Jak ważne dla warsztatu są technologie elektryczne i hybrydowe?
SYSTEMY TERMICZNE W POJAZDACH ELEKTRYCZNYCH I HYBRYDOWYCH
Tutaj znajdziesz przydatną podstawową wiedzę i praktyczne wskazówki na temat systemów termicznych w pojazdach elektrycznych i hybrydowych.
Poniższe informacje zawierają przegląd odpowiednich technologii elektrycznych i hybrydowych. Od podstaw i właściwości systemowych do rozwiązań w zakresie systemów termicznych i funkcji specjalnych na temat konserwacji, napraw i holowania. Znajdziesz tu również ważne informacje na temat kwalifikacji wymaganych do wykonywania różnych prac.
Wskazówka dotycząca bezpieczeństwa
Poniższe informacje i porady praktyczne zostały przygotowane przez firmę HELLA w celu zapewnienia profesjonalnego wsparcia dla warsztatów samochodowych. Informacje udostępnione na tej stronie internetowej powinny być wykorzystywane tylko przez odpowiednio wykwalifikowany personel.
SPIS TREŚCI
JAK WAŻNE SĄ TECHNOLOGIE ELEKTRYCZNE I HYBRYDOWE DLA WARSZTATU?: WSTĘP
W 2018 r. po raz pierwszy na całym świecie sprzedano ponad 2 miliony samochodów elektrycznych i hybrydowych ładowanych z sieci elektrycznej. Przy sprzedaży 2,1 mln pojazdów ich udział w rynku wzrósł do 2,4% wszystkich nowych rejestracji - a tendencja ta rośnie. (Centrum Zarządzania Motoryzacyjnego)
Na przykład w Norwegii ich udział w rynku wynosi już 50%!
Według Międzynarodowej Agencji Energii (IEA), wzrost mobilności elektrycznej i hybrydowej jest napędzany przede wszystkim przez programy rządowe, takie jak premie za sprzedaż, lokalne zakazy prowadzenia pojazdów z silnikami spalinowymi lub wymogi dotyczące czystości powietrza. Organ ten uważa pojazdy elektroniczne za jedną z kilku współczesnych technologii napędowych, które mogą być wykorzystane do osiągania długoterminowych celów trwałego ograniczenia emisji substancji szkodliwych. Według badania przeprowadzonego przez konsultantów PricewaterhouseCoopers co trzeci nowy samochód zarejestrowany w Europie w 2030 r. może być samochodem elektrycznym.
Nie ulega już więc wątpliwości, że pojazdy z technologią elektryczną, hybrydową czy wodorową zdobędą rzeczywiście przewagę na rynku. Wkrótce staną się one częścią codziennego życia na naszych ulicach.
Pojazdy te będą również wymagać serwisowania i napraw, a kwestie systemów termicznych staną się coraz bardziej złożone. Regulacja temperatury akumulatora i elektroniki mocy odgrywa równie ważną rolę jak ogrzewanie i chłodzenie wnętrza pojazdu. Również tego typu napędy wymagają komponentów klimatyzacyjnych - a ich znaczenie wręcz rośnie, ponieważ system klimatyzacji ma często bezpośredni lub pośredni wpływ na chłodzenie akumulatorów i elektroniki. Konserwacja klimatyzacji będzie zatem w przyszłości odgrywać jeszcze ważniejszą rolę.
PRZEGLĄD TECHNOLOGII HYBRYDOWYCH: PORÓWNANIE
Termin "hybryda" oznacza jako taki to samo co mieszanina lub kombinacja. W inżynierii samochodowej oznacza on, że w pojeździe silnik spalinowy z konwencjonalną technologią napędu został połączony z elementami pojazdu elektrycznego.
Technologia hybrydowa staje się coraz bardziej wyrafinowana na trzech etapach: mikro-hybrydowym, średnio-hybrydowym i całkowicie hybrydowym. Mimo różnic technicznych wszystkie technologie mają tę samą cechę: stosowany w nich akumulator jest ładowany z odzysku energii hamowania.
Typowymi przedstawicielami pojazdów hybrydowych są obecnie Toyota Prius, BMW ActiveHybrid X6 (E72) lub VW Touareg Hybrid. Pojazdy BMW ActiveHybrid 7 i Mercedes S400 (F04) to z kolei przykłady pojazdów typu mild-hybrid.
| Micro-hybrid | Mild-hybrid | Full-hybrid | |
|---|---|---|---|
| Moc silnika elektrycznego / alternatora | 2 – 3 kW (odzysk siły hamowania przez alternator) | 10 – 15 kW | > 15 kW |
| Zakres napięcia | 12 V | 42 – 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 boostingu – rekuperacja | – funkcja start-stop – funkcja boostingu – rekuperacja - Jazda na napędzie elektrycznym |
Jak pokazuje przegląd, każda z tych technologii posiada różne funkcje przyczyniające się do oszczędności paliwa. Te cztery funkcje zostały pokrótce opisane poniżej.
