Тяговая батарея

Определение

Тяговая батарея — высоковольтный накопитель энергии электромобиля или гибрида, собранный из литиевых ячеек, объединённых в модули последовательно и параллельно. Напряжение пакета — сотни вольт, запас энергии измеряется в киловатт-часах.

Отличие от стартерной аккумуляторной батареи не в размере: у них разные назначение, химия, единица оценки и способ диагностики.

Назначение

Хранить энергию движения и отдавать её тяговому приводу, а также принимать её обратно при рекуперативном торможении.

Ключевое различие с пусковой батареей — в том, что именно от неё требуется:

  СТАРТЕРНАЯ АКБ     мощность на секунды
                     оценка — пусковой ток

  ТЯГОВАЯ БАТАРЕЯ    энергия на часы
                     оценка — ёмкость в кВт·ч и её сохранность

Отсюда следует, что привычные методы оценки пусковой батареи к тяговой неприменимы — не потому, что они «хуже», а потому что измеряют не ту величину.

Расположение

В подавляющем большинстве конструкций — в герметичном корпусе под полом кузова, между осями, часто как элемент силовой структуры автомобиля. Отсюда два практических следствия: чувствительность к ударам по днищу и критичность уплотнения корпуса.

Устройство

  ЯЧЕЙКА      единица химии; её напряжение и есть
              то, что реально контролируется

  МОДУЛЬ      группа ячеек в общем корпусе
              с выводами для контроля

  ПАКЕТ       модули, соединённые шинами,
              в герметичном корпусе

  Кроме ячеек в корпусе находятся:
    BMS                контроль и защита
    контакторы         подключение контура
    сервисный разъём   ручной разрыв контура
    силовой предохранитель
    контур охлаждения/нагрева

Входы

Зарядный ток — от бортового зарядного устройства при зарядке переменным током либо напрямую от станции при зарядке постоянным током. Команды BMS на замыкание контакторов. Теплоноситель системы терморегулирования.

Выходы

Высоковольтная шина постоянного тока на инвертор тягового привода и на DC/DC преобразователь. Данные о напряжении и температуре каждой ячейки — в BMS. Тепло, отводимое системой охлаждения.

Принцип работы

Ячейки соединены последовательно, поэтому напряжение пакета — сумма напряжений ячеек. Из этого простого факта следует всё остальное, и это главное, что нужно понять о тяговой батарее:

Пакет ограничен худшей ячейкой, а не средней. Разряд обязан прекратиться, когда нижнего предела достигнет первая ячейка; заряд — когда верхнего предела достигнет первая. Остальные к этому моменту свой ресурс не выбрали, но воспользоваться им нельзя: продолжение разряда разрушит отставшую ячейку.

Отсюда практический вывод, определяющий всю диагностику: разброс напряжений между ячейками информативнее, чем напряжение пакета. Сумма скрывает разброс — пакет с одной просевшей ячейкой и пакет полностью здоровый дают одинаковое общее напряжение.

Второе следствие — смысл балансировки: она выравнивает заряд ячеек, а не их ёмкость. Ячейку, потерявшую ёмкость, балансировка не восстанавливает.

Типичные неисправности

Источник	Механизм	Признак
Равномерная деградация ячеек	Старение химии, циклы, температура	Плавное снижение запаса хода за годы
Одна отстающая ячейка	Производственный разброс, локальный перегрев	Резкий провал заряда у нижней границы
Нарушенная балансировка	Отказ цепи балансировки, длительный простой	Растущий разброс, ёмкость ниже расчётной
Переходное сопротивление шин	Ослабление или коррозия силовых соединений	Локальный нагрев, просадка под нагрузкой
Отказ терморегулирования	Насос, клапан, утечка теплоносителя	Ограничение мощности, отказ быстрой зарядки
Влага внутри корпуса	Нарушено уплотнение	Ошибка изоляции
Механическое повреждение	Удар по днищу	Возникает после конкретного события

Список не заявляется как исчерпывающий: часть отказов пакета проявляется только через BMS и не имеет собственных внешних признаков.

Типичные симптомы

Снижение запаса хода; резкое падение показаний заряда у нижней границы; уменьшение доступной мощности; отказ или замедление быстрой зарядки; ошибки высоковольтной системы; нагрев отдельной зоны корпуса.

Диагностика

Прежде всего. Пакет остаётся под напряжением и после выключения автомобиля. Прямые измерения на высоковольтной части выполняются только по процедуре производителя и персоналом с допуском. Основная диагностика тяговой батареи — не контактная: она выполняется чтением данных BMS через диагностический протокол.

  Напряжение пакета     300–800 В  в зависимости от архитектуры
  Ёмкость               30–150 кВт·ч  для легковых машин

  РАЗБРОС ЯЧЕЕК — основной рабочий показатель
    < 50 мВ    здоровый пакет
    > 100 мВ   нарушенная балансировка или дефектная ячейка

  SOH (сохранённая ёмкость)
    < 80 %     обычный порог для решения о замене
               или для гарантийной оценки

  Внутреннее сопротивление ячейки — единицы миллиом;
  оценивается самой BMS по отклику на изменение тока

Значения приведены как типичные величины из практики высоковольтных систем, а не как измерения проекта. Пороги разброса и SOH задаются изготовителем и зависят от химии ячеек.

Порядок оценки: сначала разброс при заряженном и при разряженном пакете, затем поведение разброса под нагрузкой, и только потом вывод об одиночной ячейке. Разброс, растущий именно под нагрузкой, указывает на повышенное внутреннее сопротивление ячейки; разброс, постоянный независимо от режима, — на нарушенную балансировку.

Заблуждения

«Общее напряжение в норме — батарея исправна». Сумма нечувствительна к разбросу. Пакет из ста ячеек с одной просевшей на 300 мВ отличается по общему напряжению на те же 300 мВ — доли процента, неразличимые на фоне зависимости от заряда и температуры. Диагноз ставится по ячейкам.

«Тяговая батарея — это большой автомобильный аккумулятор». Разные величины оценки: у стартерной — пусковой ток, у тяговой — киловатт-часы и их сохранность. Разная химия и, как следствие, разные отказы: аккумуляторная батарея деградирует сульфатацией, тяговая — потерей ёмкости и ростом внутреннего сопротивления.

«Проверю нагрузочной вилкой». Проверка под нагрузкой как принцип верна и здесь, но реализуется через BMS. Нагрузочная вилка рассчитана на 12 В и сотни ампер короткого импульса; применение подобного инструмента к высоковольтному пакету не даёт диагностической информации и опасно.

«SOH 90 % — значит, проеду 90 % от прежнего». SOH описывает сохранённую ёмкость. Запас хода зависит ещё от температуры, стиля движения, отопления салона и доступной мощности — связь есть, но она не равенство.

«Полная зарядка каждый раз полезна для батареи». Верхняя и нижняя границы заряда — как раз те области, где деградация идёт быстрее. Конкретные рекомендации задаёт изготовитель и его химия ячеек; общего правила, годного для всех машин, здесь нет.

Связанные понятия

• Аккумуляторная батарея — стартерная батарея 12 В: соседнее понятие с другой химией, другой единицей оценки и другими отказами
• Проверка под нагрузкой — общий принцип оценки источника, который для тяговой батареи реализуется через BMS