Пристрій високовольтної батареї.
Отже, автомобіль з гібридним приводом має накопичувач електроенергії - високовольтну батарею (ВВБ). У Prius'e вона розташована під заднім сидінням (в кузові NHW11) або за заднім сидінням (в кузові NHW10). Батарея має монолітну жорстку конструкцію, в якій закріплені модулі батареі- круглі (40 штук, 10й кузов) або плоскі (38 штук, 11 кузов).
Модулі стиснуті потужними шпильками і встановлені в жорсткий кожух з металу, кожен модуль має на бічній поверхні безліч «пупиришек», що упираються один в одного при складанні в пакет. Крім того, по середній лінії модуля є три сферичних виступу діаметром 3 мм і відповідні їм западини.
Розташовані вони таким чином, що при складанні модулів в пакет «плюс» і «мінус» сусідніх модулів виявляються спрямовані різні боки, що дозволяє короткими перемичками включити їх послідовно. При цьому виступи і западини на бічних поверхнях корпусу модулів поєднуються і впираються один в одного так, що між модулями залишається щілину для проходу охолоджуючого повітря.
Між двома модулями, розташованими в середині батареї, перемичка виведена в корпус електронного блоку управління батареєю, де встановлено запобіжник, що захищає батарею від великого струму.
На фото показаний один пластмасовий модуль ВВБ. Справа добре видно упори на боковій стінці.
Кожен модуль ВВБ складається з 6 гальванічних елементів нікель металогідридного типу (NiMH). Весь простір під кожухом примусово вентилюється.
Батарея відключається від ланцюгів автомобіля спеціальним контактором, тобто під час стоянки вимкненого автомобіля ВВБ відключена від споживачів і втрачає енергію заряду тільки за рахунок саморозряду. Існують рекомендації, що Prius треба включати хоча б один раз на місяць, якщо ви їм не користуєтесь. Це необхідно для того, щоб «освіжити» заряд батареї.
ВВБ управляється окремим мікропроцесорним контроллером- ECU HVB.
Оскільки номінальна напруга одного елемента 1,2 В, то напруга одного модуля з шести елементів 7,2 В. Отже, загальне напруження батареї в 10-м кузові становить 288 Вольт, в 11-м кузові - 273,6 В.
Ми, звичайно, обговорюємо номінальне значення напруги. Реальне виміряне значення напруги може істотно відрізнятися від номінального, так як хімічна начинка елемента не знає про те, що їй належить створити напругу рівно 1,2 Вольта. Та й про вольти вона нічого не знає. Якщо ж говорити серйозно, то напруга, перш за все, залежить від ступеня зарядженості батареї і її технічного стану. Так, наприклад, вважається, що свинцева кислотна батарея при номінальному значенні напруги 12 Вольт має при повному заряді напруга на висновках 14,4 В (знайома цифра?), А при повному разряде- 8,4 В. Звідки беруться ці цифри? Дуже просто. Одна «банку» свинцево-кислотної батареї видає при повному заряді напруга 2,4 В, а при повному разряде- не більше 1,4 В. Ну такі вже у неї електрохімічні властивості. Множимо на кількість банок в батареї (6 штук) і отримуємо знайомі цифри.
Отже, що ж там усередині і чим принципово відрізняється один елемент нікель-металлогидридной (NiMH) батареї від однієї банки звичного всім автомобілістам свинцево-кислотного акумулятора? Відповідаю: а нічим істотним. Ті ж два електроди, опущені в розчин, який проводить електричний струм (електроліт), на поверхні електродів йде оборотна хімічна реакція, що дозволяє запасати енергію при пропущенні зовнішнього струму і віддавати її у вигляді електричного струму в зовнішній ланцюг. А які ж відмінності? Відмінності - в матеріалі електродів, в складі електроліту і в хімічних реакціях, що йдуть під час заряду і розряду.
Елемент NiMH батареї складається з позитивного електрода, що містить гідроокис нікелю Ni (OH) 2 і негативного електрода, що складається зі сплаву (суміші) речовин, що поглинають (приєднують) водень (ось саме так туманно пише Панасонік про свої батарейки), а також сепаратора (роздільник ) зі скловолокна для виключення короткого замикання електродів і лужного електроліта- гідроксиду калію КОН (або, за іншими відомостями, гідроксиду натрію NaOH).
Сплави, що поглинають водень, досліджуються активно останні років 20. Почалося все зі сплавів нікелю з залізом (NiFe), магнію з нікелем (MgNi), а також лантану з нікелем (LaNis). Ці сплави здатні поглинути обсяг водню, в тисячі разів перевищує їх власний обсяг, створюючи метал гідриди, а також звільняти пов'язаний водень.
