Kompleksowe zarządzanie temperaturą
Hella GutmanZasięg pojazdów elektrycznych zależy od wydajności zastosowanych akumulatorów trakcyjnych. Duże znaczenie dla ich sprawności i żywotności ma temperatura pracy poszczególnych ogniw.
- Oprócz konwencjonalnych czynników chłodniczych R134a i R1234yf w układach klimatyzacji zastosowanie ma także dwutlenek węgla (R744).
- Kontrolowane zarządzanie temperaturą baterii zapobiega nierównomiernemu, przedwczesnemu starzeniu się ogniw akumulatora.
- Układ chłodzenia w Audi Q5 ma również możliwość chłodzenia akumulatora wysokiego napięcia.
- Podczas sprawdzania ilości czynnika chłodniczego, należy mieć na uwadze jego ilość podaną w specyfikacji urządzenia chłodniczego.
- Zastosowanie pompy ciepła umożliwia wykorzystanie ciepła odpadowego z elementów napędu elektrycznego do ogrzewania wnętrza pojazdu.
W samochodach elektrycznych obowiązuje zasada pracy ogniw w zakresie 0–40°C. Ponadto różnica temperatur pomiędzy poszczególnymi ogniwami akumulatora nie powinna przekraczać określonej wartości. Aby zapewnić idealną równowagę temperaturową, w pojazdach elektrycznych znajduje się złożony system zarządzania ciepłem, który często steruje również systemem klimatyzacji pojazdu. W związku z tym do naprawy systemu zarządzania ciepłem niezbędny jest serwis klimatyzacji.
Ponieważ oprócz konwencjonalnych czynników chłodniczych R134a i R1234yf w układach klimatyzacji zastosowanie ma także dwutlenek węgla (R744), warsztaty samochodowe muszą mieć na wyposażeniu odpowiednie stacje obsługi dla każdego czynnika chłodniczego. Szczególnie przyjazny dla środowiska R744 jest obecnie najczęściej stosowany. Coraz więcej producentów pojazdów stawia bowiem na wysoce efektywną pompę ciepła, która może zarówno chłodzić, jak i ogrzewać, aby zwiększyć wydajność i zasięg baterii trakcyjnej. Pionierem w przypadku R744 jest Grupa Volkswagen ze swoimi samochodami elektrycznymi.
Dzięki urządzeniu diagnostycznemu…
Podobnie jak wszystkie inne elektryczne i elektroniczne systemy pojazdu, OBD (On-Board Diagnostics) samochodu elektrycznego monitoruje również układ wysokiego napięcia. Dlatego także tutaj diagnostyka usterek rozpoczyna się od użycia urządzenia diagnostycznego. Może ono dostarczyć ważnych informacji, takich jak monitorowanie akumulatora, aktualne napięcia i temperatury poszczególnych ogniw akumulatora, temperatury niektórych elementów systemu napędowego, tryby pracy (ładowanie, rekuperacja, „żeglowanie” itp.).
Odczyt wartości rzeczywistej lub parametru pomaga również zidentyfikować błąd. W zależności od tego, czy próbnik wyświetla temperaturę akumulatora jako „prawdopodobną”, czy „nieprawdopodobną”, można stwierdzić, że np. czujnik temperatury jest uszkodzony, kabel jest przerwany lub akumulator jest uszkodzony.
…i technice pomiarowej
Do dalszych prac kontrolnych w układzie wysokiego napięcia (np. do stwierdzenia braku napięcia, do pomiaru wysokich napięć, rezystancji izolacji i rezystancji wyrównania potencjału) niezbędne są specjalne samochodowe urządzenia pomiarowe wysokiego napięcia. Muszą one spełniać wymagania bezpieczeństwa regulaminu UN ECE R100 (dotyczy on homologacji elektrycznych pojazdów drogowych, w tym bezpieczeństwa ich akumulatorów).