Funkcja start-stop
Gdy pojazd się zatrzymuje, na przykład na światłach czy w korku, wyłącza się silnik spalinowy. Gdy w celu ruszenia zostanie użyte sprzęgło i włączony pierwszy bieg, silnik spalinowy uruchamia się automatycznie. Dzięki temu jest on od razu dostępny do dalszej jazdy.
Zatrzymanie pojazdu - silnik wyłącza się automatycznie.
Wciśnięcie sprzęgła, włączenie biegu – silnik włącza się automatycznie.
Rekuperacja
Odzyskiwanie czy rekuperacja to technologia, dzięki której odzyskiwana jest część energii hamowania. Zwykle energia ta byłaby tracona podczas hamowania jako energia cieplna. W przypadku rekuperacji alternator pojazdu działa jako hamulec silnikowy i wspomaga normalne hamulce kół.
Energia generowana przez alternator podczas zmniejszania szybkości jest doprowadzana do akumulatora (baterii). Proces ten zwiększa moment oporu silnika, a tym samym spowalnia pojazd.
Hamujący pojazd – ładowanie akumulatora zwiększoną mocą
Funkcja boostingu
W fazie przyspieszania sumują się dostępne momenty obrotowe silnika spalinowego i elektrycznego. Pojazd hybrydowy może zatem przyspieszać szybciej niż porównywalny pojazd o napędzie konwencjonalnym.
Funkcja boostingu służy do wspomagania ruszania i zwiększania mocy podczas wyprzedzania. Siła ta jest generowana przez elektryczny napęd pomocniczy, który zapewnia ją wyłącznie do tych dwóch celów. Przykład: w samochodzie VW Touareg Hybrid dodatkowa moc wynosi 34 kW.
Funkcja boostingu – pojazd napędzają jednocześnie silniki spalinowy i elektryczny
Jazda na napędzie 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.
Dzięki zastosowaniu tych technologii w samochodzie zmieniają się również warunki, które należy uwzględniać w codziennej pracy.
Jazda na napędzie elektrycznym - pojazd jest napędzany wyłącznie silnikiem elektrycznym
Napięcie elektryczne w instalacji elektrycznej pojazdu
Wymagań i parametrów mocy, jakie musi spełniać napęd pojazdu elektrycznego lub hybrydowego, nie można spełnić względnie uzyskać w zakresie napięcia 12 wzgl. 24 V. Wymagane są tu znacznie wyższe zakresy napięć.
Pojazdy z systemami wysokiego napięcia są pojazdami, w których napęd i agregaty pomocnicze pracują na napięciach od 30 V do 1000 V AC (prąd zmienny) lub 60 V do 1500 V DC (prąd stały). Dotyczy to większości pojazdów elektrycznych i hybrydowych
SYSTEMY WYSOKIEGO NAPIĘCIA W POJAZDACH ELEKTRYCZNYCH: DZIAŁANIE
Pojazd elektryczny jest z definicji pojazdem silnikowym napędzanym silnikiem elektrycznym. Energia elektryczna potrzebna do jego ruchu pochodzi z baterii trakcyjnej (akumulatora), a nie z ogniwa paliwowego lub przedłużacza zasięgu (range extender). Ze względu na to, samochód elektryczny sam nie emituje żadnych istotnych zanieczyszczeń podczas pracy, jest on klasyfikowany jako pojazd bezemisyjny.
W pojazdach elektrycznych koła napędzane są silnikami elektrycznymi. Energia elektryczna jest magazynowana w akumulatorach mających postać jednej lub więcej baterii trakcyjnych lub zasilających.
Elektronicznie sterowane silniki elektryczne mogą zapewnić maksymalny moment obrotowy już w stojącym pojeździe. W przeciwieństwie do silników spalinowych nie wymagają zazwyczaj ręcznej skrzyni biegów i mogą szybko przyspieszać już z niskich poziomów prędkości. Silniki elektryczne są cichsze niż silniki benzynowe lub wysokoprężne, praktycznie bezwibracyjne i nie emitują szkodliwych spalin. Ich sprawność - powyżej 90% - jest bardzo wysoka.
Oszczędność wagi dzięki wyeliminowaniu różnych komponentów (silnik, skrzynia biegów, zbiornik) silnika spalinowego jest równoważona przez stosunkowo dużą masę akumulatorów. Dlatego też pojazdy elektryczne są zazwyczaj cięższe niż odpowiadające im pojazdy z silnikami spalinowymi. Pojemność akumulatora (akumulatorów) ma duży wpływ na masę pojazdu i jego cenę.