Такі сплави створюються з металів типу "А", освіта гідриду якого йде з виділенням тепла, з металами типу "В", при утворенні гідриду, навпаки, поглинають тепло. Склад сплаву підібраний так, щоб процес поглинання і виділення водню відбувався при нормальній температурі і тиску. Відомі сплави різних типів: АВ (TiFe і т.д.), АВ2 (ZnMn2 і т.д.), АВ5 (LaNi5 і т.д.) і А2В (Mg2Ni і т.д.). Найкращі показники по ефективності заряду і розряду показали елементи на сплавах типу АВ5, що використовують рідкоземельні метали лантанової групи і нікель як головний складовий елемент, а також сплави типу АВ2 на основі титану і нікелю.
Фірма Panasonic зосередила свою увагу на сплавах типу АВ5, що показують високу ефективність і чудове кількість циклів заряду-розряду і створила власний сплав типу MmNi5. де Mm - суміш рідкоземельних металів, що забезпечують характеристики металу типу "А". Саме тому батарея Prius така дорога. Тепер розглянемо докладніше, які реакції відбуваються на електродах NiMH елемента в процесі заряду і розряду.
Цікаво зауважити, що при циклі «заряд-розряд» електроліт не змінюється - в ньому не накопичується і не витрачається речовина. Зате поглинання іонів водню (протонів) матеріалом катода під час процесу заряду дозволяє уникнути виділення газоподібного кисню на позитивних пластинах при надмірному заряді - досить зробити негативні електроди достатньої місткості за воднем. Таким чином, елемент може бути герметичним. Але межа поглинання водню існує, і після деякої межі в елементі може початися виділення газу. Тому на реальних елементів виготовляються клапани скидання аварійного тиску, і всі елементи ВВБ в автомобілі Prius з'єднані трубкою, газ з якої спрямовується в вентиляційне вікно на лівій задній стійці. Його, звичайно, не можна перекривати, як це і написано на решётке- в цілях безпеки.
при розряді
На наступному малюнку схематично показані процеси заряду і розряду NiMH елемента. З малюнка зрозуміло, звідки береться струм розряду і куди витрачається струм заряду.
Як працює ВВБ в автомобілі Prius.
Коли виникає необхідність зарядки
Отже, ваша ВВБ добре поїздила і, так би мовити, свій борг вже віддала. Якщо взяти звичайний тестер (вольтметр з точністю вимірювань хоча б до десятих часток вольта), то можна проконтролювати стан батареї. Правда, мушу сказати, що для цього буде потрібно зняти заднє сидіння і кришку батареї, а також відстебнути пластикові ізоляційні панельки на висновках модулів.
Зазвичай наші друзі японці чомусь ставлять червону крапку біля «плюсового» електрода, хоча там на пластмасі видавлений цілком помітний знак
Якщо ви дісталися до модулів, виміряйте напругу на кожному модулі.
Примітка: необхідно дотримуватися обережності, так як на крайніх висновках ВВБ може бути небезпечне напруга-майже 300В. Вбити, може, не уб'є, але долбануть може міцно. Так що мовою висновки батарейки не перевіряйте.
Після вимірювання напруги (краще записати ці початкові значення) ви будете знати відповідь на питання «навіщо заряджати ВВБ?».
Розкид може виявитися большім- 1 або 2, а може, і 3 Вольта. Однак це не все.
Напруга на модулі не в повній мірі відображає стан модуля. Головний критерій ЄМНІСТЬ. Ємність вимірюється в ампер-годинах, тому очевидно, що вона характеризує здатність батареї давати електричний струм в зовнішній ланцюг протягом тривалого часу.
Батарея автомобіля Prius має номінальну ємність 6,5 А-год, тобто в деякому ідеальному випадку батарея може видавати струм 6,5 Ампер протягом однієї години. Або протягом 6,5 годин ток 1 Ампер.
Зазвичай номінальна ємність батареї позначається латинською буквою С (від слова capacity - місткість). Для вимірювання ємності застосовується режим розряду С / 6 (розряд протягом 6 годин) або С / 20 (розряд батареї за двадцять годин). Відповідно, необхідно навантажити батарею таким чином, щоб розрядний
ток відповідав величині С / 6 або С / 20. У випадку з ВВБ С / 6 дорівнює приблизно 1,1 Ампер, С / 20 одно 0,33 А.