Są one dostępne np. jako samodzielne urządzenie (takie jak „HV Safety” firmy AVL Ditest) lub jako dodatkowy moduł pomiarowy do systemu diagnostycznego (taki jak „MT-HV” oferowany przez Hella Gutmann Solutions specjalnie dla „Mega Macs X”, zdjęcie otwierające) lub jako komponent kompleksowego systemu kontroli pojazdów (takiego jak „FSA 050” firmy Bosch). Dzięki urządzeniom pomiarowym HV można bezpiecznie wykonywać pomiary wysokiego napięcia do 1000 V. Ponadto dostępne oprogramowanie pomiarowe umożliwia rejestrację uzyskanych danych pomiarowych i wykonanie kompletnego raportu z przeprowadzonych badań.
W zależności od urządzenia mechanik ma do dyspozycji dodatkowe możliwości pomiarowe i testowe, takie jak kontrola rezystancji izolacji, pomiary pojemności lub testowanie diod.
Ponadto w warsztacie wysokonapięciowym powinien znajdować się osobny amperomierz cęgowy o zakresie pasma częstotliwości odpowiednim do wykrywania prądów wysokiej częstotliwości z wystarczającą dokładnością. Niezbędny jest również multimetr cyfrowy, który ma możliwość pomiaru wysokich napięć, prądów stałych i przemiennych oraz rezystancji. Kolejnym przydatnym urządzeniem mogą być cęgi pomiarowe, które umożliwią w sposób bezpieczny i bezkontaktowy pomiar przepływającego prądu.
Według ekspertów z dziedziny elektroniki konwencjonalne multimetry, nawet jeśli mają zakres pomiaru napięcia do 1000 V, nie nadają się do pomiaru HV. Mogą bowiem być również używane do pomiaru prądu, co stwarza ryzyko wybrania niewłaściwego zakresu pomiarowego, co może spowodować groźne dla życia zwarcie.
Systemy chłodzenia i ogrzewania w samochodach elektrycznych i hybrydowych
Zarządzanie temperaturą akumulatorów litowo-jonowych ma ogromne znaczenie. Im więcej ciepła uwalnianego podczas procesu ładowania i rozładowywania można odprowadzić, tym bardziej wydajne mogą być te procesy. Podobnie kontrolowane zarządzanie temperaturą baterii zapobiega nierównomiernemu i przedwczesnemu starzeniu się ogniw akumulatora, a w ten sposób umożliwia przedłużenie żywotności całego systemu akumulatorów. Do wyboru są różne opcje chłodzenia).
W celu zobrazowania wyzwań, jakie stoją przed serwisem, przyjrzyjmy się zastosowanym systemom. Zacznijmy od Audi Q5 Hybrid Quattro. To pierwszy hybrydowy model Audi, w którym są dwa systemy napędowe i w wersji hybrydowej równoległej łączy się 2,0-litrowy silnik benzynowy TFSI o mocy 155 kW z chłodzonym cieczą silnikiem elektrycznym o mocy 40 kW. Silnik elektryczny jest zasilany przez kompaktowy akumulator litowo-jonowy.
Jeżeli przyjrzymy się obiegowi czynnika chłodniczego w Q5, zauważymy, że zamiast sprężarki napędzanej paskiem zamontowano elektryczną sprężarkę klimatyzacji. Jest ona przykręcona do silnika i połączona przewodem wysokiego napięcia z elektronicznym modułem zasilającym i sterującym. Przewód ten ma styki dla „wysokiego napięcia” i styki dla przewodu bezpieczeństwa. Dzięki temu sprężarka czynnika chłodniczego może pracować niezależnie od prędkości obrotowej silnika spalinowego. Zintegrowana ze sprężarką czynnika chłodniczego jednostka sterująca „klimatyzacji” odpowiada za jej wysterowanie.
AudiPrzykład elektrycznej sprężarki klimatyzacji zamontowanej w Audi Q5 Hybrid.
