W tym artykule omówimy niewielkie pod względem rozmiaru, ale istotne w działaniu urządzenie, które odpowiada za bezpieczeństwo układu wysokonapięciowego w samochodzie. Zrozumienie tego komponentu pomoże Ci korzystać z samochodu elektrycznego lub hybrydowego w sposób maksymalnie efektywny oraz uniknąć ryzyka nagłego zatrzymania i innych poważnych awarii.
Należy od razu zaznaczyć, że wiele elementów odpowiada za bezpieczeństwo układów wysokonapięciowych w samochodach z napędem elektrycznym, między innymi: bezpiecznik baterii, szczelna obudowa, specjalne zabezpieczenia, obwód blokady wysokiego napięcia (high-voltage interlock loop (HVIL)). Jest to jednak temat na kolejny artykuł.
STS Electro - to pierwsze w Polsce specjalistyczne centrum obsługi samochodów elektrycznych i hybrydowych. Nie tylko rozwiązujemy trudne problemy z układami wysokonapięciowymi i oprogramowaniem, ale także przyczyniamy się do rozwoju kultury elektromobilności dzięki takim publikacjom edukacyjnym.
Wysokonapięciowy kontaktron
Funkcja kontaktronu wysokonapięciowego
Kontaktron wysokonapięciowy w zasadzie jest przekaźnikiem. Łączy linię zasilania o napięciu 400 V za pomocą cewki elektromagnetycznej, która jest sterowana 12-voltowym systemem przy pomocy akumulatora 12V. W baterii wysokonapięciowej znajduje się po jednym kontaktronie mocy na każdej linii (plus i minus). Oba kontaktory są włączane, gdy jest uruchomiony zapłon w samochodzie. Nie jednocześnie, tylko po kolei: najpierw plus, a następnie minus.
W kontaktronie wysokonapięciowym znajdują się dwa rodzaje uzwojenia: wciągające i podtrzymujące.
Kiedy kontaktron jest wyłączony, nie jest zasilany lub w znajduje się w stanie otwartym, przez niego nie płynie prąd. Gdy tylko na cewkę kontaktronu podaje się napięcie 12V, natychmiast się zamyka. Metalowy rdzeń, pod wpływem pola elektromagnetycznego, przyciska płytę kontaktową do koła pasowego. W momencie, gdy prąd zaczyna płynąć przez kontaktron, uzwojenie wciągające jest wyłączane, działa tylko uzwojenie podtrzymujące.
Siła elektromotoryczna (SEM) na uzwojeniu wciągającym jest znacznie wyższa niż na uzwojeniu podtrzymującym. Oznacza to, że jeśli będziemy stale zasilać uzwojenie wciągające, kontaktronr będzie nadmiernie nagrzewał się. W rezultacie ulegnie uszkodzeniu.
Uzwojenie podtrzymujące nie potrzebuje dużej SEM, wystarczy, że utrzymuje metalowy rdzeń w stanie, w jakim się znajduje, zapewniając niezawodne połączenie elektryczne między płytą dociskową a kołami pasowymi.
Na zdjęciu dla porównania są pokazane koła pasowe nowego i uszkodzonego kontaktronu mocy. Są widoczne ślady spalenizny na kontaktach
Rodzaje kontaktronów prądu stałego w samochodach elektrycznych i hybrydowych
Kontaktrony mocy są podzielone na dwa rodzaje:
- Szczelne, nazywane również próżniowymi, ponieważ w miejscu połączenia płyty dociskowej z kołami pasowymi utworzona jest próżniowa przestrzeń (kapsuła próżniowa). Dzięki próżni ryzyko pojawienia się łuku plazmowego w momencie zerwania połączenia między płytą kontaktronu a kołem pasowym jest zmniejszone. Mówiąc inaczej, jest to dodatkowa gwarancja bezpieczeństwa.
- Kontaktrony próżniowe są przystosowane do mniejszego prądu. Wewnątrz nie ma próżni. Takie kontakty są łatwiejsze do produkcji i mają stosunkowo niską cenę.
Na przykład Tesla Model S P100D jest wyposażona w kontaktrony próżniowe, które krótkotrwałe są w stanie przepuszczać prąd o natężeniu do 1500 amperów. Samochody hybrydowe mają mniejsze wysokonapięciowe baterie i zazwyczaj używają nie nieszczelne przekaźniki wysokonapięciowe.
Dla porównania, na rynku wewnętrznym Korei Południowej istnieją hybrydowe pojazdy z fabryczną instalacją gazową LPG (propan-butan). W celu zapewnienia bezpieczeństwa na takich hybrydach zainstalowane są kontaktrony próżniowe.
Kontaktrony są podzielone na dwie grupy, w zależności od sposobu mocowania płytki na osi rdzenia metalowego:
- Połączenie ruchome z płytą dociskową.
- Sztywne mocowanie między płytą a osią rdzenia.
