Автомобиль / Силовая установка / Гибридная силовая установка / Система рекуперации

Система рекуперации

Система рекуперации - подсистема гибридной силовой установки, позволяющая во время замедления автомобиля преобразовывать часть его кинетической энергии в электрическую и возвращать ее в высоковольтную батарею. В технической англоязычной терминологии широко используется название Regenerative Braking System. English-поле этой страницы в Генеральной карте TESMA не заполнено, поэтому Regenerative Braking System здесь используется как общепринятый технический эквивалент, а не как отдельно утвержденный английский канон TESMA.

Рекуперация не является отдельным "электрическим тормозом", который всегда работает с одинаковой силой. Это результат совместной работы тягового электродвигателя, инвертора, высоковольтной батареи, системы управления тормозами, ABS/ESC, датчиков и общей логики гибридного привода.

Поэтому слабая рекуперация не доказывает неисправность тягового электродвигателя, инвертора или батареи. Она может штатно ограничиваться из-за высокого SOC, низкой или высокой температуры HV-батареи, ограниченного charge power limit, вмешательства ABS/ESC, низкой скорости или другой стратегии автомобиля.

Что такое рекуперация энергии

При обычном фрикционном торможении значительная часть кинетической энергии автомобиля превращается в тепло в тормозных дисках и колодках.

Гибридная система может использовать часть этой энергии повторно. При замедлении тяговая электрическая машина переходит в генераторный режим. Колеса через механическую часть привода вращают электрическую машину, она создает противодействующий момент и одновременно вырабатывает электрическую энергию.

Полученная энергия через силовую электронику направляется в высоковольтную батарею.

Путь энергии при рекуперации

Движущийся автомобиль имеет кинетическую энергию.
Водитель отпускает акселератор или нажимает тормоз.
Контроллер рассчитывает требуемое замедление.
Определяется доступный рекуперативный момент.
Тяговая электрическая машина переходит в генераторный режим.
На ведущих колесах создается тормозной момент.
Механическая энергия превращается в электрическую.
Инвертор управляет преобразованием энергии.
Энергия передается высоковольтной батарее.
BMS определяет допустимую зарядную мощность.
При необходимости к рекуперации добавляются фрикционные тормоза.

Рекуперация и обычная тормозная система

Даже автомобиль с мощным рекуперативным торможением обязательно сохраняет обычные тормозные механизмы.

Фрикционные тормоза нужны для:

экстренного торможения;
создания дополнительного тормозного момента;
работы при ограниченной рекуперации;
остановки на низкой скорости на многих платформах;
работы ABS и ESC;
удержания автомобиля;
резервного торможения при ограничениях гибридной системы.

Blended braking

Blended braking - управляемое сочетание рекуперативного и фрикционного торможения.

Водитель задает необходимое замедление педалью. Система определяет, какую часть момента можно получить от электрической машины и какую необходимо создать гидравлическими или электромеханическими тормозными механизмами.

Этот баланс постоянно изменяется.

От чего зависит сила рекуперации

скорость автомобиля;
скорость вращения электрической машины;
запрос водителя;
режим движения;
SOC батареи;
температура батареи;
charge power limit;
температура инвертора;
температура электродвигателя;
состояние ABS/ESC;
сцепление шин с дорогой;
защитные ограничения;
архитектура HEV, PHEV или MHEV;
калибровка производителя.

Роль тягового электродвигателя

Тяговый электродвигатель при рекуперации работает как генератор.

Он создает противодействующий момент и преобразует механическую энергию вращения в электрическую.

Однако низкий генераторный момент не доказывает неисправность электрической машины. Контроллер может специально ограничить его.

Роль инвертора

Инвертор участвует в управлении электрическим потоком между машиной и высоковольтной системой.

Если силовая электроника имеет температурное, электрическое или другое ограничение, рекуперация может быть уменьшена.

DTC инвертора не означает автоматически, что для восстановления рекуперации необходимо менять инвертор.

Роль высоковольтной батареи

Высоковольтная батарея должна быть способна принять вырабатываемую энергию.