Funkcja „Off” lub „AC off” wpływa tylko na klimatyzację wewnątrz kabiny pojazdu. W przypadku chłodzenia baterii trakcyjnej sprężarka jest sterowana niezależnie przez zespół sterowania klimatyzacją. Wymiana ciepła dla klimatyzacji w kabinie odbywa się według znanej i często opisywanej metody z dwoma głównymi elementami – wymiennikiem ciepła (skraplaczem) w komorze silnika i wymiennikiem ciepła (parownikiem) w urządzeniu klimatyzacyjnym. W tym czasie stosowany jest głównie czynnik chłodniczy R1234yf, a w tym systemie – jeszcze R134a.
DBDroga powietrza z zewnątrz do wnętrza i odpowiednie komponenty, które ogrzewają powietrze lub chłodzą.
Temperatura powietrza na wylocie z nawiewników jest regulowana przez przepustnice powietrza mieszanego. Regulują one w sposób ciągły przepływ ciepłego powietrza z wymiennika ciepła i – w razie potrzeby – schłodzonego powietrza z parownika. Do celów sterowania jednostka sterująca ocenia sygnały z czujników parownika oraz – w zależności od typu – sygnały z dalszych czujników temperatury w odpowiednich otworach wentylacyjnych. Przy maksymalnym zapotrzebowaniu na chłodzenie świeże lub recyrkulowane powietrze jest zasysane przez silnik wentylatora i przez parownik. Następnie przepływa obok wymiennika ciepła, kierowane przez przepustnice powietrza mieszanego. W ten sposób świeże lub recyrkulowane powietrze dociera do odpowiednich otworów wentylacyjnych nieogrzewane/chłodzone. W zależności od wymaganej temperatury przepustnice powietrza mieszanego otwierają się bardziej lub mniej.
Regulacja temperatury akumulatora trakcyjnego
Układ chłodzenia w Audi Q5 ma również możliwość chłodzenia akumulatora wysokiego napięcia. Gdy akumulator jest ładowany, procesy chemiczne zachodzące podczas rozładowywania ulegają odwróceniu. Podczas tego procesu uwalniane jest ciepło, co powoduje nagrzewanie się akumulatora.
Ponieważ akumulator wysokiego napięcia jest poddawany ciągłemu rozładowywaniu i ładowaniu, również tutaj mogą powstawać znaczne ilości ciepła. Oprócz możliwego zużycia akumulatora powoduje to przede wszystkim wzrost oporu elektrycznego przewodników. Prowadzi to do tego, że energia elektryczna nie jest zamieniana na pracę, lecz oddawana w postaci ciepła. Z tego powodu akumulator wysokiego napięcia ma moduł chłodzący z własnym parownikiem i jest podłączony do obiegu czynnika chłodzącego elektrycznej sprężarki klimatyzacji. Moduł chłodzący pracuje przy zasilaniu pokładowym 12 V.
AudiAkumulator HV z kompletnym systemem chłodzenia na przykładzie Audi Q5 Hybrid
Elementy modułu chłodzącego to wentylator, serwomotory klap recyrkulacyjnych, czujniki temperatury przed parownikiem i za nim oraz zawory odcinające czynnik chłodniczy. Ponadto 6 czujników temperatury znajduje się między obudową zespołu akumulatora pojazdu hybrydowego a dwoma częściami akumulatora, a po jednym czujniku temperatury znajduje się na wlocie i wylocie powietrza chłodzącego akumulator modułu chłodzącego.
Jeżeli jednostka sterująca „zarządzania akumulatorem” wykryje poprzez czujniki temperatury, że temperatura akumulatora jest zbyt wysoka, załącza dodatkowo wentylator. W jednostce sterującej zapisany jest model funkcji chłodzenia. W zależności od temperatury system przełącza się z trybu świeżego powietrza na tryb recyrkulacji z aktywnym parownikiem.
Istnieją trzy poziomy zapotrzebowania na moc chłodniczą, a prędkość wentylatora jest określana przez jednostkę sterującą. W trybie świeżego powietrza wentylator pobiera powietrze z wnęki koła zapasowego, kieruje je przez parownik w celu schłodzenia akumulatora. Ciepłe powietrze jest wydalane na zewnątrz pod tylny, lewy zderzak. W trybie recyrkulacji klapy recyrkulacyjne są zamknięte i nie jest pobierane świeże powietrze.
