W samochodach hybrydowych energię odzyskuje się podczas hamowania. Włączane są wtedy generatory elektryczne, które wytwarzają prąd. Jak wygląda to rozwiązanie w przypadku samochodu z silnikiem spalinowym? Otóż, podczas hamowania silnikiem praktycznie każdy sterownik odcina dopływ paliwa, co oznacza, że silnik hamuje samochód skuteczniej. W trakcie tego hamowania nie jest spalany ani gram paliwa. W rozwiązaniach inteligentnego ładowania akumulatora moment hamowania silnikiem okazał się najlepszym sposobem odzyskania energii

Sprawa sterowania

Podczas jazdy inteligentny sterownik ładowania akumulatora włącza doładowywanie tylko wtedy, gdy zachodzi taka konieczność. Pełne obciążenie silnika ładowaniem akumulatora następuje wtedy, gdy sterownik silnika odcina wtrysk przy hamowaniu silnikiem. Wtedy napięcie wtórne w obwodzie alternatora zostaje zwiększone do maksimum, aby maksymalnie wykorzystać energię kinetyczną pojazdu. Dzięki temu energia elektryczna do ładowania akumulatora wytwarzana jest praktycznie bezkosztowo i bez dodawania do niej energii z paliwa – tylko w efekcie ruchu pojazdu.

Oczywiście, system ładowania akumulatora wie, ile energii musi przeznaczyć na rozruch samochodu oraz na zasilanie odbiorników, więc nie dopuści do całkowitego rozładowania. Przy takiej strategii ładowania akumulatora, zwanej ładowaniem rekuperacyjnym, można zaoszczędzić do 3% paliwa.

Budowa systemu

Aby umożliwić odzyskiwanie energii przez rekuperację, konieczny jest centralny sterownik. Jest to moduł programowy iGR (integrated Generator Regulation – zintegrowana regulacja generatora) wgrany do sterownika silnika. Modyfikacje samej instalacji elektrycznej polegają na zastosowaniu interfejsu regulatora napięcia oraz czujnika, za pomocą którego możliwe jest określenie stanu naładowania akumulatora. Konieczne jest też użycie akumulatora, który będzie mógł wytrzymać duże obciążenie cykliczne. W przypadku wykrycia przez elektronikę sterowania jakiegoś problemu z systemem, zostaje on automatycznie przesterowany na standardowy tryb pracy, czyli sposób ładowania znany ze standardowych rozwiązań.

Interfejs regulatora napięcia

Alternatory są dopasowywane wydajnością do danego pojazdu i różnią się między sobą wydatkiem prądowym. Zazwyczaj mogą dostarczać prąd ładowania o natężeniu od 90 do 210 A. Tymczasem zapotrzebowanie na prąd stale rośnie. W związku z tym w trakcie pracy alternatora napędzanego z silnika ciągle zmienia się jego opór pracy, co jest odczuwalne jako zmienny moment obrotowy hamujący pracę wału korbowego. Obciążenie generowane przez alternator może wynosić nawet 60 Nm. Aby wyeliminować tak duże wahania momentu hamującego wytwarzanego przez alternator i ustabilizować pracę silnika, konieczne stało się zastosowanie cyfrowego sterowania regulatorem napięcia. Z jego pomocą możliwe stało się stałe kontrolowanie pracy alternatora przez sterownik silnika. W tracie pracy alternatora zbierane są informacje na temat napięcia ładowania oraz temperatury alternatora, które wskazują na stan jego obciążenia. Za pośrednictwem interfejsu cyfrowego sterownik silnika może także zlecić w żądanym momencie doładowanie akumulatora

Nadmienić trzeba, że kontrolka ładowania widoczna na desce rozdzielczej nie jest już połączona bezpośrednio z alternatorem, lecz za sterowanie nią odpowiada sterownik silnika

Funkcje interfejsu regulatora napięcia

W związku z cyfrowym sterowaniem regulatora napięcia możliwe stało się dodanie następujących funkcji w systemie:

• aktywowanie lub odłączenie alternatora na podstawie zaprogramowanego parametru,
• określenie programowego maksymalnego obciążenia akumulatora,
• sterowanie reakcją alternatora na skoki obciążenia (Load Response),
• obliczenie momentu hamującego stawianego przez alternator na podstawie takich danych, jak prędkość
• obrotowa i prąd ładowania oraz temperatura alternatora,
• diagnozowanie poprawności przesyłu danych między alternatorem i sterownikiem silnika,
• określenie uszkodzenia alternatora i zapisanie stosownego komunikatu w pamięci usterek,
• sterowanie kontrolką ładowania na desce rozdzielczej przez sieć CAN.