BMS постоянно рассчитывает допустимую зарядную мощность.

Если charge power limit низкий, рекуперативный момент ограничивается даже при полностью исправных электрической машине и инверторе.

Высокий SOC

При высоком SOC батарея приближается к верхней границе своего рабочего диапазона.

В такой ситуации система может:

уменьшить рекуперативный момент;
чаще использовать фрикционные тормоза;
изменить замедление после отпускания акселератора;
показывать меньшую рекуперацию на дисплее.

Это не обязательно является неисправностью.

Холодная батарея

При низкой температуре батарея может иметь ограниченную способность принимать высокую зарядную мощность.

После холодного запуска водитель может заметить:

более слабое электрическое торможение;
большее участие фрикционных тормозов;
меньший поток энергии в батарею;
постепенное восстановление рекуперации по мере изменения температуры.

Перегретая батарея

Высокая температура также может ограничивать зарядную мощность.

Если батарея гибрида перегревается, необходимо проверять высоковольтное охлаждение.

Слабая рекуперация в таком случае может быть следствием тепловой защиты.

Рекуперация при отпускании акселератора

Характер замедления без нажатия педали тормоза зависит от автомобиля.

Некоторые модели создают заметный генераторный момент сразу после отпускания акселератора. Другие предпочитают движение накатом и начинают интенсивную рекуперацию только при торможении.

Нельзя использовать поведение другой модели как эталон.

One-pedal driving

В режиме one-pedal driving отпускание педали акселератора вызывает выраженное замедление.

Такая функция есть не у всех гибридов и работает по-разному.

Сильное замедление также не означает, что вся кинетическая энергия возвращается в батарею.

ABS и рекуперация

При риске блокировки колес ABS может уменьшить рекуперативный момент.

Приоритет всегда отдается устойчивости автомобиля.

Поэтому на скользкой поверхности рекуперация может ощущаться иначе, чем на сухой дороге.

ESC и рекуперация

ESC также может изменять распределение тормозного момента при необходимости стабилизировать автомобиль.

Максимальная энергоэффективность в такой ситуации не является приоритетом.

Почему рекуперация уменьшается на низкой скорости

Возможности электрической машины в генераторном режиме зависят от скорости вращения.

По мере приближения к полной остановке многие системы плавно увеличивают вклад фрикционных тормозов.

Небольшое изменение ощущения педали или замедления на этом этапе может быть конструктивной особенностью.

Почему поведение меняется между поездками

Рекуперация может отличаться из-за:

разного SOC;
температуры батареи;
температуры силовой электроники;
дорожных условий;
режима движения;
работы систем стабилизации;
текущих ограничений мощности.

Симптом «Рекуперация работает слабо»

В базе знаний TESMA предусмотрена отдельная страница «Рекуперация работает слабо».

Перед диагностикой важно уточнить характер жалобы:

уменьшилось замедление при отпускании акселератора;
уменьшилась индикация рекуперации;
машина чаще использует механические тормоза;
изменилось ощущение педали;
рекуперация слабая на холодную;
рекуперация уменьшается после прогрева;
рекуперация слабая после полного заряда;
появилось предупреждение;
изменение началось после ремонта.

Когда слабая рекуперация может быть нормальной

высокий SOC;
холодная батарея;
перегретая батарея;
низкая скорость;
активная ABS;
активная ESC;
ограниченный charge power;
определенный режим движения;
защитная стратегия гибридной системы.

Когда требуется диагностика

рекуперация постоянно отсутствует;
изменение появилось без изменения условий;
есть DTC;
горит предупреждение гибридной системы;
горит ABS или ESC;
изменилась работа педали тормоза;
есть перегрев;
одновременно ограничена электрическая тяга;
система работает в аварийном режиме;
симптом появился после ремонта.

DTC и рекуперация

Ограничение рекуперации может быть следствием кодов в нескольких разных системах.

