Первый автосервисный журнал
Издается с 1997 года

Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Школа Сергея Гордеева. Урок десятый

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.

Элемент ВВБ от Prius в 10 кузове
Элемент ВВБ от Prius в 10 кузове

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.

ВВБ в багажном отсеке Prius
ВВБ в багажном отсеке Prius

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?

Элементы ВВБ Honda-Civik-гибрид
Элементы ВВБ Honda-Civik-гибрид

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.

Высоковольтная батарея (ВВБ)
Высоковольтная батарея (ВВБ)

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.

Адрес редакции

111033 Москва, ул. Самокатная, 2а, стр.1, офис 313

На карте

Контакты

Тел.: (495) 361-1260

E-mail: отправить письмо

Социальные сети

Журнал «АБС-авто» © 2018, все права защищены