Введение .
Начиная разговор о конструкции стартер — генератора используемой в автомобилях Мерседес, надо сразу обратить внимание на массивность исполнения данных деталей, по сути своей данную конструкцию надо называть мотор -генератором, так как это, вполне сопоставимый по габаритам с агрегатами трансмиссии узел, установленный между ДВС и АКПП .
Однако для начала, мы все таки продолжим обсуждение компоновки с элемента на который не хватило времени в прошлой части . Суть вопроса — конструкция элементов высоковольтных батарей, как мне кажется, именно здесь проявляется противоречия между необходимыми свойствами батарей высокой мощности, условиями компоновки и условий эксплуатации и обслуживания .
Учитывая массивность исполнения мотор-генератора и отсутствия редуцирования крутящего момента (передача момента проводится напрямую на коленчатый вал) требования к состоянию энергетических элементов (высоковольтных батарей ) становятся строже . Поэтому хотелось бы в начале повествования поговорить о них несколько подробнее .
Надо сказать, что по части именно автомобильной техники оптимального решения по оснащению высоковольтными АКБ в котором были бы учтены в равной степени все перечисленные показатели, несмотря на бодрые заявления производителей, до сих пор не найдено.
1) Типы высоковольтных батарей 48 В
Классификация высоковольтных батарей подразумевает прежде всего разделение по типу материала катода, как выяснилось комбинации разных металлов в сплаве катода на основе лития приносят значительные изменения в свойствах такой акб в целом. Поиск именно такой, "идеальной комбинации" материалов является абсолютным приоритетом учитывая "зеленую повестку" большинства автомобильных конструкторских бюро на данный момент и неминуемый акцент на использование силовых электрических компонентов в трансмиссии .
Однако надо сказать, что найти такую комбинацию по части транспортных средств, где с одной стороны существуют жесткие требования по энергетической плотности, быстрой зарядке и компактности, а с другой вместе с соблюдением норм безопасности предполагаются суровые условия эксплуатации далеко не просто. Но, вернемся к нашим "мягким гибридам" и конкретно к высоковольтной батарее и рассмотрим ее внутреннее устройство, тем более, что информация такого характера на самой автомобильной батарее обычно отсутствует)) .
На данный момент известно с десяток вариантов исполнения катода (анод обычно изготовлен из графита у всех типов батарей ), которые можно использовать серийно, известны следующие сочетания Лития (базовый элемент катода, поэтому такой тип батарей и называет по ее основному элементу ) с другими элементами :
1)LiCoO2 (литий-кобальтовые) — Li-Ion (наиболее распространенный вариант),
2)LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель),
3)LiNiMnCoO2 (литий-никель-марганец-кобальт-оксидные) — NMC .
4) LiFePO4 (литий-железо-фосфатные )
Более редкие и дорогостоящие катоды включающие сплавы титана, мы не берем, как возможный вариант для резервных батарей банковского сервера, или автономного источника питания военной базы возможен, но для обычных автомобилей слишком дорог) .
Вопрос у нас простой :" Какой состав дополнительных элементов катода высоковольтной батареи наиболее оптимален для эксплуатации автомобильной техники ?"
Более чувствительны к низким температурам Li-Ion аккумуляторы типа LiCoO2 (литий-кобальтовые), LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель), LiNiMnCoO2 (литий-никель-марганец-кобальт-оксидные, сокращенно NMC) одновременно являются и наиболее энергоэффективными (объем хранимой энергии, возможность быстро ее накапливать и в случае необходимости испытывать глубокий разряд без сильных последствий для последующей работы ) .
Есть ли варианты с нормальным функционированием в условиях низких температур, отнюдь не редких в нашем климатическом поясе ? Есть, это батареи LiFePO4. Они считаются лучшим вариантом для использования в холодное время года, поскольку .
1)Способны работать в широком температурном диапазоне от -30 до +55°C;
2) Отличаются малым сопротивлением;
3) Долговечны и термически стабильны;
4) Терпимы к высокому заряду при этом сама зарядка идет в два раза быстрее чем у Li-Ion;
P/s/ Важный момент, на автомобильном транспорте сбой управляющей электроники и, как следствие, перезаряд батареи явление не редкое .
