Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Школа Сергея Гордеева. Урок десятый
На сегодняшнем уроке мы рассмотрим такой необычный в привычных нам автосервисах прибор, как нагрузочный аппарат. В обиходе он имеет еще несколько распространенных названий, таких как «нагрузка», «нагрузочная вилка», «тестер ВВБ» и т. д. Но прежде чем перейти к рассмотрению самого прибора, будет полезно получить необходимый объем теоретических знаний о видах и типах аккумуляторных элементов (батарей).
В средней школе на уроках химии и физики мы эти знания получали, но к настоящему моменту многие их подзабыли. Поэтому начнем еще раз с основ. Наверное, надо сказать, что на автомобиле самым распространенным источником для запаса энергии является свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. В ее основу заложен изобретенный французским физиком Гастоном Плантом (примерно в 1859 году) принцип двойной сульфатации, или принцип возникновения разности потенциалов между двумя пластинами, помещенными в раствор электролита.Что это за принцип?
Его можно понять по приведенной ниже формуле.
Катод (отрицательно заряженная пластина) изготовлен из свинца, а анод (положительно заряженная пластина) – из диоксида свинца. Они разделены диэлектрическими сепараторами и залиты разбавленной дистиллированной водой серной кислотой.
Когда элемент разряжается, серная кислота (электролит) взаимодействует с активной массой положительных и отрицательно заряженных пластин. В результате этого взаимодействия образуется сульфат свинца. Он осаждается на поверхности отрицательно заряженной пластины (катоде). При этом плотность электролита снижается и выделяется энергия в виде электрического тока.
Когда же мы заряжаем элемент, то все происходит наоборот: на отрицательно заряженной пластине происходит восстановление чистого свинца и плотность электролита поднимается. На положительных же пластинах происходит регенерация диоксида свинца. Площадь первого аккумулятора, изготовленного Плантом, была около 10 м2! Современные элементы имеют площади в сотни раз меньше, а электрические емкости в сотни раз больше. В настоящее время довольно сильное распространение имеют щелочные батареи. В чем их отличие от свинцово-кислотных?
На самом деле их устройство аналогично кислотному. Только пластины изготовлены из другого материала, а вместо серной кислоты используется раствор гидроксида калия КОН. Катоды такого элемента выполнены из губчатого кадмия с примесью губчатого железа, а аноды – из гидроксида никеля (III) с добавлением чешуйчатого графита. В процессе зарядки щелочного элемента двухвалентный никель в гидроксиде никеля (II) (химическая формула Ni(OН)2) меняет валентность до значения «3» и превращается в гидроксид никеля (III) (химическая формула Ni(OН)3), а соединения кадмия и железа восстанавливаются до металлов.
При заряде и разряде этих элементов электролит (щелочь) почти не претерпевает никаких изменений. Поэтому от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество и вес электролита, облегчив таким образом сам аккумулятор. У каждого из нас есть сотовый телефон. В настоящий момент самыми распространенными аккумуляторами для сотовых телефонов являются литий-ионные (Li-Ion).
Им на смену приходят уже более современные литий-полимерные (Li-Polymer). Так почему в автомобиле Prius японские инженеры применили никель-металлогидридные (NiMH) батареи? Разве они самые мощные, или самые надежные, или самые емкие? Для того чтобы ответить на эти вопросы, следует разобраться с такими понятиями, как «внутреннее сопротивление батареи», «емкость батареи», «остаточная емкость батареи», «плотность энергии», «срок службы», «цикл заряда-разряда» и др.
Начнем с емкости. Емкость аккумулятора определяется количеством электричества, которое он может отдать при разряде в питаемую цепь. Это количество измеряется не в кулонах, как нас учили в школе, а в более крупных величинах: ампер-часах (а • ч). 1 а • ч = 3600 кулонов. Сама единица измерения показывает, что емкость аккумулятора является произведением постоянного тока разряда аккумулятора (в амперах) на время разряда (в часах): Е(А • ч) = I(А) • Т(ч).