Проверяются:

hybrid control ECU;
BMS;
инвертор;
контроллер электрической машины;
ABS/ESC;
тормозной контроллер;
сетевые модули;
низковольтное питание;
тепловое управление.

DTC не является готовым диагнозом детали.

Freeze frame

Перед удалением DTC сохраняют условия появления проблемы.

Полезны:

скорость;
SOC;
температура батареи;
battery current;
режим торможения;
ABS/ESC status;
сопутствующие DTC.

Live Data

Battery SOC;
Battery voltage;
Battery current;
Battery temperatures;
charge power limit;
discharge power limit;
requested regenerative torque;
actual regenerative torque;
motor/generator speed;
motor/generator torque;
inverter temperature;
motor temperature;
brake pedal position;
requested deceleration;
friction brake request;
ABS active;
ESC active;
wheel speeds;
hybrid limitation flags.

Точный набор и названия PID зависят от автомобиля.

Requested и Actual

Requested низкий, Actual низкий

Контроллер сам не запрашивает большую рекуперацию. Нужно искать причину ограничения.

Requested высокий, Actual низкий

Система хочет получить рекуперативный момент, но он не реализуется полностью. Требуется проверка исполнительной части и связанных ограничений.

Actual regen нормальный, но замедление кажется слабым

Нужно проверить фрикционную часть blended braking.

Фрикционные тормоза на гибриде

Рекуперация уменьшает использование тормозных колодок и дисков, но не отменяет их обслуживание.

При относительно редком использовании возможны:

коррозия дисков;
закисание направляющих;
неравномерный износ;
ограниченная подвижность суппорта;
проблемы после длительной стоянки.

Ощущение педали тормоза

Blended braking должно обеспечивать прогнозируемое замедление при переходе от рекуперации к механическим тормозам.

На системах brake-by-wire связь педали с фактическим гидравлическим давлением может быть сложнее, чем на традиционном автомобиле.

Необычную педаль нельзя объяснять только особенностями гибрида без проверки.

Сцепление с дорогой

Рекуперативный момент передается через ведущие колеса. Если сцепление ухудшается, ABS/ESC может уменьшить его.

Это особенно заметно на:

льду;
снегу;
мокрой разметке;
гравии;
неровностях;
покрытии с разным сцеплением колес.

Длинный спуск

При движении вниз батарея постепенно принимает рекуперируемую энергию.

Если SOC становится высоким, доступная зарядная мощность может уменьшиться. В результате автомобиль увеличивает участие других способов торможения.

На длинном спуске нельзя рассчитывать на абсолютно постоянный рекуперативный эффект.

HEV, PHEV и MHEV

HEV

Рекуперация является важной частью обычного энергетического цикла автомобиля.

PHEV

Более крупная батарея меняет доступный энергетический буфер, но алгоритм зависит от конкретной модели.

MHEV

Возможности рекуперации определяются архитектурой мотор-генератора и существенно отличаются от полного гибрида.

Дифференциальная диагностика

Норма или неисправность?

Сначала проверяют SOC, температуру, charge power limit и статус систем стабилизации.

Батарея или рекуперация?

Если BMS ограничивает прием мощности, система рекуперации физически не может отправить в батарею больше энергии.

Батарея или охлаждение?

При перегреве необходимо проверить высоковольтное охлаждение.

Инвертор или электрическая машина?

Проверяют requested/actual torque, электрические параметры, температуры и DTC.

Рекуперация или ABS/ESC?

Ошибка системы стабилизации может отключить или ограничить рекуперативную часть.

Электрическое или фрикционное торможение?

При изменении общего замедления проверять необходимо обе части blended braking.

HV или 12 V?

Низковольтное питание может вызывать коммуникационные ошибки и отключение функций гибридной системы.