5) Большее количество циклов разряд /заряд, больше разрядный ток (в среднем в 2-2.5 раза) и как следствие-выдаваемая мощность ;
6) Максимально безопасны в применении, даже при 100% заряде.
Разумеется, есть и существенные недостатки, а именно -стоимость и малая емкость относительно достаточно больших габаритов такой батареи .
Казалось бы что может мешать активному внедрению именно такого типа батарей в автомобильную промышленность, ведь достоинств здесь существенно больше ?
Увы, последняя причина весьма существенно меняет габариты приближая ее к свинцово -кислым АКБ по энергоемкости(в среднем вес поднимается в 1.5 раза относительно литий -ионных ) . В текущих реалиях требований к производству современных автомобилей, когда идет борьба, буквально, за каждый болт, это практически ставит крест на их использовании . Да и заявленный температурный диапазон в (-30 ), как было описано выше, является весьма условным . Вот к примеру предложение по высоковольтной батарее такого типа с редко встречающимся обозначением материала катода(видимо потому что серверная, не автомобильная ), обратите внимание на нижний температурный предел и диапазон возможности подзарядки .
Иными словами, нижняя температурная граница эксплуатации предполагает наличие термо-кейса для самой батареи(что сложно реализуемо на легковом транспорте из -за дефицита компоновки ) и ежедневную эксплуатацию оной, что бы исключить потерю остаточного тепла и только в этом случае можно будет говорить о — 30 градусах …Как это не смешно выглядит, но пример дополнительно обогреваемой секции (рубашки) штатной системы охлаждения для котла отопителя (Вебасто), здесь, как мне кажется -вполне рабочее решение, так как поддерживать минимально возможную температуру корпуса высоковольтной батареи во время стоянки не менее важное деяние, чем разогрев ДВС перед пуском, ведь пуска может и не произойти. ))
Нельзя сказать, что такое положение устраивало производителей, ведь повышение базового напряжения "тяговых" батарей процесс неминуемый в наших условиях, без этого происходит банальный дефицит энергии и нельзя создавать насыщенные электроникой современные автомобильные платформы .
Из последних возможных наработок в этой области можно отметить вариант использования на машинах японского производителей (кроме этого на моделях электромобилей Audi e-tron GE, VW e-Golf, BMW i3, BMW i8, BMW ActiveE они также установлены ), где активно использовались и используются батареи типа NMC (никель -кобальт -молибден). Если рассматривать их как источники энергии, то можно сказать, что они обладают просто исключительными емкостно -мощностными показателями ( несмотря на наличие в составе нестабильного никеля ) и считаются относительно безопасными, но, по- прежнему, не являются идеальным решением .
Такие типы батареи крайне чувствительны к перезаряду (при заряд свыше 90 %), проявляется эффект деградации батареи, при котором ее активная мощность снижается, т.е. тот самый "эффект памяти ", вторым недостатком, опять же — чувствительность к низким температурам и весьма не малая стоимость увы не добавляет им популярности .
Если подвести итог, то наиболее частой "уязвимостью" у большинства высоковольтных, автомобильных батарей является все таки именно чувствительность к низким температурам окружающей среды, которое на бытовом уровне выражается в самой возможности оставлять автомобиль, оборудованный такой батареей, даже на не значительное время на открытой стоянке при сильном морозе (достаточно нескольких дней) . Надо учесть еще тот факт, что превентивно (как мы привыкли с кислотной) снять такую батарею "по быстрому " и отнести в "тепло" не получится )), как и зарядить на месте … на морозе (в этом случае Вы ее просто убьете .
Как не крути, ничего кроме теплого гаража (парковки ) в зимний период, для такого автомобиля, в условиях не частой эксплуатации, в голову не приходит, слишком велики риски на приобретение новой АКБ.
Вернемся к главной теме нашего материала. Надо сказать, что данная конструкция стартер -генератора отличается от привычной, использующей приводной ремень, довольно прилично .
2)Особенности конструкции мотор -генератора .