Elektrozawór odcinający (normalnie otwarty), który znajduje się w instalacji chłodniczej akumulatora hybrydowego, nie jest zasilany i steruje przepływem czynnika chłodniczego do urządzenia klimatyzacyjnego akumulatora hybrydowego. Podobnie elektrozawór, który znajduje się w instalacji klimatyzacji wnętrza pojazdu, jest również otwarty i podaje czynnik chłodniczy do urządzenia klimatyzacyjnego dla kabiny pasażerskiej. Moduł chłodniczy ma pozycję serwisową, umożliwiającą dostęp do zainstalowanego pod nim akumulatora 12 V.
Podczas wykonywania standardowych prac przy układzie chłodniczym, np. podczas sprawdzania ilości czynnika chłodniczego, należy uwzględnić jego ilość podaną w specyfikacji urządzenia chłodniczego. W przypadku reklamowania przez klienta wydajności chłodniczej systemu, spowodowanej nieszczelnościami, podczas kontroli systemu należy uwzględnić także dodatkowe wyposażenie i interfejs do systemu wysokiego napięcia.
W przypadku naprawy może być konieczne przepłukanie obiegu czynnika chłodniczego. Należy przestrzegać następujących warunków brzegowych: w przypadku elektrycznie napędzanej sprężarki klimatyzacji spuszczenie czynnika chłodniczego może nie być możliwe jak w przypadku mechanicznie napędzanej sprężarki klimatyzacji, ze względu na brak korka spustowego. Elektryczna sprężarka klimatyzacji musi zostać przepłukana, aby można było spuścić znajdujący się w niej czynnik chłodniczy lub określić jego ilość. Sprężarka z czynnikiem chłodniczym jest przepłukiwana w kierunku przepływu.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Obwód czynnika chłodniczego jest płukany w dwóch sekcjach. W pierwszym cyklu płukania obwód czynnika chłodniczego jest płukany wraz z parownikiem w urządzeniu klimatyzacyjnym. W tym celu do obwodu czynnika chłodniczego zamiast zaworu rozprężnego montuje się adaptery do płukania. W drugim cyklu płukania obwód czynnika chłodniczego jest płukany z parownikiem w wymienniku ciepła baterii trakcyjnej. Oczywiście oznacza to również, że wydajność systemu wysokiego napięcia zależy od prawidłowego funkcjonowania systemu zarządzania ciepłem baterii. W omawianym tu pojeździe Audi Q5 istnieje też interfejs do zarządzania ciepłem silnika spalinowego.
Sterowanie temperaturą silnika napędowego
Silnik trakcyjny napędu elektrycznego jest chłodzony wodą i zintegrowany z obiegiem wysokotemperaturowym silnika spalinowego. Płyn chłodzący jest dostarczany przez pompę płynu chłodzącego „obiegu wysokotemperaturowego” (w 3 stopniach) zależnie od zapotrzebowania. Pompa jest sterowana przez jednostkę sterującą silnika. Czujnik temperatury silnika elektrycznego jest termistorem NTC i mierzy temperaturę między dwoma uzwojeniami silnika trakcyjnego. Jeżeli temperatura przekroczy 180–200°C, moc wyjściowa silnika elektrycznego zostaje zredukowana do zera (przy pracy generatorowej i jeździe elektrycznej). Ponowny rozruch silnika jest możliwy poprzez rozrusznik 12 V, w zależności od spadku temperatury silnika.
AudiPompa płynu chłodzącego jako część systemu chłodzenia samochodu elektrycznego, na przykładzie Audi Q5 Hybrid.
Pojazd z napędem elektrycznym wytwarza mniej ciepła odpadowego niż pojazd z silnikiem spalinowym. Konieczne jest efektywne wykorzystanie nagromadzonej energii cieplnej.