Okres eksploatacji kontaktronu wysokonapięciowego
Każdy kontaktron mocy ma określony okres eksploatacji, który jest mierzony liczbą cykli włączeń. Średnio wynosi on 25 000 cykli. Aby kontaktron osiągnął pełny okres eksploatacji, moment włączania i wyłączania zapłonu nie powinien następować pod obciążeniem.
Na przykład, gdy samochód porusza się, prąd płynie z baterii do przekształtnika. Jeśli w tym momencie nie dostarczy się 12-voltowego zasilania do kontaktronu wysokonapięciowego, następuje zerwanie połączenia. W rezultacie ruchoma płyta kontaktronu, pod wpływem sprężyny powrotnej, próbuje oderwać się od miejsca kontaktu z kołami pasowymi - miejsce kontaktu "spala się", co znacznie skraca jego okres działania.
Na zdjęciu widoczne są ślady przypalonych (przylutowanych) kontaktów.
Do czego może doprowadzić uszkodzenie kontaktronu mocy w samochodzie elektrycznym lub hybrydowym?
Istnieje kilka możliwości:
- Samochód sygnalizuje błąd w obwodzie wysokiego napięcia za pomocą sygnału na desce rozdzielczej: Check Hybrid System, Stop Safely Now, żółty lub czerwony wykrzyknik. Po kilku takich komunikatach samochód całkowicie się zatrzymuje.
- Zapłon nie wyłącza się. Jeśli kierowca próbuje wyłączyć zapłon, nie będzie w stanie tego zrobić.
- Istnieje ryzyko porażenia prądem elektrycznym. Jeśli kontaktor mocy jest uszkodzony, a kontakty między płytą a kołem pasowym są spięte, to obwód wysokiego napięcia będzie pod stałym napięciem. Niewykwalifikowany mechanik lub właściciel samochodu może doznać porażenia prądem, jeśli spróbuje samodzielnie rozwiązać problem z baterią.
Zdemontowany kontaktron mocy Nissan Leaf
Co powoduje uszkodzenie kontaktronu wysokonapięciowego?
Kilka kluczowych punktów:
- Słaby akumulator 12V. Zużyty akumulator nie jest w stanie dostarczyć wystarczającego napięcia do uzwojenia pociągowego, aby kontaktron zamknął się bez powstawania łuku plazmowego. Długotrwałe użytkowanie słabego akumulatora prowadzi do przepalenia kontaktronu mocy.
- Styl jazdy samochodem elektrycznym lub hybrydowym. Na przykład, gwałtowny start z miejsca. Powoduje to krótkotrwałe duże zużycie energii elektrycznej, które może przekroczyć przepustowość kontaktronu.
- Inne wewnętrzne uszkodzenia. Na przykład, jeśli niektóre ogniwa w akumulatorze samochodu elektrycznego lub hybrydowego są niezrównoważone (niska pojemność). Sytuację ocenia płyta BMS, która podejmuje awaryjną decyzję o odłączeniu zasilania 12V z wysokonapięciowego przekaźnika. W takim przypadku kontaktron przymusowo przerywa połączenie baterii w celu ochrony całego źródła zasilania. Producent samochodu właściwie ustawia priorytety i dba o zachowanie bardziej kosztownego urządzenia niż kontaktron.
Dla porównania: nowy i uszkodzony (spalony) kontaktron wysokonapięciowy.
Zapobieganie uszkodzeniom kontaktronu
Po pierwsze, należy monitorować stan akumulatora 12V. Kontrolując jego stan, nie będzie problemów z kontaktami. Zalecamy regularną wymianę akumulatora co trzy lata, niezależnie od przebiegu i intensywności użytkowania samochodu.
W artykule „Ford Focus Electric: na co zwracać uwagę” poruszamy również problem kontaktronów mocy i zużytego akumulatora 12V.
Po drugie, zachowanie podczas krótkich zatrzymań samochodu elektrycznego i hybrydowego. W tym przypadku zalecamy pozostawienie zapłonu włączonego i przełączenie samochodu w tryb parkowania. W takiej sytuacji działa przetwornica DC/DC, która obsługuje akumulator 12V.
Dodatkowa infoemacja: właściciele samochodów, którzy wymieniają silnik spalinowy na napęd elektryczny, często przenoszą styl prowadzenia z jednego rodzaju samochodu na drugi. W pojazdach z silnikiem spalinowym lepiej wyłączyć zapłon podczas krótkich zatrzymań, ale w samochodach elektrycznych i hybrydowych należy postępować inaczej. Aby nie zasilać systemu pokładowego (muzyka, oświetlenie, podgrzewane tylne szyby lub siedzenia) bezpośrednio z akumulatora 12V, bez wsparcia przetwornicy DC/DC.
Wymiana kontaktronu mocy samochodu elektrycznego lub hybrydowego
Ile kontaktorów należy wymienić
Zazwyczaj w baterii trzeba wymienić od razu dwa kontakty (na szynie plus i minus). Niektórzy uważają, że wystarczy wymienić jeden kontaktor. Teoretycznie jest to prawdą. Ale praktycznie jest to rozwiązanie tymczasowe. Kiedy jeden kontaktor przepala się, jakość połączenia drugiego pogorszy się i w końcu trzeba go będzie wymienić. Co wiąże się z dodatkowymi kosztami demontażu, otwarcia i montażu baterii.