Разумеется основное отличие от стартер- генераторов, а именно значительное увеличение в размерах, сразу бросается в глаза, но несмотря на такую массивность такая конструкция обладает самым главным преимуществом .
Если привычный стартер раскручивает коленчатый вал двигателя максимум до 150 -200 об/мин. то мотор-стартер развивает 800 оборотов всего за 0,2-0.3 с! Это позволяет кроме устойчивого запуска ДВС после стоянки автомобиля в холодное время еще и значительно увеличивать ресурс эксплуатации между ТО без каких либо замечаний от владельца .
Почему так ? Объясняется просто, ресурс отдельных элементов системы зажигания (свечи) и топливной системы (форсунки) далеко не одинаков, и очень часто возникает ситуация, которая очень хорошо знакома практически каждому владельцу и которая проявляется чаще всего именно при холодном пуске ДВС.
Суть такой ситуации следующая, например, загрязнение всего одного распылителя форсунки или центрального изолятора свечи накладывается на медленный набор избыточного давления в цилиндре . При этом, за это время вращения коленчатого вала ( другими словами время для ступенчатого набора избыточного давления необходимое для устойчивого воспламенения ) накапливаемое в камере сгорания за в течении нескольких циклов впрыска так, что ее приходилось "сушить" снимая с ДВС, а если добавить уже далеко не новую поршневую группу с пониженной базовой величиной сжатия из за износа колец, строгое ограничение по напряжению в бортовой сети (не ниже 10 В иначе блоки переводятся в аварийный режим ), падение мощности высоковольтной системы (а в некоторых случаях элементы этого режима задействуются и топливной системе ) из-за базового падения напряжения при отборе мощности стартером, то вот вам и рецепт долгих мучений в попытке запуска, и севшей, как следствие АКБ, и "веселые старты" с "прикуриванием " Знакомая ситуация ? Я думаю нет такого автолюбителя который с этим бы не столкнулся ))
Мы бодро покупаем новые батареи, создаем "тепличные " условия для пуска, а ситуацию в корне победить не можем и вынуждены путем глобальных замен (из за одной форсунки меняется комплект, как в БМВ и мерседес и это вполне обычное дело .а уж про свечи и не пишу ) решать этот вопрос . Так вот, ЗДЕСЬ, всего это просто нет . Поскольку практически сразу мотор выходит на обороты холостого хода не задействуя стандартный цикл сгорания смеси, и использует при этом отдельный источник (а значит скачков питания на ЭБУ и датчиках нет), то при пуске, все мелкие погрешности в отдельных элементах нивелируются, избыточное давление в цилиндрах достигается практически мгновенно они просто не успевают повлиять на штатную корректировку пуска от ЭБУ ДВС.
Таким образом сроки замен отдельных элементов системы питания или зажигания выравниваются и можно с удобством подстроить под определенные интервалы пробега (или ТО), что несомненно является положительным моментом в части комфорта эксплуатации такого автомобиля, т.е., если говорить по простому, те самые " с полтычка " работают в течении длительного времени . Конечно, если смотреть со стороны эффективной мощности из соотношения вес силового агрегата / эффективная мощность, то такие размеры мотор-генератора …
требуют и довольно значительных конструктивных доработок остальных элементов трансмиссии, ведь он должен где то поместится ) .
Создается впечатление, что такой вариант стартер -генератора для осуществления стабильного пуска ДВС будет в принципе оптимален, никакого комбинирования передаточным числом, полноценные силовые обмотки выстроенные на массивном силовом каркасе и ротор синхронизированный с коленчатым валом напрямую, хорошая реализация, при таких размерах, теплоотвода от силовых обмоток и коммутирующих силовых элемента блока, все так .) если сравнить эту конструкцию с рассмотренной ранее схемой стартер -генератора на Ауди (при передаче момента через приводной ремень и имеющий показатель стартовых оборотов куда как меньших и соответственно, со всеми вытекающими проблемами рассмотренными при обычном стартере), то данная конструкция похоже на идеальное решение не так ли? ) Все так, однако любители помнят этот термин касательно непосредственно марки Мерседес, например гидро-пневмо амортизационная стойка это идеальное решение по части комфорта водителя, лучшее из возможных, но .совсем не практичное, и те кто столкнулся, а их подавляющее большинство думаю это подтвердят )).
