предназначены для управления функциями гибридной силовой установки.
В процессе разбора центральной панели была обнаружена плата коммуникационного модуля компании LG, содержащая контроллер памяти Freescale и флеш-память фирмы Spansion. Скотт-Томас отметил, что печатные платы информационно-развлекательной системы находятся на приличном расстоянии друг от друга. Там достаточно свободного места, но не так много необходимой вычислительной мощности, поэтому некоторые микросхемы выполняют несколько функций. Кроме того, достаточное расстояние между резистивно-сенсорными переключателями передней панели поможет водителю не ошибаться при выборе требуемой функции.[
Будет интересно наблюдать, как и насколько быстро эта расширяемая гибридная платформа станет развиваться в течение ближайших лет с учетом потребностей и пожеланий владельцев автомобиля.
Анатомия демонтажа автомобиля
Перед тем, как начать демонтаж по заказу Munro & associates, Аль Штейер, старший научный сотрудник компании, прочел всю документацию на этот автомобиль, какую только смог найти. При разборе гибридных и электромобилей первым делом необходимо обезопасить людей, найдя блок, отключающий линии высокого напряжения. Он документировал каждый шаг, делая фотографии компонентов во всех возможных ракурсах до и после их удаления, пытаясь представить себе все этапы производственного процесса и определить типы использованных материалов. Штейер идентифицировал установленные на печатных платах компоненты и их производителей. При отсутствии опубликованных данных об использованных стандартных и специализированных ИС, он выпаивал микросхемы, чтобы определить объем их памяти.
Chevy Volt, как и любой другой автомобиль, поставили на демонтаж прямо от дилера – с полным бензобаком. Скотт-Томас и Штейер оставили системы включенными, чтобы разрядить литий-ионный аккумулятор до того, как начать разборку автомобиля. Но программа управления приняла решение о включении обычного двигателя, чтобы предотвратить полный разряд аккумулятора. Тогда инженеры решили опустошить бензобак, а также оставить включенными свет, радио и все остальное, что, в конечном итоге, разрядило бы 12-вольтовый аккумулятор. Высоковольтная система перезаряжала аккумулятор всю ночь – программное обеспечение системы не давало ему полностью разрядиться, – и только после того, как бензина осталось на 35 миль, аккумулятор разрядился через мощный резистор.
Ранее Штейеру доводилось разбирать гибрид Toyota Prius, и теперь он обнаружил некоторые различия между Prius и Volt. Например, как гибридный авто с зарядкой от электросети, Chevy Volt имеет дополнительный модуль инвертора зарядного устройства. Кроме того, в Volt установлена литий-ионная аккумуляторная батарея, тогда как в Prius – никель-металл-гидридная. Для управления температурным режимом гибридной силовой установки в Volt применяется жидкостное охлаждение, а в Prius – воздушное. Помимо этого, если в Chevy Volt использованы элементы довольно широкого круга производителей электроники, то в Prius были обнаружены, в основном, компоненты компании Toyota.