Алгоритм диагностики

Идентифицировать автомобиль по VIN.
Определить модельный год и рынок.
Определить тип MHEV, HEV или PHEV.
Изучить алгоритм рекуперации конкретной платформы.
Определить используемые электрические машины.
Точно записать жалобу.
Уточнить условия появления.
Уточнить SOC.
Уточнить температуру окружающей среды.
Проверить 12 V питание.
Считать все DTC.
Не удалять коды до анализа.
Сохранить freeze frame.
Проверить hybrid control DTC.
Проверить BMS DTC.
Проверить inverter DTC.
Проверить motor/generator DTC.
Проверить ABS/ESC DTC.
Проверить communication DTC.
Посмотреть Battery SOC.
Посмотреть температуры батареи.
Посмотреть charge power limit.
Посмотреть battery current.
Проверить температуры инвертора и электрической машины.
Проверить power limitation flags.
Сравнить wheel speeds.
Проверить brake pedal data.
Проверить ABS/ESC status.
Посмотреть requested regen torque.
Посмотреть actual regen torque.
Сравнить requested и actual.
Проверить зарядный ток во время замедления.
Проверить зависимость от высокого SOC.
Проверить зависимость от температуры.
При необходимости проверить охлаждение батареи.
Проверить blended braking.
Осмотреть фрикционные тормоза.
Диагностировать ABS/ESC при соответствующих кодах.
Выполнить безопасный дорожный тест.
Сравнить поведение при разных нормальных условиях SOC.
Сравнить холодную и прогретую батарею.
Определить контроллер, установивший ограничение.
Определить причину ограничения.
Подтвердить неисправный компонент.
После ремонта повторить контрольный тест.

Почему недостаточно индикатора на панели

Экран потоков энергии предназначен прежде всего для водителя.

Он не показывает достоверно:

точный charge power limit;
состояние отдельных блоков батареи;
причину ограничения;
точный requested/actual torque;
долю фрикционного торможения;
состояние силовой электроники.

Обслуживание

У системы рекуперации нет универсальной отдельной операции обслуживания. Обслуживаются связанные системы.

HV-батарея;
охлаждение батареи;
инвертор;
электрическая машина;
ABS/ESC;
фрикционные тормоза;
тормозная жидкость;
низковольтная сеть.

Почему механическим тормозам все равно нужно обслуживание

Меньшая скорость износа не означает отсутствие проблем.

Необходимо контролировать:

тормозные диски;
колодки;
направляющие;
суппорты;
пыльники;
тормозную жидкость;
свободное движение механизмов.

Ремонт

Отдельной подтвержденной страницы "Ремонт системы рекуперации" в Генеральной карте TESMA нет. Это логично, поскольку рекуперация является совместной функцией нескольких систем.

Реальный ремонт может касаться:

высоковольтной батареи;
ее охлаждения;
инвертора;
тягового электродвигателя;
ABS/ESC;
датчиков скорости колес;
гидравлических тормозов;
12 V питания;
проводки и коммуникации;
программного обеспечения при наличии подтвержденной OEM-процедуры.

Пять практических сервисных случаев

Случай 1 - после полной зарядки рекуперация стала слабой

Водитель PHEV заподозрил неисправность электрической машины.

Диагностика показала высокий SOC и низкую доступную зарядную мощность. После расходования части энергии рекуперация восстановилась.

Вывод: система была исправна.

Случай 2 - слабая рекуперация зимой

После холодной ночной стоянки электрическое торможение было ограничено, но постепенно возвращалось во время движения.

DTC отсутствовали.

Причиной была нормальная температурная стратегия батареи.

Случай 3 - перегрев батареи

После длительной езды рекуперация уменьшалась, а вентилятор батареи работал интенсивно.

Причиной оказался загрязненный воздушный тракт охлаждения, из-за чего BMS ограничивала charge power.

Вывод: слабая рекуперация была вторичным симптомом.

Случай 4 - проблема ABS

После появления предупреждения ABS автомобиль стал чаще использовать фрикционные тормоза.

Инвертор оказался исправным.

Ограничение рекуперации было связано с неисправностью тормозной системы.

Случай 5 - изменение педали после ремонта

После сервиса водитель решил, что рекуперация перестала работать.

Диагностические данные подтверждали нормальный генераторный момент, а проблема находилась во фрикционной части blended braking.

