Ремонт високовольтної батареї Opel Ampera / Chevrolet Volt

Втрата потужності в електричних та гібридних транспортних засобах може мати різні причини. На прикладі Opel Ampera з плагін-гібридом показуємо, як можна цілеспрямовано локалізувати та усунути несправності.

У зв’язку з постійним зростанням кількості електричних та гібридно-електричних транспортних засобів, зростає і кількість звернень до майстерень для обслуговування їхніх систем приводу. Якщо це не просте технічне обслуговування, то записи в пам’яті несправностей, що стосуються, наприклад, контролю ізоляції, напруги або температури, швидко стають страшним випробуванням.

У наведеному нижче автомобілі, плагін-гібриді Opel Ampera, контрольна лампочка двигуна загоряється спорадично, а потім відчувається постійна нестача потужності.

Дивлячись на топологію компонентів, можна сказати, що це послідовна гібридна система. Однак, якщо уважніше придивитися до потоку енергії, то стає зрозуміло, що система приводу може також функціонувати як гібридна система з розділенням потужності.

Первинний привід – суто електричний, за допомогою електродвигуна потужністю 111 кВт і крутним моментом до 370 Нм.

Необхідна для цього енергія надходить від літій-іонного акумулятора ємністю 16 кВт-год. Оптимальна робоча температура регулюється за допомогою окремого водяного контуру. Залежно від навколишнього середовища або умов експлуатації, систему можна не тільки охолоджувати, але й нагрівати.

Контроль заряду

Якщо рівень заряду опускається нижче певного порогового значення, високовольтна батарея забезпечується електричною енергією за допомогою другого електродвигуна, який може використовуватися як генератор і як двигун. Генератор приводиться в дію 4-циліндровим бензиновим двигуном об’ємом 1398 см³ з доступною потужністю 63 кВт.

Для того, щоб звузити причину несправності, загальний аналіз пам’яті несправностей показав, що багато блоків управління розпізнавали несправності і зареєстрували їх у пам’яті. Це також стосувалося блоків управління, які безпосередньо не пов’язані з фактичною системою приводу.

У порівнянні зі звичайними приводними системами, перші кроки процедури діагностики не відрізняються. Після того, як різні записи про помилки були задокументовані, вся пам’ять помилок була видалена, і був проведений наступний тест-драйв. Однак спочатку це не призвело до відтворення скарги клієнта.

Незважаючи на те, що ряд автоматичних перевірок системи виконується вже на етапі запуску, нові записи про помилки в блоці управління двигуном і в блоці управління гібридом з’явилися лише під час другого тест-драйву за інших умов експлуатації.

Цього разу також загорілася лампочка перевірки двигуна і відчувалася нестача потужності.

Було багато ознак того, що причиною було пошкодження ізоляції. Високовольтну систему потрібно було попередньо знеструмити, щоб можна було перевірити всі важливі для системи компоненти за допомогою приладу для вимірювання ізоляції. Спочатку було відключено 12-вольтову напругу електричної системи автомобіля, щоб на наступних етапах робіт можна було витягнути штепсельну вилку для технічного обслуговування високовольтної мережі, перевірити фактичну відсутність напруги та убезпечити її від повторного увімкнення.

Вимірювання ізоляції може гарантувати, що різні потенціали чітко ізольовані один від одного і що струм протікає тільки через призначені для нього компоненти. Однак з роками різні властивості матеріалів компонентів можуть змінюватися під впливом зовнішніх впливів і механічних навантажень і, таким чином, також втрачати свою ізоляційну здатність.

Якщо, наприклад, потенціал прикладений до корпусу компонента або кузова транспортного засобу, це не можна назвати прямим коротким замиканням, і ризик ураження електричним струмом відсутній. Однак це подолало б першу з щонайменше двох перешкод на шляху до створення потенційного джерела небезпеки.

Щоб забезпечити негайне розпізнавання цього стану, всі електрифіковані транспортні засоби автоматично та через регулярні проміжки часу проводять перевірку ізоляції. Залежно від виробника транспортного засобу, кількість встановлених перевірок ізоляції, місце їх встановлення, а також варіант вимірювання можуть відрізнятися.

В основному, всі вони мають одну спільну рису: чим вищий опір ізоляції, тим нижча ймовірність втрат і пов’язаної з ними небезпеки.

У разі виявлення несправності ізоляції у відповідному блоці управління робиться запис про несправність, а на приладовій панелі з’являється попередження. Залежно від типу несправності, системи приводу, як правило, залишаються активними, щоб автомобіль міг самостійно доїхати до майстерні. Як тільки виникає друга активна несправність ізоляції, високовольтна система повністю відключається з міркувань безпеки. На додаток до автоматизованої перевірки з боку транспортного засобу, опір ізоляції можна також виміряти вручну за допомогою спеціально розробленого тестера ізоляції – також відомого як мегомметр. Вимірювальний пристрій може генерувати перевірочну напругу до 1000 вольт. Ця перевірочна напруга повинна бути вищою, ніж фактична напруга високовольтної батареї. З міркувань безпеки завжди слід дотримуватися специфікацій виробника.

Процес ручного вимірювання може бути корисним, наприклад, для перевірки записів про несправності, розпізнаних системою контролю ізоляції автомобіля, і, таким чином, для визначення їх причини на стороні компонента або кабелю.