Многие часто путают емкость аккумулятора и его заряженность (заряд). Разницу можно условно показать на примере стакана с водой. Полный объем стакана (например, 200 мл) – это будет емкостью. И она не будет меняться в зависимости от того, пустой стакан или полный. Так и с аккумулятором: заряжен он или разряжен, но он имеет одну и ту же емкость. А вот заряженность – это то, сколько миллилитров воды налито в стакан, и она постоянно меняется.
Но для того чтобы зарядить элемент, мы должны потратить электричества больше, чем он отдаст при заряде. Отношение емкости аккумулятора к количеству энергии, необходимой для его заряда, называется отдачей аккумулятора по емкости.
Начнем с самого большого недостатка свицово-кислотных АКБ. Вы, конечно, уже догадались, что это их вес! Кроме того, что свинец является весьма тяжелым материалом, для работы требуется очень большое количество электролита. Из-за своего веса свинцово-кислотные элементы не могли выполнять роль высоковольтной батареи (ВВБ) в гибридных машинах. Кроме того, эти элементы очень чувствительны к толчкам и сотрясениям.
Важным фактором для выбора типа батареи является плотность энергии, или удельная энергия. Для ее вычисления нужно знать массу батареи и ее емкость на 1 кг веса. Измеряется она в ватт-часах. По плотности энергии впереди у нас литий-полимерные батареи. Их удельная энергия составляет около 170–190 Вт/час/кг. Примерно 100 Вт/час/кг имеют литий-ионные батареи. А вот никель-металлогидридные батареи имеют только 70 Вт/час/кг плотности энергии.
Никель-кадмиевые и свинцово-кислотные батареи едва достигают 30–40 Вт/час/кг. И для аккумуляторов, устанавливаемых на гибридные машины, очень существенно, чтобы удельная энергия была как можно больше. В данном случае она гораздо важнее, чем коэффициент полезного действия или отдача по емкости.
И казалось бы, при такой плотности энергии им нет соперников. Но тут вступают в силу законы физики. И по законам физики очень важен такой фактор, как внутреннее сопротивление батареи. Чем оно выше, тем хуже ее (батареи) нагрузочные характеристики.
А у никель-металлогидридных батарей оно самое высокое! То есть при повышении нагрузки на элемент быстрее всего «сядут» именно никель-металлогидридные. Потом упадет напряжение на обеих литиевых, и последними сдадутся никель-кадмиевые батареи. По этому параметру «старенькие» никель-кадмиевые батареи опережают современные литиевые.
А нам как раз надо, чтобы высоковольтная батарея как можно дольше при большой силе тока могла отдавать напряжение. Но когда батарея отдала свою энергию, то нам ее надо зарядить. И тут еще одним важным фактором выступает такой параметр, как минимальное время заряда батареи.
И опять «впереди на лихом коне» никель-кадмиевые батареи. Их время заряда примерно в 2 раза меньше, чем у никель-металлогидридных, и почти в 7 раз меньше, чем у литий-полимерных батарей. А время заряда является очень важной величиной, так как в течение всего 10 минут ВВБ на гибридном автомобиле может не один раз заряжаться и разряжаться.
И тут мы подошли к следующему важному фактору оценки батарей – количеству циклов заряда-разряда, или, иными словами, к долговечности батареи, или к сроку ее службы.
И тут, к нашему удивлению, впереди опять наш «старичок» – никель-кадмиевая батарея. Такие батареи выдерживают более 1500 циклов заряда-разряда, и при правильной эксплуатации они являются самыми «долгоиграющими». Никель-металлогидридные батареи, по заверениям японских производителей, выдерживают около 1000 таких циклов. А вот жизнь литиевых батарей ограничена всего 400–500 циклами заряда-разряда.
Соответственно возникает следующий вопрос: почему практически одинаковые никель-металлогидридные элементы на 10-м «Приусе» работают без проблем с 1997 года (а такие экземпляры ВВБ действительно есть), а на «Хонде-Цивик-гибрид» «мрут» через 5–6 лет? Что, у них разное количество циклов проходит? Нет. Тут проблема в другом.
