Przegląd technologii hybrydowych
Zarządzanie temperaturą w samochodach hybrydowych
W tym miejscu znajdziesz pożyteczną wiedzę podstawową i cenne wskazówki dotyczące zarządzania temperaturą w pojazdach hybrydowych.
Jako ogniwo pośrednie przez całkowicie elektrycznymi pojazdami na rynku pojawia się coraz więcej modeli samochodów z napędem hybrydowym. Wymagają one nowych rozwiązań w zakresie klimatyzacji wnętrza pojazdu i zarządzania temperaturą. Na tej stronie znajdziesz wyczerpujący przegląd informacji związanych z pojazdami hybrydowymi: od podstaw i właściwości systemu poprzez rozwiązania w zakresie zarządzania temperaturą aż po specjalne wymagania podczas prac konserwacyjnych i napraw.
Ważna zasada bezpieczeństwa
Poniższe informacje i porady praktyczne zostały przygotowane przez firmę HELLA w celu zapewnienia profesjonalnego wsparcia dla warsztatów samochodowych. Informacje zawarte na tej stronie internetowej powinny być wykorzystywane tylko przez odpowiednio wykwalifikowany personel.
SPIS TREŚCI
PRZEGLĄD TECHNOLOGII HYBRYDOWYCH: PORÓWNANIE
Pojęcie „hybrydy” oznacza połączenie kliku systemów. W przemyśle motoryzacyjnym oznacza ono pojazd, którego układ napędowy stanowi połączenie konwencjonalnego układu napędowego z silnikiem spalinowym z elementami pojazdu elektrycznego.
Technologia hybrydowa staje się coraz bardziej skomplikowana, przechodząc przy tym przez trzy etapy: Micro Hybrid, Mild Hybrid i Full Hybrid – czyli pojazdy całkowicie spalinowo-elektryczne. Mimo różnic technicznych wspólną cechą wszystkich technologii jest ładowanie akumulatora przez rekuperację energii z hamowania.
Jedną z opcji pojazdów Full Hybrid jest tak zwany „Plug-in Hybrid”. W tym przypadku istnieje możliwość ładowania akumulatora w nocy. Pozytywnym efektem ubocznym tego typu jest możliwość równoczesnego uzyskania wymaganej temperatury w kabinie pojazdu. Dzięki temu następnego rana pojazd jest od razu gotowy do jazdy.
Typowymi przedstawicielami pojazdów pełnohybrydowych są obecnie Toyota Prius, BMW ActiveHybrid X6 (E72) albo VW Touareg Hybrid. Z kolei BMW ActiveHybrid 7 i Mercedes S400 (F04) stanowią przykłady pojazdów typu Mild Hybrid.
| Micro Hybrid | Mild Hybrid | Full Hybrid | |
|---|---|---|---|
| Moc silnika elektrycznego / alternatora | 2 do 3 kW (odzyskiwanie siły hamowania przez alternator) | 10 do 15 kW | > 15 kW |
| Zakres napięcia | 12 V | 42 do 150 V | > 100 V |
| Możliwa oszczędność paliwa w porównaniu z pojazdem o napędzie konwencjonalnym | < 10% | < 20% | > 20% |
| Funkcje zwiększające paliwooszczędność | – Funkcja start-stop – Rekuperacja | – Funkcja start-stop – Funkcja Boost – Rekuperacja | – Funkcja start-stop – Funkcja Boost – Rekuperacja – Jazda z napędem elektrycznym |
Jak widać na podstawie przeglądu, każda z technologii posiada różne funkcje zwiększające paliwooszczędność. Poniżej znajduje się krótki opis tych czterech funkcji.
Funkcja start-stop
Po zatrzymaniu pojazdu, na przykład na światłach, następuje wyłączenie silnika spalinowego. Z chwilą naciśnięcia sprzęgła w celu ruszenia i włączenia pierwszego biegu silnik spalinowy jest automatycznie uruchamiany. W ten sposób jest on od razu gotowy do dalszej jazdy.
Pojazd zatrzymuje się – silnik jest automatycznie wyłączany.
Naciśnięcie sprzęgła, włączenie biegu – silnik jest automatycznie włączany.
Rekuperacja
Rekuperacją nazywana jest technika odzyskiwania części energii hamowania. Zazwyczaj podczas hamowania energia jest oddawana w postaci ciepła. Przy rekuperacji alternator pojazdu działa jako hamulec silnika – dodatkowo do normalnych hamulców kół.