Залежно від топології приводної системи, ручна перевірка ізоляції може бути легко проведена на силовій електроніці, оскільки майже всі компоненти підключені до неї. Для цього вимірювальні адаптери необхідно приєднати між позитивним і негативним високовольтними з’єднаннями відповідних компонентів. Іншим варіантом вимірювання є вимірювання безпосередньо між позитивним або негативним високовольтним кабелем і кузовом автомобіля.

Після зняття компоненту можна визначити опір ізоляції між високовольтними з’єднаннями та відповідним корпусом. Щоб виключити наявність внутрішніх блокуючих пристроїв, для надійності вимірювання слід повторити зі зміною полярності.

Оскільки проведені вимірювання не дали жодних значущих результатів, були проведені повторні випробування. Як не дивно, безперервність у появі повідомлень про помилки так і не вдалося встановити. Хоча більшість записів завжди були однаковими, склад помилок завжди був різним. Наприклад, завжди можна було відтворити лише відсутність живлення, коли автомобіль заводився вранці на холодну погоду. Виходячи з цього висновку, можна було відтворити ситуацію, що призвела до порушення, кілька разів, за умови, що робоча температура відповідно знизилася. Тим не менш, не вдалося визначити точний час, коли виникла несправність.

Докази вказували на те, що між повідомленнями про помилки і робочою температурою має бути зв’язок, тобто з системою охолодження або обігріву. На основі цих висновків було знято і відкрито високовольтну батарею.

Т-подібна високовольтна батарея розташована під автомобілем, починається під лавою задніх сидінь і тягнеться вздовж кузовного тунелю до передньої перегородки. Там зручно розташовані всі електричні та охолоджувальні з’єднання, а також керуюча електроніка системи керування батареєю (BMS), контактори та силові транзистори. Всього використовується 5 контакторів, які розділені на наступні зони:

▶ 2 високовольтних контактори для акумуляторів на плюсовій і мінусовій стороні

▶ 2 високовольтних контактори ланцюга зарядки на плюсовій і мінусовій стороні

▶ 1 високовольтний багатофункціональний контактор для високовольтного обігріву

Високовольтна батарея складається з чотирьох блоків елементів, з яких два задні модулі складаються з 126 елементів – 54 елементи зліва і 72 елементи справа. Подовжена частина складається з 162 елементів – передній модуль складається з 90 елементів, а центральний модуль – з 72 елементів.

Це дає загальну кількість 288 комірок. Вони розділені на 96 блоків по 3 комірки паралельним з’єднанням, які, в свою чергу, з’єднані послідовно. Це дає загальну напругу 360 вольт. Кожен блок елементів має власну систему контролю для моніторингу температури і напруги.

Спрощення сучасних концепцій високовольтних акумуляторів представляють значно менший потенціал ризику порівняно зі старими акумуляторними батареями. Це пов’язано з тим, що все більше виробників утримують загальну напругу окремих блоків елементів нижче 60 вольт. Навіть якщо ланцюг напруги всередині високовольтного акумулятора перервати, знявши сервісний штекер, це не означає, що небезпека під корпусом акумулятора зменшилася. Різні розміри блоків елементів призводять до наявності різноого рівня напруги вище 60 вольт.

Щоб підтримувати оптимальну робочу температуру, високовольтна батарея має власний контур охолоджувальної рідини. Для того, щоб мати можливість нагрівати його при низьких температурах незалежно від двигуна внутрішнього згоряння, йому потрібна власна енергія. Для цього в так званому блоці керування високовольтної батареї на вході охолоджувальної рідини встановлено нагрівальний елемент HV-PTC, яким можна керувати за потреби за допомогою силового транзистора.

Подібно до звичайного автономного підігрівача для двигунів внутрішнього згоряння, електрифіковані системи приводу також можуть бути приведені в оптимальний температурний діапазон в режимі стоянки, зарядки або готовності до роботи. У той же час, цей тип попередньої підготовки може бути виконаний під час роботи з діагностичним тестером. Факт, який слід враховувати, перш за все, при спробі відтворити скаргу клієнта або відтворити несправність.

Під час перевірки системи, що супроводжує запуск автомобіля, також перевіряється правильність роботи підігрівача акумулятора, за умови, що охолоджуюча рідина ще не досягла робочої температури. Згідно з документацією виробника, елемент HV-PTC вмикається через нагрівальний транзистор приблизно через одну хвилину після ввімкнення приводної системи. Блок керування контролює необхідне підвищення температури на 1°C кожні 2 секунди за допомогою двох розташованих поруч датчиків температури.

Під час перевірки нагрівального елемента було виявлено значно нижчий опір ізоляції, ніж у інших компонентів системи. Крім того, після виймання спіралеподібного нагрівального елемента з корпусу можна було виявити відкладення і наліт, а також дві темні плями в зоні переходу між несучою пластиною і спіраллю.

Для нас це було свідченням погіршення властивостей матеріалу, тому ми вирішили замінити нагрівальний елемент. На щастя, скаргу клієнта більше не вдалося відстежити.

Причину, чому несправність виникала спорадично, згодом можна пояснити тим, що система опалення вмикається лише за потреби. Залежно від методу вимірювання ізоляції, цілком можливо, що опір ізоляції на неактивних ділянках не може бути визначений. На противагу цьому, інші більш чутливі вимірювачі ізоляції розпізнають навіть найменші відхилення від заданих значень, наприклад, спричинені тріщинами в ізоляції кабелю. Оскільки нагрівальний елемент розташований у контурі теплоносія, це також пояснює інші помилки ізоляції в системі високовольтних кабелів.

В продовження теми: