Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Школа Сергея Гордеева. Урок одиннадцатый
Сегодня мы разберем устройство нагрузочной вилки и научимся правильно пользоваться этим прибором для диагностики состояния вспомогательной аккумуляторной батареи и элементов высоковольтной батареи на гибридном автомобиле.
В настоящее время в продаже имеется огромное количество нагрузочных вилок. Цифровые и аналоговые, с различными режимами работы. Все они состоят из двух обязательных компонентов – это нагрузочное сопротивление и параллельно подключенный вольтметр. Этого вполне достаточно, чтобы оценить состояние аккумуляторной батареи. Дополнительные элементы нагрузочной вилки: удлинительные провода (мощные) с хорошими зажимами, кнопка включения нагрузочного резистора, амперметр, датчики температуры, микроконтроллеры и т. д. Все эти элементы установлены в дорогих нагрузочных вилках, но нужны ли такие приборы вам?
Вот фото нагрузочной вилки, которую мы используем в нашем «Гибрид-сервисе». Она самая простая (фото 1). Так она выглядит изнутри (фото 2).
В зависимости от типа аккумуляторной батареи и ее напряжения применяются различные номиналы нагрузочного сопротивления. Существуют нагрузочные вилки со сменной либо регулируемой нагрузкой. Это делает их универсальными при работе с различными типами аккумуляторных батарей. Вольтметры используются как цифровые, так и аналоговые. Цифровые позволяют получать более точное значение напряжения в конце заряда, но, учитывая нашу конечную цель, сотые доли вольта не оказывают существенного влияния на результат.
Зачастую цифровые вольтметры применяются в паре с микроконтроллерами, которые позволяют после проведения измерения посмотреть начальное и конечное напряжение на батарее и время, в течение которого работала нагрузка. Такие приборы более точные, но и более дорогие. При работе с гибридными автомобилями более интересен аналоговый вольтметр. Почему? Во-первых, меньше шансов повредить его в условиях автосервиса или перегреть, не соблюдая временную паузу между проверками. Перегрев может вывести из строя нагрузочную вилку, когда измеряется большое количество элементов.
Во-вторых, он не требует дополнительного источника питания. В-третьих, для простоты и удобства пользования в аналоговых вольтметрах обычно применяют градуированную шкалу, раскрашенную в разные цвета. Это помогает визуально определить состояние аккумуляторных батарей по цвету сектора, на котором остановилась стрелка прибора. При этом отпадает необходимость запоминать границы напряжений и вглядываться в мелкую шкалу, если под необходимые типы проверяемых аккумуляторов нанести разноцветные сектора. Это значительно упрощает работу с прибором и позволяет наглядно показать клиенту состояние аккумуляторной батареи, даже если он не знаком с основами электроники и физики.
При ремонте гибридных автомобилей чаще всего требуется проверка двух типов аккумуляторных батарей: 12-вольтовых свинцово-кислотных (вспомогательный аккумулятор) и никель-металлогидридных (высоковольтная аккумуляторная батарея). Для этого подойдет вольтметр с максимальным значением шкалы 16 В. Каким образом происходит проверка? Соблюдая полярность, подключаются оба выхода нагрузочной вилки к клеммам аккумуляторной батареи. Тут надо обратить особое внимание, что чем лучше будет контакт при подключении, тем точнее будут показания.
Стоит заметить, что для проверки 12-вольтового свинцово-кислотного аккумулятора на гибридных автомобилях TOYOTA Prius, Alfard, Estima не обязательно разбирать багажник или салон для проверки аккумулятора. Под капотом в блоке предохранителей под крышкой, обозначенной красным плюсом, выведен провод, идущий напрямую с плюсовой клеммы аккумуляторной батареи. Таким образом, проверить вспомогательный аккумулятор можно прямо под капотом, несмотря на то что сам аккумулятор находится в салоне или багажном отделении автомобиля. То же самое касается «прикуривания» аккумуляторной батареи в случае ее неисправности или «просадки» по напряжению ниже допустимого уровня, после которого запуск автомобиля невозможен (фото 4).