Jak sprawdzić stan kontaktronu?
Każdy kontaktor ma swój stan, ale nie można go odróżnić wizualnie: czy jest to używany podzespół czy nowy. Stan urządzenia można sprawdzić, mierząc jego rezystancję przy zasilaniu 12V.
Jeśli kontaktor jest sprawny, to wartość rezystancji w dziesięciu przypadkach na dziesięć będzie taka sama. Jeśli jednak przynajmniej raz na dziesięć razy wartość rezystancji będzie niższa lub wyższa niż dopuszczalne wartości pomiarów, to uważa się to urządzenie za zużyte i należy je wymienić. Demontaż spalonego kontaktronu mocy w samochodzie elektrycznym.
Na zdjęciu pracownik Master Service Electro prezentuje spalony kontaktron mocy w samochodzie elektrycznym
Bezpieczeństwo
Zamiana spiętego (zamkniętego) kontaktronu jest niebezpieczną operacją. Należy pamiętać, że mamy do czynienia z obwodem o wysokim napięciu. Istnieje wysokie ryzyko porażenia prądem elektrycznym. Dlatego serwis kontaktronów mocy powinien być powierzany tylko specjalistycznemu warsztatowi, gdzie mistrzowie i elektrycy mają uprawnienia do pracy z wysokim napięciem.
Pod żadnym pozorem nie należy badać urządzenia akumulatora wysokonapięciowego na własną rękę!
Mistrzowie i inżynierowie Master Service Electro przeszli specjalne szkolenie w zakresie pracy z urządzeniami o wysokim napięciu. Zespół jest wyposażony w odzież ochronną, specjalistyczne narzędzia i inne środki ochrony.
Istnieje ścisły algorytm demontażu kontaktorów mocy:
- Należy używać dielektrycznych butów i rękawiczek.
- Należy wykonywać wszystkie manipulacje jedną ręką.
- Nie można dotykać w tym momencie baterii.
- Podczas demontażu baterii należy wyłączyć akumulator 12 V.
- Należy wyłączyć bezpiecznik wysokiego napięcia.
- Należy odłączyć wtyczkę wysokiego napięcia.
- Należy ograniczyć dostęp do baterii przed jakimikolwiek zewnętrznymi ingerencjami.
- Należy odizolować elementy baterii, aby uniknąć przypadkowych dotknięć.
- Przy demontażu lub montażu kontaktorów należy stosować odpowiednie narzędzia i techniki zapobiegające uszkodzeniom baterii i innych komponentów.
- Należy upewnić się, że przed rozpoczęciem prac związanych z kontaktami mocy, wszystkie niezbędne zabezpieczenia i procedury bezpieczeństwa zostały przestrzegane.
Zdemontowany kontaktron mocy w samochodzie Nissan Leaf.
Opisane przypadki w Master Service Electro
Nissan Leaf
Problem: Właściciel samochodu elektrycznego Nissan Leaf zgłosił się do serwisu Master Service Electro z problemem, ponieważ zapłon nie wyłączał się, prąd stale wpływał do falownika, a obwód elektryczny nie był przerwany.
Rozwiązanie: Podczas diagnostyki komputerowej stwierdzono, że kontaktor wysokiego napięcia jest uszkodzony. Obie kontaktrony zostały wymienione, zgodnie z życzeniem klienta.
Toyota RAV4 EV
Problem: Samochód nie uruchamiał się. Właściciel na lawecie dostarczył pojazd do serwisu Master Service Electro.
Rozwiązanie: Podczas diagnostyki stwierdzono uszkodzenie kontaktronów mocy. Wewnętrzne opory zostały sprawdzone, i w trzech przypadkach z dziesięciu, wartości różniły się od ustalonych parametrów. Oba kontaktory zostały wymienione, a samochód został przywrócony do sprawności.
Ford Focus Electric
Problem: Samochód elektryczny nie uruchamiał się. System pojazdu kilkukrotnie informował właściciela o problemach z układem wysokonapięciowym, a następnie samochód odmówił jazdy.
Warto zaznaczyć, że u tej marki samochodów elektrycznych uszkodzenie kontaktronu mocy jest powszechną sytuacją. Wynika to z dwóch powodów. Po pierwsze, słaby akumulator 12V - 45 amperogodzin. Po drugie, dwa akumulatory o wysokim napięciu = cztery kontaktrony. Początkowo mała moc akumulatora jest narażona na nadmierne obciążenia.
Rozwiązanie: Akumulator 12 V i oba kontaktrony zostały wymienione, a usterka została naprawiona.
Jeśli nie masz czasu, aby się temu przyjrzeć, ale chcesz sprawdzić stan kontaktronów wysokiego napięcia, zadzwoń do Master Service Electro - pierwszego specjalistycznego centrum serwisowego dla samochodów elektrycznych i pojazdów hybrydowych.