Energia wytwarzana przez alternator podczas zwalniania jest magazynowana w akumulatorze. Ten proces zwiększa w celowy sposób moment hamowania silnika, zwalniając w ten sposób pojazd.
Hamujący pojazd – ładowanie akumulatora ze zwiększoną mocą
Funkcja boost
W fazie przyspieszania sumują się dostępne momenty obrotowe silnika spalinowego i elektrycznego. Dzięki temu pojazd hybrydowy może przyspieszać szybciej niż porównywalny pojazd konwencjonalny.
Funkcja boost służy jako wspomaganie przy ruszaniu oraz dla zapewnienia większej mocy przy wyprzedzaniu. Ta siła jest wytwarzana przez elektryczny napęd dodatkowy, który ma wyłącznie te dwa zadania. Przykład: w samochodzie VW Touareg dodatkowy uzysk mocy wynosi 34 kW.
Funkcja boost – pojazd napędzają jednocześnie silniki spalinowy i elektryczny
Jazda z napędem elektrycznym
Gdy potrzebna jest niewielka moc napędowa, na przykład w ruchu miejskim, silnik elektryczny stanowi jedyny aktywny zespół napędowy. Silnik spalinowy jest wyłączony. Zaletami takiego napędu są: brak zużycia paliwa i brak emisji.
Przez zastosowanie tych technologii w pojeździe pojawiają się także zmienione wymogi, na które należy zwracać uwagę w codziennej pracy.
Jazda z napędem elektrycznym – jedyny napęd stanowi silnik elektryczny
Napięcie elektryczne w instalacji elektrycznej pojazdu
Wymagań i parametrów mocy, jakie musi spełniać napęd elektryczny pojazdu hybrydowego, nie można spełnić ani uzyskać w zakresie napięcia 12 V czy 24 V. Konieczne jest tu wykorzystanie znacznie wyższego zakresu napięcia.
Należy przy tym koniecznie pamiętać, że napięcie przemienne powyżej 25 V i napięcie stałe powyżej 60 V to już wysokie napięcie. Zgodnie z normą ISO ten zakres napięć jest uznawany za niebezpieczny dla człowieka.
GŁÓWNE ZASADY DOTYCZĄCE WYKONYWANIA PRACY PRZY SAMOCHODACH HYBRYDOWYCH: PORADY PRAKTYCZNE
Ze względu na zasadę działania w pojazdach hybrydowych montowane są komponenty wysokonapięciowe. Są one oznakowane standardowymi naklejkami ostrzegawczymi. Dodatkowo u wszystkich producentów wszystkie przewody wysokonapięciowe mają ostry pomarańczowy kolor.
Główne zasady dotyczące wykonywania pracy przy pojazdach hybrydowych:
- Wyłączyć napięcie
- Zabezpieczyć przed ponownym włączeniem
- Upewnić się, że napięcie jest wyłączone
Przestrzegać instrukcji i wskazówek producenta pojazdu!
KLIMATYZACJA WNĘTRZA SAMOCHODU HYBRYDOWEGO: PODSTAWY
W normalnych układach napędowych (z silnikiem spalinowym) klimatyzacja wnętrza pojazdu, realizowana przez napędzaną mechanicznie sprężarkę, jest bezpośrednio zależna od pracy silnika. Także w pojazdach określanych przez specjalistów jako mikrohybrydowe i posiadających tylko funkcję start-stop stosuje się sprężarki napędzane pasem. Wiąże się to z problemem, że po zatrzymaniu pojazdu i wyłączeniu silnika już po upływie 2 sekund wzrasta temperatura na wylocie parownika klimatyzacji. Wiążący się z tym powolny wzrost temperatury nawiewanego powietrza i wilgotności powietrza pasażerowie pojazdu odbierają jako nieprzyjemny.
Aby zapobiec temu problemowi, w przyszłości mogą być stosowane nowo opracowane akumulatory zimna, tak zwane parowniki akumulacyjne.
Parownik akumulacyjny składa się z dwóch bloków: bloku parownika i bloku akumulatora. Przez oba te bloki w fazie rozruchu lub podczas pracy silnika przepływa czynnik chłodniczy. Medium latencyjne w parowniku jest przy tym na tyle schładzane, że ulega zamarzaniu. W ten sposób staje się akumulatorem zimna.
W fazie zatrzymania silnik jest wyłączony, więc sprężarka nie jest napędzana. Ciepłe powietrze przepływające przez parownik ulega schłodzeniu, powodując wymianę ciepła. Wymiana ciepła działa dotąd, dopóki medium latencyjne nie ulegnie całkowitemu stopieniu. Po ponownym ruszeniu proces ten zaczyna się od nowa, dzięki czemu już po minucie parownik akumulacyjny może znowu chłodzić powietrze.