Щоб створити такий струм, треба мати резистор номінальним опором 250 Ом (для С / 6) або 830 Ом (для С / 20), при цьому потужність резистора в першому випадку повинна бути не менше 250-300 Вт. Це повинно бути пристрій на зразок кип'ятильника для склянки води.
Вся система прямого виміру ємності завжди дає неточний результат, оскільки при великому струмі розряду вийде ємність завжди менше номіналу, при малому токе- більше номіналу. Та й в результаті вимірювання батарея повинна бути повністю розряджена. Тому ємність прийнято отримувати розрахунковим шляхом.
Батарея включається на розряд помітним струмом на деякий заздалегідь відоме час. Проводиться вимір напруги і струму на батареї на початку і в кінці цього проміжку часу. Побудувавши графік, можна оцінити час, при якому батарея виявиться розрядженою (слід відрізняти просто використану батарею і повністю використану батарею). На графіку робоча ємність батареї представлена зафарбованою областю. Завдання: знаючи значення I1U1, U2 і час t. розрахувати площа зафарбованою фігури. Будь-який бажаючий може на дозвіллі повправлятися в геометрії.
Взагалі yoмкость- це кількість електрики, запасене в батареї або, як вчили в сьомому класі на уроках фізики, заряд - і вимірюється в кулонах. Одиниця Ампер-година пов'язана з Кулоном простим масштабним коефіцієнтом і використовується традиційно для характеристики ємності акумуляторних батарей.
Майже за цією методикою проводиться «тест з фарами», який рекомендує герой форуму autodata Штірліц: ВВБ навантажується включенням ближнього світла фар при повному заряді. Через деякий час система управління автомобіля вирішує, що батарея досить розрядилася і включає ДВС, щоб знову зарядити батарею. Час між початком експерименту і початком заряду батареї показує, наскільки швидко падає напруга на ВВБ під навантаженням. Тим самим можна оцінити, яка ємність ВВБ в цілому. Для справної батареї цей час має бути не менше 30 хвилин (дані Штірліца). Якщо час менше - значить, ємність ВВБ знижена. Це хороший спосіб швидкої діагностики загального стану батареї.
Перевага цього методу є і його недоліком: така діагностика дає тільки загальне уявлення про батарею, стан окремих модулів може бути дуже різним. Як ми вже обговорювали, з плином часу деякі модулі працюють більше і знаходяться в кращому стані, а деякі-ледарюють і втрачають ємність. І тут виникає задача, у якій є гарне і незрозуміле назва-еквалізація. Незрозуміле воно тільки на перший погляд, так як походить від англійського слова equal - рівність. Отже, еквалізація по-російськи означає ВИРІВНЮВАННЯ.
Оскільки ми не можемо дістатися до кожного елемента (вони недоступні всередині модуля), ми повинні вирівняти заряд хоча б на кожному з 38 модулів. Вирівняти - значить, зробити однаковим.
Отже, вимальовується завдання, точніше, технічне завдання на зарядний пристрій.
Воно повинно:
Працювати з одним модулем 7,2В.
Вимірювати струми заряду і розряду, що протікають через модуль.
Вимірювати напругу на висновках модуля.
Вміти розрахунковим шляхом оцінювати ємність модуля.
Вміти заряджати і розряджати модуль за певним алгоритмом.
Забезпечувати безпеку процесу заряду.
Шайтан-девайс: що зроблено.
Плани подальшої розробки випливають з виявлених проблем. По-перше, потрібно зробити процес перемикання між модулями автоматичним.
По-друге, треба підвищувати струм заряду, але тут є небезпека отримати маленький Чорнобиль. Визначити, який струм заряду безпечний - одна з основних задач. Мабуть, справний модуль з хорошою місткістю можна заряджати досить значним струмом. А ось сильно розряджений модуль починає «кипіти» і роздуватися. Тут, можливо, впливає ще й процес втрати активної площі поверхні електродів за рахунок засмічення поверхонь осідаючими паразитними речовинами.
По-третє, прилад треба робити 38 (40) - канальним, щоб обробляти відразу всі модулі, тоді час обслуговування батареї різко скоротиться. Якщо процес буде йти автоматично, то всього через добу батарея буде обслужена і вирівняна. Але на такі витрати (а це серйозні витрати по виготовленню) треба йти з чітким розумінням технології еквалізациі і економічної ефективності витрат. Думаю, що перша модель Шайтан-девайса допоможе напрацювати досвід і прийняти правильне рішення.
Є ще деякі задумки, про які поки рано говорити.