Элементы батареи обладают одним неприятным свойством – эффектом памяти. Правильнее даже сказать, эффектом циклической памяти. Из всех типов батарей он в большей степени присущ как раз никель-кадмиевым и никель-металлогидридным батареям. В чем заключается этот эффект? В том, что происходит потеря емкости элемента. Как и из-за чего?
Если образно, то представим себе батарею в виде стакана с речным песком. Песчинок в стакане очень много – это кристаллические образования активного вещества батареи. Они имеют ПЛОЩАДЬ. И чем больше эта площадь, тем больше емкость этой батареи. А теперь представьте себе, что мы начали заряжать этот «стакан с песком» тогда, когда он еще полностью не разрядился. При этом часть «песчинок» на дне стакана спекаются между собой, и поверхностная площадь активного вещества становится меньше.
Это происходит именно тогда, когда мы заряжаем не до конца разряженный элемент. И так происходит при каждой зарядке не полностью разряженного элемента. А «песчинки» при этом все плотнее и плотнее свариваются в небольшие «камешки». И емкость такого элемента становится все меньше и меньше. Значит, и разряжать нам элемент надо как можно чаще и как можно больше. Но тут нас поджидает другая опасность – мы не можем разряжать элемент без ущерба для его здоровья ниже определенного уровня. Этот уровень называется конечным напряжением разряда.
При разряде ниже уровня, рассчитанного производителем аккумулятора, произойдет следующее. В свинцово-кислотном АКБ происходит необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PdSО4. Этот свинец покрывает пластины белым налетом. При этом он обладает большим удельным сопротивлением и не растворяется в электролите. Соответственно он увеличивает внутреннее сопротивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией элементов.
Уровень, до которого Panasonic разрешает разряжать свои элементы, равен примерно 33%. И разряжать элемент (батарею) до этого уровня надо примерно раз в 1–2 недели. На «Приусе» в 10-м кузове этот алгоритм принудительного максимального разряда-заряда был заложен производителем в блок управления ВВБ и регулярно исполнялся.
На «Хонде-Цивик-гибрид» инженеры посчитали излишним еженедельный процесс принудительной эквализации и запроектировали его примерно раз в два месяца! Этого для исправной работы ВВБ катастрофически мало. Отсюда мы и получили такую ненадежную ВВБ на «Хонде». Осознав свою ошибку, несколькими более поздними прошивками они попытались исправить ситуацию с принудительным зарядом-разрядом, но это у них не получилось.
Ну а теперь, обновив свои знания об устройстве аккумуляторов и основных понятиях, перейдем к практической работе. Например, нам надо проверить емкость вспомогательного аккумулятора на гибридном автомобиле. Он у нас свинцово-кислотный. Классическим методом проверки будет контрольный разряд. Для этого аккумулятор надо полностью зарядить, а потом разрядить постоянным током, регистрируя время до конечного напряжения разряда. А затем определить остаточную емкость по формуле: E(A • ч) = I(А) • Т(ч).
Ток разряда при этом обычно выбирают таким, чтобы время разряда примерно соответствовало 10 часам (в зависимости от того, для какого времени разряда указана номинальная емкость АКБ). А затем сравниваем остаточную емкость АКБ с номинальной емкостью. Если остаточная емкость ниже 70%, то такой элемент неисправен. Но, как видим, такой процесс определения остаточной емкости аккумулятора очень сложен и трудоемок. А самое главное – занимает очень много времени. Для более быстрого (но менее точного) способа определения остаточной емкости придуманы специальные устройства: нагрузочные вилки и нагрузочные аппараты.
Нагрузочные вилки достаточно распространены. В принципе ими должен быть оснащен любой автосервис. Они бывают аналоговые и цифровые. Нагрузочные вилки позволяют всего за несколько секунд определить остаточную емкость аккумулятора. Как ими пользоваться, мы рассмотрим на следующем уроке.
