УДК 629.113 А.В. Бажинов, профессор, д
advertisement
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ 34 УДК 629.113 А.В. Бажинов, профессор, д-р техн. наук, Ю.А. Нечитайло, ассистент Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет ул.Петровского, 25, г. Харьков, Украина, 61002 ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГИБРИДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ Рассмотрены эксплуатационные особенности электрической части силовой гибридной установки. Выбраны критерии и даны рекомендации по контролю и диагностике гибридных автомобилей при оценке технического состояния Ключевые слова: аккумуляторная батарея, гибридный автомобиль, Li-ion аккумулятор, заряд, разряд, техническое состояние Постановка проблемы В связи с интенсивным ростом промышленности в отдельно взятых странах и в мире в целом, особенно остро стоит проблема экологии и альтернативных видов топлива. Особенно это актуально в развивающихся странах с дефицитом природных топливных ресурсов, к которым относится и Украина. В последнее время в Украине и в ряде стран Европы и Азии резко возрос спрос на автомобили, использующие силовые гибридные установки или работающие на альтернативных видах топлива. Анализ последних исследований и публикаций Инфраструктура обслуживания гибридных автомобилей (ГА) и диагностики силовых агрегатов и систем таких автомобилей практически не развита. В связи с этим разработка методик повышения эффективности контроля технического состояния при ежегодном техническом осмотре (ТО) ГА является актуальной. Одним из элементов силовой установки ГА является аккумуляторная батарея (АБ). В современных ГА используется литий-ионная АБ. Условия эксплуатации АБ данного типа накладывают определенные ограничения на эксплуатацию ГА в целом, а в частности, температурный режим от +5 до +45°С , полный долговременный разряд батареи недопустим, в случае выхода из строя контроллера батареи возможен взрыв (что повышает опасность эксплуатации ГА в условиях, экстремальных для АБ). Поэтому своевременный контроль состояния АБ поможет предотвратить нежелательные последствия. Известные методы диагностики и прогнозирования состояния АБ данного типа не позволяют с достаточной точностью определить исправность и текущее состояние контроллера и батареи в целом. Постановка задачи Разработка новых методов и средств, которые расширят возможности диагностики состояния АБ ГА, позволит при прохождении ежегодного ТО транспортных средств с гибридными силовыми установками прогнозировать остаточный ресурс АБ и давать рекомендации владельцам о возможной реставрации и своевременной ее замене. Материалы и результаты исследования Рассмотрим некоторые характеристики Li-ion батарей на ГА, обращая особое внимание на зарядку и разрядку аккумуляторов. Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение – 3,5-3,7 В [1]. Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов. Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные – до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур. Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6% за первый месяц, затем – существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20°С, так и при 40°С. Ресурс – 500-1000 циклов. Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме. Первые Li-ion АБ, использующие графитовую систему, требовали ограничения напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Использование более высокого напряжения позволило повысить Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 121/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011. МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ 35 энергетическую плотность, но окислительные реакции, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток ликвидировали за счет применения химических добавок, и в настоящее время Li-ion элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет лишь около ±0,05 В на элемент. При заряде Li-ion АБ током 1С время заряда составляет 2-3 ч. Li-ion батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда (рисунок 1). Рисунок 1 – Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного аккумулятора Если на рисунке 1 изображен типовой график заряда одного из типов Li-ion аккумуляторов, то на рисунке 2 процесс заряда показан более наглядно. При повышении тока заряда Li-ion батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после завершения первого этапа цикла заряда продолжается дольше. В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной АБ требуется время 1 ч и менее. В таких зарядных устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние готовности сразу после окончания этапа 1. В этой точке Li-ion батарея будет заряжена приблизительно на 70 %, и после этого возможна дополнительная подзарядка. Этап струйной подзарядки для Li-ion аккумуляторов неприменим из-за того, что они не могут поглощать энергию при перезаряде. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда Li-ion батареи такая подзарядка может выполняться через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует осуществлять при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и прекращать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент [2]. Итак, Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. Заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается. Рисунок 3 – Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion аккумулятора: ЭТАП 1 – через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения; ЭТАП 2 – максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор пока он полностью не зарядится (момент завершения заряда наступает когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального); ЭТАП 3 – периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранения аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 часов хранения Безопасной работе Li-ion АБ должно уделяться серьезное внимание. В Li-ion батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предотвращающие превышение Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 121/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011. 36 МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ напряжения заряда выше определенного порогового значения. Дополнительный элемент защиты обеспечивает завершение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10 % в год. Приводимые показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня разряженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур зависит от уровня выработки ресурса, допустимых рабочих напряжений и т.д. К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда. Рисунок 3 – Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различных токах Типичный вид разрядных характеристик Li-ion аккумуляторов изображен на рисунке 3 и 4. Из рисунков видно, что с ростом тока разряда разрядная емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение. Такой же эффект появляется при разряде при температуре ниже 10 °С. Кроме этого, при низких температурах имеет место начальная просадка напряжения [3]. Что касается эксплуатации Li-ion аккумуляторов вообще, то, учитывая все конструктивные и химические способы защиты аккумуляторов от перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней электронной защиты аккумуляторов от перезаряда и переразряда, можно считать проблему безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов решенной. Рисунок 4 – Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различной температуре Выводы 1. На основании рассмотренных особенностей эксплуатации Li-ion аккумуляторов, контроль их состояния и определение остаточного ресурса представляется достаточно сложными. Поэтому необходимо разработать методику оценки технического состояния данного агрегата ГА. Поскольку основным критерием работоспособности АБ является правильный заряд и разряд батареи, а также температурный режим ее эксплуатации, основным объектом диагностики должен являться блок аккумулятор-генератор-инвертор силовой установки. При прохождении ТО обычного автомобиля на состояние АБ обращают мало внимания, поскольку ее стоимость сравнительно мала, а замена при выходе из строя не представляет особых сложностей. Для гибридного же автомобиля АБ является важной частью силовой установки, а стоимость Li-ion аккумуляторов довольно значительна, поэтому оценке их состояния следует уделить особое внимание. Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 121/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011. МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ 37 2. Надежное функционирование зарядно-разрядного тракта ГА позволяет поддерживать уровень токсичности в пределах, допустимых стандартами, поэтому несвоевременный контроль и выход данной системы из строя приведет к резкому увеличению токсичности. Поэтому рекомендуется ввести в перечень узлов, контролируемых при ТО, зарядно-разрядную систему гибридной силовой установки. Библиографический список использованной литературы 1. Абакумова Ю.П. Химические источники тока / Ю.П. Абакумова. — СПб.: СПбГУПС, 2004. — 26 с. 2. Лебедев О.А. Химические источники тока / О.А. Лебедев. — СПб.: ЛЭТИ, 2002. — 55 с. 3. Химические источники тока : справочник / под редакцией Н.В. Коровина и А.М. Скундина. — М. : Изд-во МЭИ, 2003. — 740 с. Поступила в редакцию 22.04.2011 г. Бажинов А.В., Нечитайло Ю. А. Особливості оцінки технічного стану гібридних автомобілів Розглянуто експлуатаційні особливості електричної частини силової гібридної установки. Вибрано критерії та надано рекомендації щодо контролю та діагностики гібридних автомобілів при оцінці технічного стану. Ключові слова: акумуляторна батарея, гібридний автомобіль, Li-ion акумулятор, заряд, розряд, технічний стан. Bazhinov A.V., Nechitajjlo Ju. A. Features assessment of technical condition of hybrid cars Performance traits of an electric part of power hybrid plant are considered. Criterions and recommendations about control and diagnostics preliminary treatment are chosen at an estimation of a technical condition. Keywords: battery, hybrid car, Li-ion battery charge and discharge, the technical condition. Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 121/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011.