W przeszłości zasięgi pojazdów elektrycznych zapewniane z jednego naładowania akumulatora były krótkie. Ostatnio jednak rośnie liczba samochodów elektrycznych, które mogą osiągnąć odległości kilkuset kilometrów, np. Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
W celu dalszego zwiększania zasięgu pojazdów elektrycznych, wykorzystuje się czasami do wytwarzania energii elektrycznej dodatkowe urządzenia (zwykle w postaci silnika spalinowego). System ten nazywa się "przedłużaczem zasięgu", czy inaczej "range extender"
FILM WIDEO NA TEN TEMAT
Pojazdy z systemami wysokiego napięcia: zasady bezpieczeństwa i komponenty
Film pokazuje przykładowe elementy pojazdu elektrycznego i dostarcza informacji na temat obsługi systemów wysokiego napięcia
Klimatyzacja i chłodzenie w pojazdach elektrycznych
Aby pojazd elektryczny mógł pracować ze szczególnie wysoką sprawnością, konieczne jest utrzymywanie temperatury silnika elektrycznego, elektroniki mocy oraz akumulatora w optymalnym zakresie temperatur. Aby to zapewnić, wymagany jest zaawansowany system termiczny.
System oparty na czynniku chłodniczym (lub bezpośrednie chłodzenie akumulatorowe)
Obwód oparty na czynniku chłodniczym
Obwód systemu opartego na czynniku chłodniczym składa się z następujących głównych komponentów: skraplacz, parownik i akumulator (ogniwa akumulatorowe, płyta chłodząca i elektryczny dogrzewacz). Zasilany jest przez obieg czynnika chłodniczego systemu klimatyzacji i sterowany oddzielnie przez zawory i czujniki temperatury. Opis funkcjonowania poszczególnych komponentów znajduje się w objaśnieniu do prezentacji systemu opartego na płynie chłodzącym i czynniku chłodniczym (b).
Obwód płynu chłodzącego i czynnika chłodniczego (lub pośrednie chłodzenie akumulatorów)
Obwód oparty na płynie chłodzącym i czynniku chłodniczym
Im mocniejsze akumulatory, tym bardziej celowe jest zastosowanie stosunkowo złożonego układu chłodzenia opartego na płynie chłodzącym i czynniku chłodniczym.
Cały układ chłodzenia jest podzielony na kilka obiegów, z których każdy posiada własną chłodnicę (chłodnicę niskotemperaturową), pompę płynu chłodzącego, termostat i zawór odcinający dopływ płynu chłodzącego. Obieg czynnika chłodniczego systemu klimatyzacji jest również zintegrowany z tym systemem za pośrednictwem specjalnego wymiennika ciepła. Wysokonapięciowy grzejnik chłodziwa zapewnia odpowiednią temperaturę akumulatora przy niskich temperaturach zewnętrznych.
Temperatura płynu chłodzącego silnik elektryczny i elektronikę mocy jest utrzymywana poniżej 60°C w oddzielnym obiegu (wewnętrzny obiekt na grafice) za pomocą niskotemperaturowej chłodnicy. W celu osiągnięcia pełnej sprawności i zapewnienia maksymalnej żywotności akumulatora należy utrzymywać temperaturę płynu chłodzącego akumulator w przedziale od ok. 15°C do 30°C. Jeśli temperatury są zbyt niskie, płyn chłodzący jest podgrzewany dogrzewacz wysokonapięciowy. Przy zbyt wysokich temperaturach płyn chłodzący jest schładzany przez niskotemperaturową chłodnicę. Jeżeli jest to niewystarczające (co może mieć miejsce przy gorącej letniej pogodzie), płyn jest dalej chłodzony za pomocą wymiennika ciepła (tzw. chłodziarki czy inaczej chillera), zintegrowanego zarówno z obiegiem płynu chłodzącego jak i obiegiem czynnika chłodniczego. Czynnik chłodniczy z układu klimatyzacji przepływa przez wymiennik ciepła i dodatkowo chłodzi przepływający również przez wymiennik płyn (jest to pośrednie chłodzenie akumulatora z układu klimatyzacji). Cały proces regulacji jest realizowany za pomocą pojedynczych termostatów, czujników, pomp i zaworów.
Kühl- und Kältemittelbasierender Kreislauf
Der Kühl- und Kältemittelbasierende Kreislauf für E-Fahrzeuge ist sehr komplex. Dabei unterteilt sich das gesamte Kühlsystem in mehrere Kreisläufe, welche hier genauer erklärt werden.