Dzięki zastosowaniu pompy ciepła nie trzeba wytwarzać energii z ciepła odpadowego, które można wykorzystać do ogrzewania wnętrza. Zasada działania pompy ciepła jest znana od lat w technice budowlanej, a teraz trafia do świata motoryzacji. W dalszej części omówimy rozwój systemów zarządzania ciepłem na przykładzie Audi Q7 E-Tron.
Zastosowanie pompy ciepła umożliwia wykorzystanie ciepła odpadowego z elementów napędu elektrycznego do ogrzewania wnętrza pojazdu. Poprzez rozszerzenie obiegu czynnika chłodniczego i chłodziwa można odzyskać ciepło do celów grzewczych. To znacznie zwiększa efektywność ogrzewania elektrycznego. Pompa ciepła wpływa także na zasięg pojazdu, ponieważ wykorzystuje ciepło odpadowe z elektrycznego układu napędowego. Za jego pomocą podnosi temperaturę cieczy chłodzącej, która przepływa przez wymiennik ciepła.
Dodatkowa nagrzewnica i sprężarka elektryczna
Dzięki elektrycznej sprężarce klimatyzacji i nagrzewnicy wysokiego napięcia (PTC) możliwe jest schłodzenie wnętrza auta w lecie i wstępne ogrzanie w zimie przed rozpoczęciem podróży. Po uzyskaniu w kabinie temperatury ok. 21°C pompa ciepła jest w stanie utrzymać powyższą temperaturę bez dodatkowego ogrzewania. Jest to możliwe do temperatury zewnętrznej ok. 0°C. Jeżeli temperatura zewnętrzna spadnie poniżej 0°C, wsparciem może być system ogrzewania wysokonapięciowego.
AudiNagrzewnica pomocnicza PTC. W razie potrzeby ogrzewa elektrycznie płyn chłodzący.
Jeśli chodzi o zapobieganie zaparowywaniu szyb przy wilgotnej pogodzie, pojawia się kolejna zaleta pompy ciepła. Za jej pomocą można najpierw schłodzić zasysane powietrze, osuszyć je, a następnie efektywnie dogrzać.
Konwencjonalne systemy ogrzewania pojazdów z napędem elektrycznym muszą tutaj zużywać energię dwukrotnie. System grzewczy wysokiego napięcia jest wykorzystywany tylko wtedy, gdy moc grzewcza pompy ciepła nie wystarcza do ogrzania wnętrza.
Jednostka sterująca koordynuje wymagania nowo dodanych przez pompę ciepła komponentów i wymagania podsystemów, a także próbuje ustawić korzystne energetycznie punkty pracy. Jest ona zamontowana pod prawym błotnikiem Q7. Aby móc zawęzić możliwą przyczynę usterki, w jednostce sterującej zapisano różne procedury, które zawierają następujące funkcje: klimatyzacja, pompa ciepła i chłodzenie elementów systemu wysokiego napięcia. Zależnie od zapotrzebowania jednostka sterująca wybiera najlepszy z ponad 200 możliwych stanów przełączenia. Ponadto 4 komponenty uzupełniają znane elementy obiegu czynnika chłodniczego:
1. Cztery zawory odcinające są umieszczone w kompaktowym bloku zaworów i są sterowane przez jednostkę sterującą za pośrednictwem magistrali LIN (local lnterconnect network). Pozycje przełączania zaworów definiują działanie systemu. Ponadto w zestawie znajdują się następujące zawory:
- elektroniczny zawór rozprężny ze sterowaniem szeregowym LIN z jednostki sterującej do zarządzania termicznego,
- zawór odcinający czynnik chłodniczy zamykający parownik; zawory zwrotne zapewniają prawidłowy przepływ czynnika chłodniczego w różnych trybach pracy.