Дело в том, что здесь все как обычно — при хорошей идее страдает реализация, так как концепт экономии в себестоимости производства никуда не делся, а здесь его значение значительно увеличивается. Но давайте рассмотрим проблему на конкретном примере .
Итак.
Вводные данные .
Имеется автомобиль оборудованный системой мотор — генератора с высоковольтной батареей, но имевший несчастье постоять долгое время на европейской стоянке .слегка .подтопленной, что согласитесь в наше время уже никого не удивляет .
( P/s/Да … друзья, напомню, готовьтесь к "испанской сиесте утопленников " на наших автомобильных рынках автомобилей б.у., обращайте внимание на регистрационные документы, возможность заполучить такой экземпляр весьма велика, точно также как это было с Австрией и Чехией в свое время с чем столкнулся непосредственно ))) .
.возникала стандартная неисправность связанная с процессом зарядки высоковольтной батареи . Причем она носила периодический характер, и возникновение было связано с температурным режимом эксплуатации ДВС .
Учитывая стоимость данного экземпляра и потраченные нервы, владелец не желая переживать и в дальнейшем эмоции подобного рода решил "разрубить Гордиев узел " самым радикальным образом . был приобретен (за Океаном), полный комплект который учитывал все возможные неисправности (доступные тогда по вариантам в описании )).Кроме самого мотор генератора …
была приобретена вся силовая проводка, вместе с элементами охлаждения ( что оказалось намного важнее, но об этом позже ) .
Хочу уточнить, никаких предпосылок к замыканию вторичных обмоток ДВС не было ( в блоке фигурировала ошибка именно по отсутствию зарядки ), как и следов перегрева изоляции силовых кабелей, но риск такого явления все же существовал, учитывая время доставки из за океана, проверить возможности не было, поэтому владельцем было принято решение на однозначную замену
После чего, начался демонтаж системы с автомобиля …
Не будем рассказывать подробности про этот процесс, скажем так -просто снятия АКПП (что является тоже не тривиальной операцией)) недостаточно, магистрали охлаждения и силовые подключения завязаны на блок управления стартер-генератором, а его без демонтажа этого хорошо известного узла не снять )).
Интересно то, что после выполнения этой операции мы все таки получили несколько загадок ))… Например вот эта .
Казалось бы, вывод очевиден — разгерметизация подвода системы охлаждения, небольшая протечка, которая привела окислению, однако несмотря на небольшую негерметичность самих колец, далее не видно следов ОЖ .
Разумеется, вопрос обновления фланцев охлаждения тоже был включен в необходимый пакет зап.частей .
(p/s/s Сразу по удобному случаю, небольшое обращение для желающих занять ряды последователей Илона Маска и "Теслы " в частности часто мне, в последнее время, про ее надежность молвят)).
Помните, именно на таких мелких и однорядных колечках, без возможного дублирования и осуществляется монтаж системы охлаждения тяговых электромоторов и АКБ в электромобилях, и "Тесла" здесь совсем не исключение, плюс добавляется некоторая особенность (о которой не пишут обычно)) корпус статора тягового электромотора там разделяется на несколько частей и каждый отдельный радиальный канал ОЖ уплотняется таким кольцом (можете представить себе их количество)), а поменять их, как понимаете, .та еще задача, но ее рано или поздно придется решать, так как цена протечки даже одного такого колечка есть по сути цена агрегата .)
Очень похоже, что это следы все таки внешнего воздействия, сами контактные пластины подвергались температурному воздействию .
как и присутствовало явно выраженное окисление контактных площадок силовых контактных проводов (как ответ на вопрос : "А кабели то зачем было брать?"))
Пообщавшись с ребятами которые плотно работают с электрическими автомобилями (и гибридной техникой ) с большим удивлением узнал, что процесс …игнорирования правильной затяжки на автомобильном конвеере силовых кабелей тоже присутствует (учитывая, что там установка идет откалиброванными гайковертами проверка которых весьма строгая) связываю это с качеством самих кабель коннекторов ), и проверять затяжку (прямо "Жигули " не иначе)) их все таки надо, иначе со временем проявляется очаговое кородирование (как на фото) на контактной поверхности .