Opis części składowej
Klimatyzacja
Ze względu na wysoką sprawność napędy elektryczne emitują niewiele ilości ciepła do środowiska podczas pracy i w ogóle nie emitują ciepła podczas postoju. Do ogrzania samochodu przy niskich temperaturach zewnętrznych lub rozmrożenia szyb potrzebne są dodatkowe grzejniki. Stanowią one dodatkowe odbiorniki energii i są bardzo istotne ze względu na wysokie zużycie energii. Zużywają one część energii zgromadzonej w akumulatorze, co ma znaczący wpływ na zasięg, zwłaszcza w zimie. Elektryczne dogrzewacze zintegrowane z systemem wentylacji są prostą, efektywną, ale również bardzo energochłonną metodą ogrzewania. W związku z tym stosuje się też obecnie energooszczędne pompy ciepła. Latem mogą one być również wykorzystywane jako system klimatyzacji do chłodzenia wnętrza pojazdu. Podgrzewacze siedzeń i ogrzewane szyby doprowadzają ciepło bezpośrednio do ogrzewanych miejsc, zmniejszając tym samym również zapotrzebowanie na ogrzewanie wnętrza. Samochody elektryczne często spędzają czas w stacjach ładowania. Tam pojazd może zostać ogrzany lub ochłodzony już przed rozpoczęciem jazdy bez obciążania akumulatora. W drodze do ogrzewania lub chłodzenia wnętrza pojazdu potrzeba w tej sytuacji znacznie mniej energii. Oferowane są już również aplikacje na smartfony, za pomocą których można zdalnie sterować ogrzewaniem.
Zarządzanie ładowaniem i rozładowywaniem
W akumulatorach stosowane są różne systemy zarządzania, które kontrolują ich ładowanie i rozładowywanie, monitorują temperaturę, oceniają zasiąg pojazdu i prowadzą diagnostykę. Trwałość zależy tu zasadniczo od warunków pracy i zgodności z ograniczeniami eksploatacyjnymi. Systemy zarządzania akumulatorami, w tym systemy termiczne, zapobiegają ich szkodliwemu i potencjalnie krytycznemu z punktu widzenia bezpieczeństwa przeładowaniu lub głębokiemu rozładowaniu i krytycznym temperaturom. Monitorowanie poszczególnych ogniw akumulatora pozwala reagować, zanim dojdzie do awarii lub uszkodzenia innych ogniw. Informacje o statusie mogą być również przechowywane do celów konserwacyjnych, a w przypadku wystąpienia błędów kierowca może otrzymywać odpowiednie komunikaty.
W zasadzie pojemność akumulatorów wystarcza dziś w większości samochodów elektrycznych na wszystkie krótkie i średnie trasy. Badanie opublikowane w 2016 r. przez Massachusetts Institute of Technology wykazało, że zasięg dzisiejszych standardowych samochodów elektrycznych jest wystarczający do odbycia 87% wszystkich przejazdów. Zasięgi te są jednak bardzo różne. Prędkość pojazdu elektrycznego, temperatura zewnętrzna, a w szczególności korzystanie z ogrzewania i klimatyzacji prowadzą do znacznej redukcji zasięgu. Coraz krótsze czasy ładowania i ciągła rozbudowa infrastruktury umożliwiają jednak stałe zwiększanie zasięgu samochodów elektrycznych.
PODSTAWOWA ZASADA DOTYCZĄCA PRACY PRZY POJAZDACH ELEKTRYCZNYCH I HYBRYDOWYCH: PORADY PRAKTYCZNE
W pojazdach elektrycznych i hybrydowych są zawsze zainstalowane komponenty układów wysokiego napięcia. Są one oznakowane standardowymi naklejkami ostrzegawczymi. Dodatkowe wszystkie kable wysokiego napięcia wszystkich producentów mają kolor fluorescencyjno-pomarańczowy.
Podczas pracy przy pojazdach wyposażonych w systemy wysokiego napięcia obowiązuje następujący sposób postępowania:
1. Pozbawić napięcia
2. Zabezpieczyć przed ponownym włączeniem
3. Zweryfikować brak napięcia
Należy przestrzegać zaleceń producentów pojazdów i naszych wskazówek warsztatowych!
Na co muszę zwrócić uwagę jako pracownik warsztatu?
- Uruchamianie i przemieszczanie pojazdu: Przeprowadzenie pojazdu z układem wysokiego napięcia - nawet tylko z lub do warsztatu - wymaga odpowiedniego poinstruowania odpowiedniej osoby
- Serwis i konserwacja: Prace serwisowe i konserwacyjne (wymiana kół, prace kontrolne) przy pojazdach wyposażonych w układy wysokiego napięcia mogą być wykonywane wyłącznie przez osoby, które zostały wcześniej poinformowane o zagrożeniach związanych z układami wysokiego napięcia i odpowiednio poinstruowane przez "specjalistę w zakresie wykonywania przy samobezpiecznych pojazdach wyposażonych w układ wysokiego napięcia"
- Wymiana komponentów układu wysokiego napięcia: Osoby wymieniające elementy wysokiego napięcia, takie jak sprężarki klimatyzacji, muszą posiadać odpowiednie kwalifikacje (specjalisty w zakresie prac przy pojazdach samobezpiecznych wyposażonych w układy wysokiego napięcia)
- Wymiana akumulatorów: Naprawa lub wymiana elementów znajdujących się pod napięciem komponentów układu wysokiego napięcia (akumulatorów) wymaga specjalnych kwalifikacji.