W pojazdach bez parownika akumulacyjnego przy ciepłej pogodzie już po krótkim postoju konieczne jest ponowne włączenie silnika. Tylko w ten sposób można utrzymać niższą temperaturę we wnętrzu pojazdu.
Do klimatyzacji wnętrza pojazdu należy również ogrzewanie jego kabiny w razie potrzeby. W pojazdach wyposażonych wyłącznie w technologię hybrydową podczas jazdy z napędem elektrycznym silnik spalinowy zostaje wyłączony. Ciepło resztkowe znajdujące się w obiegu wody wystarcza do ogrzania kabiny tylko na krótki czas. Pomocniczo zostają dołączone elektryczne elementy grzejne PTC, które przejmują rolę ogrzewania. Ich sposób działania jest podobny do suszarki do włosów: powietrze wciągane przez dmuchawę kabinową jest ogrzewane w czasie przepływania przez elementy grzejne i dostaje się do kabiny.
Parownik akumulacyjny
Widok schematyczny – parownik akumulacyjny: 1 blok parownika o głębokości 40 mm, 2 blok akumulatora o głębokości 15 mm, 3 czynnik chłodniczy, 4 medium latencyjne, 5 nit ślepy
SPRĘŻARKA WYSOKONAPIĘCIOWA: ZASADA DZIAŁANIA
Działanie sprężarki wysokonapięciowej
Sprężarki wysokonapięciowe stosuje się w pojazdach wyposażonych w technologię Full Hybrid. Sprężarki te nie są uzależnione od pracy silnika spalinowego. Ta całkowicie nowatorska koncepcja napędu umożliwia funkcje zwiększające dodatkowo komfort klimatyzacji pojazdu:
Istnieje tu także możliwość ochłodzenia nagrzanej kabiny pojazdu do żądanej temperatury przed rozpoczęciem jazdy. Funkcją tą można sterować przy użyciu pilota.
Klimatyzacja postojowa może działać wyłącznie w zależności od aktualnej pojemności akumulatora. Sprężarka jest wysterowywana, z uwzględnieniem żądanej temperatury i energii dostępnej na potrzeby klimatyzacji, z możliwie jak najmniejszą mocą.
Stosowane obecnie sprężarki wysokonapięciowe są sterowane przez odpowiednią adaptację prędkości obrotowej w krokach po 50 obr/min. Dzięki temu nie jest konieczna wewnętrzna regulacja mocy.
W przeciwieństwie do sprężarek wielotłoczkowych osiowych ze skośną tarczą, łączonych najczęściej z napędem pasowym, w sprężarkach wysokonapięciowych do sprężania czynnika chłodniczego wykorzystywana jest zasada działania spirali. Zaletą tych sprężarek jest zredukowanie masy o ok. 20% i zmniejszenie pojemności skokowej o taką samą wartość przy zachowaniu identycznej wydajności.
W celu uzyskania odpowiednio wysokiego momentu obrotowego do napędu sprężarki elektrycznej stosuje się prąd stały o napięciu ponad 200 V – co w pojazdach jest bardzo wysokim napięciem. Falownik zintegrowany w zespole silnika elektrycznego przetwarza to napięcie stałe na trójfazowe napięcie przemienne, wymagane przez bezszczotkowy silnik elektryczny. Konieczne odprowadzanie ciepła z falownika i uzwojeń silnika jest zapewnione przez przepływ powrotny czynnika chłodniczego do strony ssącej.
REGULACJA TEMPERATURY AKUMULATORA: PORÓWNANIE
Podstawowe znaczenie dla eksploatacji pojazdów hybrydowych ma akumulator. Musi on szybko i niezawodnie udostępniać konieczną, znaczną ilość energii dla napędu. Najczęściej sosowane są wysokonapięciowe akumulatory hybrydowe niklowo-metalowo, jednak coraz częściej w pojazdach można napotkać wysokonapięciowe akumulatory litowo-jonowe. Redukuje to dodatkowo masę i wielkość akumulatorów pojazdów hybrydowych.
Absolutnie konieczne jest zapewnienie wymaganego przedziału temperatury pracy stosowanych akumulatorów. Powyżej temperatury roboczej +40 °C spada trwałość, natomiast poniżej -10 °C spada stopień sprawności i wydajność. Poza tym różnica temperatury między pojedynczymi ogniwami nie może przekraczać 5 do 10 stopni Kelwina.