2. Wymiennik ciepła akumulatora pojazdu hybrydowego to wymiennik płytowy, w którym odparowuje czynnik chłodniczy. Element ten służy do chłodzenia obiegu akumulatora i pobierania ciepła z obiegu niskotemperaturowego w trybie pompy ciepła. Oprócz obiegu czynnika chłodniczego Q7 E-Tron ma też obieg wysokotemperaturowy i niskotemperaturowy. To konieczne, aby spełnić wymagania temperaturowe wszystkich komponentów pojazdu hybrydowego. Obieg płynu chłodzącego silnik chłodzi silnik spalinowy i skrzynię biegów oraz ogrzewa wnętrze pojazdu. Obieg płynu chłodzącego systemu wysokiego napięcia reguluje temperaturę akumulatora hybrydowego i układu ładowania. Przez ten obieg chłodzone są również elementy elektrycznego układu napędowego, silnika elektrycznego i elektroniki mocy.
3. W pojeździe znajdują się dwa zbiorniki wyrównawcze płynu chłodzącego:
- pierwszy dla obiegu płynu chłodzącego silnik,
- drugi, zabezpieczony ołowianą plombą, dla obiegu chłodzenia baterii trakcyjnej.
Podczas serwisowania należy przestrzegać wskazówek bezpieczeństwa, które dotyczą utraty płynu chłodzącego w obwodzie baterii trakcyjnej. Plomba umożliwia wykrycie otwartego układu i ewentualnie uzupełnianego płynu chłodzącego bez wykonania próby szczelności.
4. Wymiennik ciepła podczas pracy pompy ciepła przekazuje ciepło z obiegu czynnika chłodniczego lub obiegu chłodzenia do obiegu grzewczego. Gorący, gazowy czynnik chłodniczy skrapla się w płytowym wymienniku ciepła, przekazując ciepło do obiegu grzewczego. W układzie wymiennika zamontowane są dwa czujniki ciśnienia czynnika chłodniczego i temperatury czynnika chłodniczego. Podczas wymiany czujników należy mieć na uwadze ich „stały adres diagnostyczny”.
Trzy tryby pracy pompy ciepła to ogrzewanie, chłodzenie i tryb „reheat” do osuszania powietrza. Aby ogrzać wnętrze, elektryczna sprężarka klimatyzacji spręża gazowy czynnik chłodniczy, znacznie go podgrzewając. Wymiennik ciepła w przypadku pracy pompy ciepła przekazuje ciepło gorącego gazu do obiegu grzewczego kabiny pojazdu dzięki czemu gaz zostaje schłodzony i skroplony. Ciekły czynnik chłodniczy jest rozprężany przez elektryczny zawór rozprężny, a następnie odparowuje w wymienniku ciepła „akumulatora hybrydowego”.
W tym procesie wymiennik ciepła pobiera ciepło z niskotemperaturowego obiegu elektrycznego układu napędowego, powodując obniżenie jego temperatury o ok. 3–5°C. Dzięki temu procesowi pompa ciepła sprawia, że ciepło odpadowe z elektrycznego układu napędowego może być wykorzystane do ogrzewania wnętrza pojazdu.
AudiNagrzewnica pomocnicza PTC. W razie potrzeby ogrzewa elektrycznie płyn chłodzący.
W trybie chłodzenia gorący gazowy czynnik chłodniczy nie jest skraplany w wymienniku ciepła „Tryb pompy ciepła” jak w trybie ogrzewania, lecz w dużym skraplaczu w przedniej części pojazdu. Jest on rozprężany przez termiczny zawór rozprężny, odparowuje w parowniku urządzenia klimatyzacyjnego i w ten sposób chłodzi wnętrze pojazdu.
W trybie dogrzewania powietrze jest najpierw schładzane, osuszane, a następnie ponownie podgrzewane. Wymiennik ciepła „Tryb pompy ciepła” dostarcza ciepło do wnętrza. W razie potrzeby system może korzystać także z ciepła odpadowego z elektrycznego układu napędowego poprzez wymiennik ciepła „Akumulator hybrydowy”. Ten tryb pracy zapobiega zaparowaniu szyb.