С комплектом поставки тоже не все оказалось в порядке, к сожалению пластиковые опорные площадки под кабельные коннекторы никак не защищены в обычной упаковке, и вполне можно заказав весьма не дешевую деталь …дополнительно заниматься еще и восстановлением пластика под контакты (.
С установкой нового мотор-генератора сложностей не возникло, хочу отметить только, что в обязательном порядке нужна направляющая, в противном случае будут повреждены хрупкие контактные площадки описанные ранее .
Отдельно напомню, внутренний контур ротора выполнен на магнитах с очень высокой константой магнито-кристаллической анизотропии( явно не чисто ферритовые сплавы, возможно с добавкой на основе неодимовых или кобальтовых сплавов, тот кто разбирал жесткие диски компьютеров поймет )) ).
Мда . Это пожалуй, я загнул сильно)) . Перевожу, "магнитит" он не по детски)), спасает только массивный внешний корпус с охлаждением статора собранный в единый блок который неплохо экранирует, но . любителям на "посмотреть из чего состоит " скажу отдельно — прислонять его некоторыми частями к металлическим поверхностям не желательно, с учетом его чистого веса можно получить весьма . не стандартную проблему ))
Несмотря на следы окисления и оплавленный пластик в местах контактирования с клеммой, видимых повреждений самих обмоток или следов их перегрева обнаружено не было … Для того что бы демонтировать стартер — генератор такого типа, необходимо открутить его силовую контактную площадку от выводов блока управления, которая располагается на колоколе АКПП (непосредственно под системой выпуска ОГ, которую поэтому и нужно снять ) .
Вы наверное догадались, что при таком, в общем-то, вполне нормальном состоянии снимаемых узлов увеличивалось подозрение в напрасности проводимой нами работы, увы "предчувствия его не обманули ".Проблема оказалась в самом ЭБУ стартер генератора .Обратите внимание на вот такой вид ЭБУ .
Такой вид крышки любого ЭБУ подразумевает длительное нахождение влаги на участке и при определенных обстоятельствах, через некоторое время сама плата блока внутри будет выглядеть приблизительно как здесь .
К сожалению у современных электронных блоков управления (а также некоторых сервоприводов с обратной связью) есть общая особенность — доступ к элементам самой платы сильно ограничен, просто так вскрыть крышку и посмотреть на состояние не удается, да и многослойность платы и размеры современных полупроводников тоже вносят коррективы в сам процесс восстановления работоспособности, поэтому их редко берут в ремонт.
Другой такой особенностью является включение блоков управления агрегатами трансмиссии в систему безопасности и любой блок на замену должен пройти определенную инициализацию которая требует связи с фирменным сервером после установки . Иными словами, в наше не простое время, нужно не только найти такой блок управления для установки, но и изыскать возможности для его интеграции в системы конкретного автомобиля . Понятно, что решение проблемы растянулось на весьма не малое время (пришлось ждать блок и проводить его авторизацию .без подключения ОД ), а уж про расходы я и не говорю .
Заключение .
На данный момент актуальность этого материала в России кажется под вопросом (учитывая азиатский напор), однако учитывая европейскую повестку и декларируемый будущий отказ европейских производителей от двигателей внутреннего сгорания в 35- ом году, при явных проблемах с реализацией электромобилей ( к примеру серия Ауди е -трон, у БМВ и Мерседес схожие проблемы ) которые не выдерживают конкуренции с азиатскими аналогами по части стоимости, можно сказать, что пока что, именно в технических решениях "мягкого гибрида" и видится будущее автомобильной промышленности .
Значит с реализацией именно такого концепта придется столкнуться всем стойким последователям немецкой техники желающим получить более -менее свежий экземпляр )). И как мне кажется на данном примере, будет понятно, что данная техника должна и эксплуатироваться чисто в городском/трассовом режиме, и "поездки на природу " или "путешествие .в неизведанное" на ней могут принести Вам совсем не те эмоции которые Вы ожидаете ). На том прощаюсь до следующей встречи .
Денис Карпов