- Pomoc drogowa / holowanie / akcja ratunkowa: Każda osoba udzielająca pomocy drogowej w razie awarii pojazdów wyposażonych w układ wysokiego napięcia lub holująca albo prowadząca akcję ratunkową dotyczącą takich pojazdów musi przejść instruktaż w zakresie budowy i sposobu działania takich pojazdów i ich układów wysokiego napięcia. Poza tym z góry należy się zastosować do odpowiednich instrukcji producenta pojazdu. W przypadku uszkodzenia komponentów wysokonapięciowych (akumulatora) należy skonsultować się ze strażą pożarną
KLIMATYZACJA WNĘTRZA POJAZDU: PODSTAWOWE INFORMACJE
W standardowych 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 mikro-hybrydowe i posiadających tylko funkcję start-stop stosuje się sprężarki napędzane pasem. Wiąże się to z tego rodzaju problemem, że po zatrzymaniu pojazdu i wyłączeniu silnika już po upływie 2 sekund wzrasta temperatura w wylocie parownika klimatyzacji. Związany z tym powolny wzrost temperatury i wilgotności nawiewanego powietrza pasażerowie pojazdu odbierają jako nieprzyjemny.
Aby zlikwidować ten problem, można stosować stanowiące nowość akumulatory zimna, tzw. parowniki akumulacyjne.
Parownik akumulacyjny składa się z dwóch bloków: bloku parownika i bloku akumulatora. Przez oba te bloki w fazie rozruchu lub podczas pracy pojemnika przepływa czynnik chłodzący. W międzyczasie medium latentne znajdujące w parowniku jest schładzane do tego stopnia, że zamarza. Staje się ten sposób akumulatorem zimna.
W fazie stop silnik jest wyłączony i sprężarka nie jest napędzana. Ciepłe powietrze przepływające obok parownika ochładza się i następuje wymiana ciepła. Wymiana ta trwa do momentu całkowitego stopienia medium latentnego. 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 bardzo ciepłej pogodzie ponowne uruchomienie silnika staje się konieczne już po krótkim czasie pracy na biegu jałowym. Tylko w ten sposób można utrzymać chłodzenie wnętrza pojazdu.
Klimatyzacja wnętrza pojazdu obejmuje również w razie potrzeby ogrzewanie przestrzeni pasażerskiej. W pojazdach typu full-hybrid podczas jazdy na napędzie elektrycznym silnik spalinowy jest wyłączony. Ciepło resztkowe znajdujące się w obiegu wody wystarcza do ogrzania kabiny tylko przez krótki czas. Jako wsparcie włączane są dogrzewacze wysokonapięciowe , które przejmują funkcję ogrzewania. Ich sposób działania jest podobny do suszarki do włosów: powietrze wciągane przez dmuchawę kabinową jest ogrzewane podczas przepływania przez elementy grzejne i dostaje się do wnętrza pojazdu.
Parownik akumulacyjny
Schemat poglądowy - parownik akumulacyjny: 1 parownik akumulacyjny o głębokości 40 mm, 2 bloki akumulacyjne o głębokości 15 mm, 3 czynniki chłodnicze, 4 medium latentne, 5 nitów jednostronnie zamkniętych
SPRĘŻARKA WYSOKONAPIĘCIOWA: DZIAŁANIE
Sposób działania sprężarki wysokonapięciowej
Pojazdy typu full-hybrid wykorzystują elektryczne sprężarki wysokonapięciowe, które nie są uzależnione od pracy silnika spalinowego. Ta nowatorska koncepcja napędu umożliwia funkcje zwiększające dodatkowo komfort klimatyzacji pojazdu:
Przed rozpoczęciem jazdy możliwe jest wstępne ochłodzenie rozgrzanego wnętrza pojazdu do żądanej temperatury. Funkcją tą można sterować przy użyciu pilota.
Tego rodzaju chłodzenie postojowe może mieć miejsce tylko w zależności od dostępnej pojemności baterii. 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 tarczy zataczającej, stosowanej najczęściej w sprężarkach z napędem pasowym, w sprężarkach wysokonapięciowych do kompresji czynnika chłodzącego wykorzystywana jest zasada działania spirali. Zaletą tych sprężarek jest zredukowanie masy o ok. 20% i zmniejszenie objętości skokowej o taką samą wartość przy zachowaniu identycznej mocy.