Типичные ошибки

1. Приговаривать электродвигатель по слабой рекуперации

Симптом может иметь множество других причин.

2. Игнорировать SOC

Высокий SOC часто естественно ограничивает рекуперацию.

3. Игнорировать температуру

Холодная и перегретая батарея могут иметь ограниченный charge power.

4. Путать SOC и SOH

Это разные характеристики.

5. Диагностировать по экрану энергии

Он не заменяет live data.

6. Не смотреть charge power limit

Без него трудно понять, сколько энергии батарея способна принять.

7. Игнорировать ABS/ESC

Они имеют приоритет по безопасности.

8. Менять инвертор без подтверждения

Нужно сравнить requested и actual.

9. Менять батарею только из-за слабой рекуперации

Сначала проверяют ее реальное ограничение и условия.

10. Игнорировать фрикционные тормоза

Они являются частью blended braking.

11. Не обслуживать тормоза из-за медленного износа

Коррозия и закисание остаются возможными.

12. Сравнивать разные автомобили по ощущению педали

Калибровка систем различается.

13. Считать one-pedal обязательным

Это не универсальная функция.

14. Считать всю энергию торможения рекуперируемой

Это физически невозможно из-за потерь и использования механических тормозов.

15. Игнорировать низкую скорость

Возле остановки роль фрикционных тормозов часто возрастает.

16. Игнорировать 12 V питание

Оно необходимо для работы контроллеров.

17. Стирать DTC слишком рано

Freeze frame может содержать ключевые данные.

18. Не выполнять дорожный тест

Многие ограничения видны только в движении.

19. Проводить опасный тест торможения

Диагностический тест не должен создавать риск.

20. Принимать штатное ограничение за поломку

Сначала необходимо понять логику контроллера.

Безопасность

Система рекуперации связана одновременно с высоковольтной системой и торможением, поэтому неправильное вмешательство может быть опасно.

Работа с HV-батареей, инвертором, электрической машиной и высоковольтными кабелями требует квалификации и соблюдения процедуры производителя.

OEM shutdown procedure;
lockout;
PPE;
предписанный discharge wait;
verify absence of hazardous voltage;
специальные процедуры после ДТП или затопления.

Универсального времени разряда высоковольтной системы нет.

После ремонта brake-by-wire, ABS/ESC или гидравлической части необходимо выполнять только предусмотренные производителем процедуры прокачки, калибровки и инициализации.

Подбор компонентов

VIN;
модель автомобиля;
год и дата производства;
рынок;
архитектура MHEV, HEV или PHEV;
OE-номер;
ревизия компонента;
тип гибридной трансмиссии;
тип электрической машины;
версия инвертора;
версия тормозного блока;
разъемы;
программная совместимость;
необходимость калибровки или кодирования.

Товарные группы TESMA

Отдельной подтвержденной товарной категории TESMA для рекуперативной системы нет. Для механической части blended braking актуальны обычные компоненты тормозной системы.

Тормозная система
Тормозные колодки
Тормозные диски
Тормозной суппорт
Датчик ABS
Тормозная жидкость
Аккумулятор - для вспомогательной сети 12 V, а не вместо высоковольтной батареи.

Связанные страницы базы знаний TESMA

Вывод

Система рекуперации - это не отдельная деталь, а совместная функция гибридной силовой установки и тормозной системы. Электрическая машина преобразует часть энергии движения в электрическую, но количество энергии, которое реально удается вернуть в батарею, постоянно ограничивается физическим состоянием системы и командами контроллеров.

При диагностике необходимо учитывать SOC, температуру батареи, charge power limit, состояние инвертора, электрической машины, ABS/ESC и фрикционных тормозов. Один и тот же водительский симптом может иметь совершенно разные причины.

Главное сервисное правило TESMA: слабая рекуперация - это симптом, а не диагноз электродвигателя, инвертора или высоковольтной батареи. Нужно определить requested и actual рекуперативный момент, найти контроллер, установивший ограничение, и только после этого принимать решение о ремонте.