Krótkotrwałe obciążenia szczytowe w połączeniu z wysokim natężeniem prądu, występujące na przykład podczas rekuperacji czy korzystania z funkcji boost, powodują znaczne nagrzewanie ogniw. W miesiącach letnich osiąganie krytycznej wartości 40 °C przyspieszają również wysokie temperatury zewnętrzne.
Konsekwencją przekroczenia temperatury jest szybkie starzenie i tym samym wcześniejsza awaria akumulatora. Producenci dążą do osiągnięcia obliczeniowej żywotności akumulatora, odpowiadającej żywotności pojazdu (ok. 8 do 10 lat). Przedwczesnemu wyeksploatowaniu akumulatora można więc zapobiec tylko stosując odpowiednie systemy regulacji temperatury.
Obecnie stosowane są trzy różne metody regulacji temperatury.
Możliwość 1
Powietrze jest zasysane z klimatyzowanego wnętrza pojazdu i wykorzystywane do chłodzenia akumulatora. Zassane z wnętrza pojazdu chłodne powietrze ma temperaturę niższą od 40 °C. To powietrze jest wykorzystywane do przepływu wzdłuż swobodnie dostępnych powierzchni pakietu akumulatorów.
Wady tej możliwości to:
- Niska skuteczność chłodzenia.
- Powietrze zassane z wnętrza pojazdu nie wystarcza do równomiernej redukcji temperatury.
- Znaczny nakład związany z prowadzeniem powietrza.
- Możliwość nieprzyjemnych odgłosów we wnętrzu pojazdu generowanych przez dmuchawę.
- Przez kanały powietrza występuje bezpośrednie połączenie pomiędzy kabiną pojazdu a komorą akumulatorów. Należy to uznać za problematyczne ze względów bezpieczeństwa (np. możliwość uchodzenia gazu z akumulatorów).
- Nie wolno też niedocenić niebezpieczeństwa zanieczyszczenia zespołu akumulatorowego, ponieważ powietrze z wnętrza pojazdu zawiera pył i kurz. Pył odkłada się między ogniwami i tworzy w połączeniu z wodą skroploną z powietrza osad przewodzący prąd. Osad ten zwiększa możliwość występowania prądów pełzających w akumulatorze.
Aby zapobiec temu zagrożeniu, zasysane powietrze jest filtrowane. Alternatywnie powietrze może też być chłodzone przez oddzielny, mały klimatyzator, podobny do osobnych układów klimatyzacji tylnych siedzeń w samochodach najwyższych klas.
Możliwość 2
Specjalna płyta parownika, zintegrowana w ogniwie akumulatora, jest podłączana do klimatyzacji pojazdu. Wykorzystuje się przy tym metodę tak zwanego splittingu po stronie wysoko- i niskociśnieniowej, przez przewody rurowe i zawór rozprężny. W ten sposób zarówno parownik wnętrza pojazdu, jak i parownik płytowy akumulatora, który działa jak zwykły parownik, są włączone do jednego i tego samego obwodu.
Wskutek różnych zadań parowników powstają różne wymagania wobec przepływu czynnika chłodniczego. O ile układ chłodzenia wnętrza pojazdu musi zapewnić oczekiwany poziom komfortu pasażerów, to akumulator wysokonapięciowy wymaga odpowiednio słabszego i silniejszego chłodzenia, w zależności od sytuacji drogowej i temperatury otoczenia.
Ze względu na te wymagania konieczna jest skomplikowana regulacja ilości parującego czynnika chłodniczego. Specjalna konstrukcja płyty parownika, umożliwiająca integrację w akumulatorze zapewnia dużą powierzchnię kontaktową do wymiany ciepła. Pozwala to zagwarantować, że nie zostanie przekroczona krytyczna temperatura 40 °C.
W niskich temperaturach zewnętrznych konieczne byłoby podwyższenie temperatury do idealnej dla akumulatora wartości co najmniej 15 °C. W tej sytuacji parownik płytowy jest jednak bezużyteczny. Zimny akumulator ma niższą wydajność niż akumulator o odpowiedniej temperaturze, a w temperaturach leżących znacznie poniżej zera nie można go praktycznie ładować. W pojazdach typu Mild Hybrid można to tolerować: w sytuacji ekstremalnej funkcja hybrydowa jest ograniczona. Mimo to możliwa jest jazda przy wykorzystaniu silnika spalinowego. W pojeździe o napędzie wyłącznie elektrycznym konieczne jest jednak ogrzewanie akumulatora, aby umożliwić uruchomienie pojazdu i jazdę w każdej sytuacji, również w zimie.