W celu uzyskania odpowiednio wysokiego momentu obrotowego do napędzania sprężarki elektrycznej stosuje się prąd stały o napięciu ponad 200 V, a więc w przypadku pojazdów mechanicznych bardzo wysokim. Falownik wbudowany w silnik elektryczny przekształca to napięcie stałe na trójfazowe napięcie zmienne wymagane przez bezszczotkowy silnik elektryczny. Konieczne odprowadzanie ciepła z falownika i uzwojeń silnika jest możliwe dzięki przepływowi czynnika chłodniczego z powrotem na stronę ssącą.
SYSTEM TERMICZNY AKUMULATORA: PORÓWNANIE
Akumulator jest niezbędnym elementem funkcyjnym pojazdu elektrycznego i hybrydowego. Musi zapewnić energię dla szybkiego i niezawodnego napędu. Większość akumulatorów to akumulatory litowo-jonowe i niklowo-metalowo-wodorkowe o wysokim napięciu. Redukuje to dodatkowo masę i wielkość akumulatorów pojazdów hybrydowych.
Stosowane akumulatory muszą pracować w określonym przedziale temperatur. Od temperatury pracy +40° C skraca się żywotność, a poniżej -10° C zmniejsza się wydajność i moc akumulatora. Różnica temperatur pomiędzy pojedynczymi ogniwami nie może poza tym przekraczać określonej wartości.
Krótkotrwałe obciążenia szczytowe w połączeniu z wysokimi prądami, występującymi podczas rekuperacji i boostingu, prowadzą do silnego nagrzewania ogniw. W miesiącach letnich osiąganie krytycznej wartości 40°C przyspieszają również wysokie temperatury otoczenia.
Konsekwencją przekroczenia temperatury jest przyspieszenie procesu starzenia związana z tym przedwczesna awaria akumulatora. Producenci pojazdów dążą do osiągnięcia kalkulacyjnej żywotności eksploatacyjnej akumulatora na poziomie 1 okresu żywotności eksploatacyjnej samochodu (ok. 8-10 lat). Przedwczesnemu wyeksploatowaniu akumulatora można więc zapobiec tylko stosując odpowiednie systemy regulacji temperatury.
Do tej pory w pojazdach stosowano trzy różne systemy termiczne.
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. Powietrze to przepływa wokół swobodnie dostępnych powierzchni akumulatora.
Wady tej możliwości to:
- Niska skuteczność chłodzenia.
- Powietrze zassane z wnętrza pojazdu nie wystarcza do równomiernej redukcji temperatury.
- Znaczny nakład związany z układem prowadzenia powietrza.
- Możliwość nieprzyjemnych odgłosów we wnętrzu pojazdu generowanych przez dmuchawę.
- Kanały powietrzne tworzą bezpośrednie połączenie między przestrzenią pasażerską i akumulatorem. Należy to uznać za problematyczne ze względów bezpieczeństwa (np. możliwość uchodzenia gazu z baterii).
- Nie wolno też lekceważyć niebezpieczeństwa zanieczyszczenia zespołu akumulatorowego, ponieważ powietrze z wnętrza pojazdu zawiera pył i kurz. Pył odkłada się między ogniwami i tworzy w połączeniu z skroploną wodą z powietrza przewodzący prąd osad. Osad ten zwiększa możliwość występowania prądów pełzających w akumulatorze.
Aby uniknąć tego zagrożenia, 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 umieszczona w ogniwie akumulatora jest podłączona do systemu klimatyzacji w pojeździe. Wykorzystuje się przy tym metodę tak zwanego splittingu po stronie wysoko- i niskociśnieniowej przez przewody elastyczne i zawór rozprężny. W ten sposób zarówno parownik wnętrza pojazdu, jak i parownik płytowy akumulatora, który funkcjonuje jak zwykły parownik, są włączone do jednego i tego samego obwodu.
Różne zadania obu parowników skutkują odpowiednio różnymi wymaganiami dotyczącymi przepływu czynnika chłodniczego. O ile układ chłodzenia wnętrza pojazdu musi spełniać wymagania pasażerów, to akumulator wysokonapięciowy wymaga odpowiednio słabszego i silniejszego chłodzenia, w zależności od sytuacji drogowej i temperatury otoczenia.
Wymagania te skutkują koniecznością skomplikowanej regulacji ilości odparowywanego czynnika chłodniczego. Specjalna konstrukcja parownika i umożliwiana przez nią integracja z akumulatorem zapewnia dużą powierzchnię wymiany ciepła. Gwarantuje to utrzymywanie temperatury poniżej krytycznej wartości 40°C.
Przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych konieczne jest podnoszenie temperatury do wartości idealnej dla akumulatora, wynoszącej co najmniej 15°C. W tej sytuacji parownik płytowy jest jednak bezużyteczny. Zimny akumulator ma niższą sprawność niż akumulator o odpowiedniej temperaturze, a w temperaturach leżących znacznie poniżej punktu zamarzania wody nie można go praktycznie ładować. W pojazdach typu mild-hybrid można to tolerować: w sytuacji ekstremalnej napędu hybrydowego zostaje ograniczona. Jazda na silniku spalinowym jest jednak możliwa. W pojeździe o napędzie wyłącznie elektrycznym konieczne jest jednak ogrzewanie akumulatora, umożliwiające uruchomienie pojazdu i jazdę w każdej sytuacji również w zimie.
Wskazówka
Parowniki płytowe zintegrowane bezpośrednio z akumulatorem nie dają się wymieniać 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, pozwalające na utrzymanie temperatury w optymalnym zakresie. Tylko w ten sposób można uzyskać zadowalający zasięg w trybie „jazdy na napędzie elektrycznym”.
W celu realizacji dodatkowego ogrzewania akumulator jest zintegrowany z obwodem wtórnym. Obwód ten zapewnia stałą, idealną temperaturę roboczą w zakresie od 15°C do 30°C.
W zespole akumulatorowym znajduje się zintegrowana 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. W przypadku wzrostu temperatury w akumulatorze podczas korzystania z funkcji hybrydowych ogrzewanie jest wyłączane. Płyn chłodzący może następnie zostać ochłodzony przez pęd powietrza w chłodnicy akumulatora zainstalowanej w przedniej części pojazdu.
Jeżeli przy wysokich temperaturach zewnętrznych moc chłodzenia zapewniana przez chłodnicę akumulatora jest niewystarczająca, płyn chłodzący przepływa przez specjalny wymiennik ciepła. Następuje w nim odparowywanie czynnika chłodzącego z układu klimatyzacji. Ponadto, ciepło może być przenoszone z obiegu wtórnego na parujący czynnik chłodniczy w sposób bardzo kompaktowy i z wysoką gęstością mocy. Ma wtedy miejsce dodatkowe chłodzenie wtórne płynu chłodzącego. Dzięki zastosowaniu specjalnego wymiennika ciepła akumulator może być eksploatowany w optymalnym przedziale z optymalną sprawnością.
DALSZE SZKOLENIA WYMAGANE DO NAPRAWY POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH I HYBRYDOWYCH: WARTO WIEDZIEĆ
Warunkiem skutecznego przeprowadzania konserwacji i napraw skomplikowanych systemów termicznych w pojazdach hybrydowych jest ciągłe dokształcanie. Na przykład w Niemczech pracownicy pracujący przy takich systemach wysokiego napięcia wymagają dodatkowego 2-dniowego szkolenia jako "specjaliści w zakresie prac przy pojazdach samobezpiecznych wyposażonych w układ wysokiego napięcia (HV)".
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 wykonywanie prac przy systemach wysokiego napięcia i/lub ich komponentach jest zabronione. Naprawa lub wymiana elementów znajdujących się pod napięciem komponentów układu wysokiego napięcia (akumulatorów) wymaga specjalnych kwalifikacji.
SERWISOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH I HYBRYDOWYCH: WSKAZÓWKI WARSZTATOWE
Także przy ogólnych pracach przeglądowo-naprawczych (na przykład przy układach wydechowych, oponach, zderzakach, przy wymianie oleju i opon itd.) występują specyficzne uwarunkowania. Mogą być one wykonywane wyłącznie przez pracowników, którzy zostali przeszkoleni przez "specjalistę w zakresie prac przy samobezpiecznych pojazdach wyposażonych w układ wysokiego napięcia"
i zostali odpowiednio poinstruowani o zagrożeniach związanych z takimi układami wysokiego napięcia. Poza tym wolno tu stosować wyłącznie narzędzia zgodne ze specyfikacjami producenta pojazdu!
Firmy motoryzacyjne są zobowiązane do przeszkolenia wszystkich pracowników zajmujących się eksploatacją, konserwacją i naprawą pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Należy też uwzględniać specyficzne warunki panujące w kraju użytkowania pojazdu.
Narzędzia do prac przy systemach wysokiego napięcia
POMOC DROGOWA, HOLOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH I HYBRYDOWYCH I AKCJE RATUNKOWE DOTYCZĄCE TYCH POJAZDÓW: WSKAZÓWKI WARSZTATOWE
Kierowcy pojazdów wyposażonych w systemy wysokiego napięcia (HV) nie są narażeni na bezpośrednie zagrożenia elektryczne - nawet w przypadku awarii. System HV jest zabezpieczony przez wiele zastosowanych przez producentów pojazdów elementów.