Подключив оба выхода нагрузочной вилки к проверяемой батарее, мы можем оценить напряжение на выводах аккумулятора без нагрузки. Многие не считают этот замер важным, и часто бывает, что «в утиль» приговариваются исправные элементы. Если без нагрузки напряжение аккумуляторной батареи ниже номинального значения – это говорит о ее неисправности либо о разряженном состоянии. Чаще как раз бывает второй вариант. То есть перед проверкой аккумулятора он должен быть полностью заряженным. Это обязательное условие. Именно для этого и проводится процесс эквализации высоковольтной батареи перед ее проверкой поэлементно и ремонтом.
При этом определяем степень заряженности аккумулятора по следующей таблице:
Если мы получаем неудовлетворительные показания прибора во время процесса нагрузки аккумуляторной батареи, то это совсем не обозначает, что аккумулятор неисправен. Вполне возможно, что перед испытаниями он был просто недостаточно заряжен. В случае если вы не уверены в степени заряда аккумуляторной батареи, а под нагрузкой получили отрицательный результат, то необходимо зарядить аккумулятор и провести измерения повторно. Только такой метод не позволит вам забраковать исправную аккумуляторную батарею.
Следующим шагом является включение нагрузки. Нагрузка включается кратковременно (не более 10 секунд). В это время мы следим за положением стрелки вольтметра. Максимально корректные показания будут после 5–6-й секунды измерения. Если наша шкала раскрашена в цвета, то по цвету сектора, в котором остановилась стрелка, мы можем определить работоспособность элементов. Если шкала не размечена по цветам, то мы оцениваем конечное напряжение на выводах батареи или аккумулятора и по нему делаем вывод о его состоянии.
Какая должна быть нагрузка? Какой должен быть ток разряда? Для лучшей и максимально точной проверки аккумулятора ток должен иметь максимальный номинал, но он не должен превышать допустимую величину тока разряда данного аккумулятора. Для стартерных АКБ он рекомендуется от 1,0 до 1,4 С (где С – номинальная емкость аккумулятора в А·ч.)
Как рассчитать, каким должно быть напряжение, если мы проверяем не отдельный аккумулятор, а высоковольтную никель-металлогидридную батарею? Зная номинальное напряжение одного элемента (1,2 В), мы умножаем его на количество элементов в батарее. Таким образом, можно рассчитать номинальное напряжение любой высоковольтной батареи любого гибрида.
Как определить, исправна аккумуляторная батарея или нет? Рассмотрим на примере реального нагрузочного теста элемента высоковольтной аккумуляторной батареи с автомобиля TOYOTA Prius в 10-м кузове. Подключаем нагрузочную вилку к элементу. Нагрузка выключена. Видим показание вольтметра 7,4 В.
Это рабочее напряжение батареи. Каким должно быть номинальное напряжение без нагрузки? Данная батарея (элемент) состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных друг с другом. Номинальное напряжение одного аккумулятора, заявленное производителем, равно 1,2 В. Перемножив на количество аккумуляторов в элементе (6 штук), получаем 7,2 В. Значит, можно сделать вывод, что наша батарея заряжена на 100% и ее можно проверить под нагрузкой.
До какого напряжения необходимо разряжать? Чтобы исключить переразряд батареи, производитель рекомендует не разряжать аккумуляторы ниже 1 В, если их количество в батарее до 6 штук включительно. Таким образом, минимально допустимое напряжение разряда равно 6 В. Ниже этого значения разрядная характеристика никель-металлогидридной батареи лавинообразно падает до 0.
Стоит отметить, что при анализе разрядной характеристики при различных нормированных токах разряда напряжение, при котором характеристика резко уходит вниз, достаточно сильно зависит от тока разряда. При токах 0,2 С напряжение порядка 1,2 В, а при токах 3 С напряжение составляет около 1 В. Это учитывается блоком управления высоковольтной батареи в TOYOTA и LEXUS.
Разрядные характеристики никель-металлогидридных аккумуляторов при температуре 20 °C и различных нормированных токах разряда.
Если завести гибридный автомобиль и переключить селектор коробки в положение «нейтраль», то высоковольтная батарея будет лишена возможности зарядки от мотор-генераторов и будет разряжаться за счет потребителей бортовой сети. Ток разряда при этом будет находится в диапазоне 2–4 А, в зависимости от количества включенных потребителей. При этом напряжение на связках высоковольтной батареи будет плавно снижаться как раз до тех самых 1,2 В. Учитывая, что сканер у нас видит элементы не поштучно, а попарно, на нем мы увидим 12×1,2 = 14,4 В.