Uwaga
Parowniki płytowe zintegrowane bezpośrednio z akumulatorem nie mogą być wymieniane oddzielnie. Dlatego w razie uszkodzenia konieczna jest wymiana całego akumulatora.
Możliwość 3
W przypadku akumulatorów o większej pojemności prawidłowa temperatura ma zasadnicze znaczenie. Dlatego przy bardzo niskich temperaturach wymagane jest dodatkowe ogrzewanie akumulatora, co pozwala utrzymać temperaturę w optymalnym zakresie. Tylko w ten sposób można uzyskać zadowalający zasięg w trybie „jazdy z napędem elektrycznym”.
Aby zapewnić dodatkowe ogrzewanie, akumulator jest zintegrowany w obiegu wtórnym. Obieg ten zapewnia stałą, idealną temperaturę roboczą w zakresie od 15 °C do 30 °C.
W zespole akumulatorów znajduje się wbudowana płyta chłodząca, przez którą przepływa płyn chłodzący stanowiący mieszaninę wody i glikolu (zielony obwód). Przy niskich temperaturach płyn chłodzący może zostać szybko ogrzany do idealnej temperatury przez układ ogrzewania. Jeżeli podczas wykorzystywania funkcji hybrydowych nastąpi wzrost temperatury w akumulatorze, ogrzewanie jest wyłączane. Płyn chłodzący może następnie zostać ochłodzony przez strumień powietrza w chłodnicy akumulatora zainstalowanej z przodu pojazdu.
Specjalny wymiennik ciepła
Jeżeli przy wysokich temperaturach zewnętrznych moc chłodzenia zapewniana przez chłodnicę akumulatora jest niewystarczająca, płyn chłodzący przepływa przez specjalny wymiennik ciepła. W nim następuje odparowywanie czynnika chłodniczego z układu klimatyzacji. Ponadto możliwe jest odprowadzanie ciepła z obiegu wtórnego do parującego czynnika chłodniczego w sposób zwarty i z wysoką gęstością mocy. Następuje wtedy dodatkowe chłodzenie wtórne płynu chłodzącego. Przez zastosowanie specjalnych wymienników ciepła możliwa jest eksploatacja akumulatora w przedziale temperatury optymalnym dla sprawności.
DODATKOWE KWALIFIKACJE WYMAGANE DO NAPRAW SAMOCHODÓW HYBRYDOWYCH: WARTO WIEDZIEĆ
Warunkiem skutecznego przeprowadzania konserwacji i napraw skomplikowanych systemów termicznych w pojazdach hybrydowych jest ciągłe kształcenie. Pracownicy wykonujące prace przy tego rodzaju systemach wysokonapięciowych muszą na przykład przejść w Niemczech dodatkowy 2-dniowy kurs na „elektryka uprawnionego do obsługi systemów wysokonapięciowych”.
Uzyskana na tym kursie wiedza zapewnia z jednej strony umiejętność rozpoznawania zagrożeń występujących przy wykonywaniu prac przy systemie, a z drugiej umiejętność wyłączania napięcia na czas wykonywania prac. Bez odpowiedniego szkolenia nie wolno wykonywać prac w systemach wysokonapięciowych.
KONSERWACJA SAMOCHODÓW HYBRYDOWYCH: PORADY DLA WARSZTATÓW
Także przy ogólnych pracach przeglądowo-naprawczych (na przykład przy układach wydechowych, oponach, amortyzatorach, przy wymianie oleju i opon itd.) występują specyficzne uwarunkowania.
Te prace mogą być wykonywane wyłącznie przez pracowników, którzy zostali przeszkoleni przez „specjalistę–elektryka do systemów wysokonapięciowych" w zakresie zagrożeń powodowanych przez systemy wysokonapięciowe.
Poza tym wolno stosować wyłącznie narzędzia spełniające specyfikacje producenta pojazdu hybrydowego!
W ramach przeglądów i serwisowania klimatyzacji należy pamiętać, że elektryczne sprężarki klimatyzacji nie są smarowane typowymi olejami PAG. Nie posiadają one wymaganych właściwości izolacyjnych. Stosowane są więc z reguły oleje POE, które posiadają te właściwości.
W związku z tym przy przeglądach i serwisowaniu klimatyzacji pojazdów hybrydowych zaleca się używanie urządzeń do serwisowania klimatyzacji z funkcją przepłukiwania i oddzielnym zbiornikiem świeżego oleju. Można w ten sposób wykluczyć zmieszanie różnych rodzajów oleju.