W przypadku problemów z komunikacją między alternatorem i sterownikiem silnika alternator pracuje zgodnie ze standardowymi procedurami. Sterownik może rozpoznać i zapisać w pamięci następujące usterki:

• przeciążenie termiczne alternatora – w przypadku wykrycia przekroczenia temperatury sterownik określa
• przeciążenie alternatora; dla bezpieczeństwa obniżane jest napięcie ładowania do momentu spadku temperatury w tym przypadku nie jest aktywowana kontrolka na desce rozdzielczej,
• uszkodzenie mechaniczne ,
• uszkodzenie elektryczne,
• błąd komunikacji – uszkodzenie przewodów między alternatorem a sterownikiem. 

Na tym poziomie nie jest możliwe wykrycie uszkodzenia nawoju – przerwy w uzwojeniu ani zwarcia.

Strategia ładowania z inteligentnym sterownikiem alternatora w zależności od potrzeb umożliwia także niskie ładowanie akumulatora. Źródło: „autoFACHMANN”

Do komunikacji z alternatorem BMW używa sieci cyfrowej. Źródło: „autoFACHMANN”

Zintegrowany czujnik akumulatora IBS

Aby system działał poprawnie, niezbędne jest nie tylko cyfrowe sterowanie alternatorem, ale także nadzorowanie samego akumulatora. Czujnik IBS (Intelligent Battery Sensor – inteligentny czujnik akumulatora) pozwala na określenie stanu naładowania oraz stanu zużycia akumulatora. W tym celu czujnik mierzy prąd ładowania, prąd rozładowywania, napięcie na stykach oraz temperaturę elektrolitu. Największe wyzwanie stanowi dla niego pomiar prądu. Podczas ładowania do akumulatora może docierać prąd o natężeniu ok. 200 A, natomiast przy forsownym rozładowywaniu prąd może dochodzić do 1000 A. To oznacza, że rozbieżność między prądem ładowania a rozładowywania może wynieść nawet do 1200 A.

W przypadku pomiarów prądów spoczynkowych od czujnika wymaga się dużej dokładności. Powinna ona wynosić przynajmniej 10 mA w zakresie prądu do wartości 10 A.

Czujnik ten mierzy prądy spoczynkowe, dzięki czemu może określić stan akumulatora (SoH – State of Health). Na podstawie tej informacji oraz danych o strategii ładowania (SoC – State of Charge) czujnik może określić stan funkcjonowania akumulatora (SoF – State od Function), co jest potrzebne do zdefiniowania parametrów ładowania podczas rekuperacji, aby nie zniszczyć akumulatora przeładowaniem oraz nie doprowadzić do niedoładowania akumulatora, np. w przypadku utraty pojemności.

Czujnik akumulatora najczęściej jest zabudowany na ujemnej klemie akumulatora. Aby zniwelować zjawisko rozładowywania akumulatora przez sam czujnik pobierający prąd do swojej pracy, zastosowano w nim tryb uśpienia.

W czasie postoju czujnik mierzy parametry akumulatora co 40 sekund. Sam pomiar trwa 50 milisekund. Wartości są zapamiętywane w pamięci, którą odczytuje sterownik silnika. Jeśli w odczytach nastąpi jakaś nieprawidłowość, to w pamięci zostanie zapisana stosowana informacja.

Zanim sterownik silnika przejdzie w tryb uśpienia, przekazuje do czujnika akumulatora informację o stanie naładowania. Gdy jest rozładowany, czujnik wysyła sygnał zwrotny, na podstawie którego sterownik wymusza odłączenie odbiorników prądu.

„autoFACHMANN”