Именно этот момент является переломным. Если проводить анализ неисправной ВВБ таким методом, то часто можно увидеть, что даже неисправные связки аккумуляторов держатся на одном уровне заряда относительно исправных. Но как только уровень заряда пересекает отметку 14,4 В, неисправные связки резко уходят в «отрыв» от исправных, и напряжение на них падает до 13,2–13,3 В и ниже (при условии одного неисправного аккумулятора из 12 в связке). Таким способом можно проверить состояние высоковольтной батареи, не снимая ее с автомобиля и даже не выезжая из гаражного бокса.
Нагрузочной вилкой при этом являются электрические потребители бортовой сети автомобиля (такие как ближний и дальний свет фар, обогрев сидений и заднего стекла и т. д.), так как источником питания для них является DC-DC конвертор, понижающий напряжение высоковольтной батареи до необходимых 13,6–14 В.
Давайте включим нагрузку и посмотрим.
На нем в самой правой графе видно, что разница напряжений между парами не очень большая: около 0,4–0,5 В. При этом «самая плохая» связка № 4. А теперь посмотрим на графу текущих показаний (с момента переключения в нейтраль прошло уже около 5–6 минут при всех включенных электрических потребителях этого автомобиля: дальний свет, обогрев заднего стекла, вентилятор печки, музыка и т. д.). И мы видим, что разница между связкой № 4 и связкой № 7 достигает уже почти 1 В!
Но мы замечаем, что основное количество связок в высоковольтной батарее еще не разрядилось до номинального напряжения. Поэтому нагрузочный тест можно продолжать.
И вот что мы с вами видим еще через минуту:
7-я связка у нас так и остается самой сильной, а вот в аутсайдеры выходит связка № 3! Причем разница в напряжении между связками уже достигла 1,83 В! При таком способе нагрузки блок управления гибридной установки отключает главное реле высоковольтной батареи при напряжении чуть ниже номинального, либо в случае большой разницы между исправными и неисправными связками. Однако в движении уровень заряда элементов можно наблюдать значительно ниже, потому что разрядный ток в разы превышает номинальную емкость батареи.
Продолжим проверку отдельного элемента высоковольтной батареи от TOYOTA Prius в 10-м кузове. Включаем нагрузочное сопротивление на 5 секунд. Что произошло? В первые две секунды стрелка вольтметра опустилась до значения 6,2 В, а через мгновение резко упала до 3,5 В.
Все ясно. Данный элемент высоковольтной батареи неисправен. Как поведет себя исправный элемент? Он продолжит держать уровень заряда в переделах 6–6,2 В в течение всего времени нагрузки. Напомню еще раз о том, что батарея перед проверкой должна быть полностью заряжена. На рисунке изображена приблизительная зависимость разрядной емкости никель-металлогидридного аккумулятора от времени хранения при различных температурах.
Обратите внимание на зависимость от температуры. Не стоит хранить элементы высоковольтной батареи вблизи нагревательных и отопительных приборов, так как через пару недель при проверке батареи вы можете обмануть сами себя, считая, что проверяете полностью заряженные аккумуляторы. Добавлю к этому, что есть такие владельцы гибридов, которые в сильные морозы снимают высоковольтную батарею с автомобиля и заносят домой в тепло, считая, что мороз может повредить ее. Запомним (!), что чем холоднее никель-металлогидридному аккумулятору, тем он дольше может пролежать без подзарядки, так как ток саморазряда при низких температурах снижается.
Ну а теперь перейдем вот к такому аппарату:
Для того чтобы нагрузить высоковольтную батарею гибридного автомобиля, мы должны применить очень мощную нагрузочную вилку, чтобы «просадить» все элементы в высоковольтной батарее одновременно и с одинаковым током. Для этого применяются промышленные нагрузочные агрегаты, стоимость которых превышает несколько десятков тысяч долларов. Мы же с вами на следующем уроке узнаем, как самостоятельно при помощи комплектующих, которые стоят всего около 1000 руб., собрать такой нагрузочный агрегат и как им правильно пользоваться.
На сегодня достаточно, до новых встреч и уроков!