Pomoc drogowa dotycząca pojazdów z systemami HV jest również niegroźna, o ile nie jest konieczna ingerencja w system HV w celu usunięcia usterek.
Zagrożenia występują jednak w przypadku awarii lub konieczności holowania pojazdów uszkodzonych w wypadku lub wymagających wydobycia ze śniegu i wody. Chociaż poziom zabezpieczenia pojazdów przed zagrożeniami związanymi z prądem elektrycznym lub wyładowaniami łukowymi jest bardzo wysoki, nie ma można zagwarantować 100% bezpieczeństwa w przypadku każdego uszkodzenia. W razie wątpliwości należy wziąć pod uwagę odpowiednie informacje producenta pojazdu lub zażądać od niego takich informacji.
Jak rozpoznać, że pojazd posiada system wysokiego napięcia?
- Po napisie na desce rozdzielczej lub na pojeździe
- Po pomarańczowych przewodach wysokiego napięcia (patrz ilustracja). Zasada: trzymać ręce z daleka elementów wysokonapięciowych i pomarańczowych kabli
- Po oznaczeniach na komponentach HV (patrz ilustracja)
Komponenty wysokiego napięcia w komorze silnika
Kto może udzielać pomocy drogowej?
Pomoc drogowa w razie usterek pojazdów elektrycznych i hybrydowych może być świadczona przez każdą osobę posiadającą wymagane do tego celu specjalne kwalifikacje. Pracownicy pomoc drogowej otrzymują instruktaże dotyczące budowy i obsługi pojazdów wyposażonych w systemy wysokiego napięcia. Stosuje się w tym zakresie specyficzne wymagania i warunki wykonywania prac niebędących pracami elektrotechnicznymi, obowiązujące w kraju użytkowania pojazdu. (Do Niemiec stosują informacje DGUV 200-005 "Kwalifikacje wymagane przy pracach przy pojazdach z systemami wysokiego napięcia" (wcześniej BGI 8686). Należy też uwzględniać specyficzne warunki panujące w kraju użytkowania pojazdu.)
Pierwsze kroki w ramach pomocy drogowej?
- Wyjąć kluczyk ze stacyjki (uwaga: systemy transponderowe włączają się automatycznie, gdy transponder zbliża się do pojazdu), a następnie odłączyć wtyczkę rozłącznika akumulatora wysokiego napięcia.
- Sprawdzić wzrokowo, czy komponenty wysokiego napięcia nie są uszkodzone.
- Nie wykonywać prac przy komponentach HV. Mogą być one wykonywane wyłącznie przez osoby wykwalifikowane w zakresie prac przy pojazdach z systemami wysokiego napięcia. Dotyczy to również sytuacji, w której komponenty wysokiego napięcia są uszkodzone lub stwierdzono, że uległy uszkodzeniu podczas awarii.
- Napięcie resztkowe może występować również po wyłączeniu instalacji wysokiego napięcia - w zależności od producenta - przez kilka minut.
Wtyczka rozłącznika / odłącznik
Zdalne uruchamianie, holowanie i akcje ratunkowe - co należy uwzględnić?
Zachowanie w razie wypadku
- W razie wypadku system wysokiego napięcia jest w większości przypadków wyłączany podczas uruchamiania poduszki powietrznej. Dotyczy to prawie wszystkich samochodów osobowych, ale niekoniecznie pojazdów użytkowych.
- W celu zapewnienia sobie bezpiecznej pracy należy uwzględnić wszystkie wymagania opisane w rozdziale "Podstawowe zasady wykonywania prac przy pojazdach elektrycznych i hybrydowych"
- Niektórzy producenci zalecają lub nakazują odłączenie ujemnego bieguna akumulatora instalacji 12/24 V DC (dalsze informacje można znaleźć również w odpowiednich wytycznych prowadzenia akcji ratunkowych).
- Jeśli akumulatory HV lub kondensatory HV (urządzenia magazynujące energię w pojazdach użytkowych) zostały przypadkowo uszkodzone lub wyrwane, stanowi to szczególne zagrożenie. W takim przypadku należy wezwać straż pożarną lub techniczny personel pomocniczy. Podczas manipulowania uszkodzonymi akumulatorami HV konieczne są odpowiednie środki ochrony osobistej (ochrona twarzy, rękawice ochronne do prac pod napięciem).
- Rozlane elektrolity mogą działać żrąco lub drażniąco, w zależności od typu akumulatora. W każdym przypadku należy unikać kontaktu z nimi. Po wypadku nie można wykluczyć zapłonu akumulatorów HV w wyniku reakcji wewnętrznych. Dlatego też pojazdy wypadkowe nie powinny być parkowane w pomieszczeniach zamkniętych.
Czy ten artykuł jest dla Ciebie pomocny?
Nie, w niczym mi nie pomógł
Tak, okazał się pomocny