Почему электрическая машина иногда не выдаёт полную мощность?

Электромобиль иногда не выдаёт полную мощность, потому что, когда датчики температуры на батарее, инверторе и двигателе обнаруживают выход за пределы безопасного рабочего диапазона, силовая электроника сознательно ограничивает ток и выходную мощность. Это явление называется derating, то есть ограничением мощности; это не неисправность, а запрограммированное защитное поведение, оберегающее чувствительные полупроводники и ячейки. Внезапное падение мощности на приборной панели чаще всего означает, что система делает именно то, что должна.

Что такое derating и что именно делает система?

Derating - это автоматическое снижение выходной мощности системой силовой электроники, когда её внутренняя температура превышает безопасный рабочий предел. Механизм выполняет три действия одновременно: устанавливает лимиты тока, снижает частоту коммутации и ступенчато уменьшает выходную мощность. Цель - не допустить превышения температурных пределов полупроводников, конденсаторов и других чувствительных компонентов.

Если говорить конкретно: инвертор, рассчитанный на 5 кВт при температуре окружающей среды 25°C, при 40°C может снизиться до 4,5 кВт или ниже. Это соотношение не одинаково для всех продуктов; оно зависит от температурных запасов конструкции. В системе со слабой инженерной проработкой температурные запасы низки, пороги достигаются быстрее, а падение производительности начинается раньше. Именно поэтому два разных инвертора с одинаковой номинальной мощностью могут показывать совершенно разные результаты в реальной жизни.

В электромобиле эту картину нельзя свести к одному компоненту. Триггером ограничения может быть батарея, инвертор или двигатель; чаще всего все три оцениваются вместе. Именно в этом и заключается задача системы терморегулирования автомобиля: обеспечить работу батареи, инвертора и двигателя до того, как они перейдут в режим ограничения мощности или полностью отключатся. Датчики находятся в центре этой архитектуры; все решения системы принимаются на основе считываемых ими температур.

Ограничение тока при холодной батарее: почему зимой падает мощность?

Холодная погода замедляет химические реакции внутри литий-ионной ячейки. Когда реакции замедляются, батарея не может отдавать ток с требуемой скоростью; это снижает как запас хода, так и способность выдавать пиковую мощность. Потеря запаса хода при температурах, приближающихся к точке замерзания, частично объясняется этим снижением эффективности, а частично - тем, что отопление салона потребляет значительное количество энергии. То есть часть ограничения мощности, видимого на приборной панели зимой, напрямую связана с уменьшенным током, который батарея способна отдать электрически.

Почему пропадает рекуперативное торможение?

У холодной батареи есть и другая сторона - зарядка. Охлаждённая литий-ионная батарея не может безопасно принять большое количество заряда без риска литиевых дендритов (lithium plating); когда металлический литий начинает накапливаться на поверхности анода, это изменение необратимо. Поэтому контрольное программное обеспечение автомобиля снижает рекуперативное торможение или временно отключает его, пока батарея не прогреется. Водитель замечает это по изменению ощущения торможения; некоторые производители предлагают настройки, имитирующие поведение традиционной педали тормоза, чтобы заполнить этот пробел. Та же логика применима и к быстрой зарядке: холодная батарея довольствуется лишь малой частью тока, который она могла бы принять, и первая участок кривой зарядки продвигается неожиданно медленно.

Важно правильно понимать это поведение: ограничение - это защитное поведение, предназначенное для предотвращения повреждения батареи. В автомобилях с активным предварительным прогревом батареи этот предел чаще всего вообще не замечается, поскольку пакет нагревается перед зарядкой.

Термозащита при высокой температуре и различие между временной и постоянной потерей

Горячая сторона рисует картину не такую драматичную, как холодная, но с последствиями, которые могут оказаться более стойкими. С ростом температуры окружающей среды потери в конверторе увеличиваются, тепловой запас в системе сужается и срабатывает снижение мощности (derating). Система термоменеджмента работает вместе с мониторингом чрезмерной температуры, автоматическим ограничением мощности и стратегиями защиты от неисправностей, стремясь не допустить выхода батареи и силовой электроники за пределы безопасного окна. Когда это окно превышено, вступает в действие двухступенчатая защита: сначала мощность снижается, а если предел превышен, заряд и разряд временно полностью останавливаются. Полное отключение - более сильный защитный отклик, чем ограничение, и само по себе оно не является доказательством неисправности.

Критическое различие в управлении температурой - это тип потери ёмкости. Временная потеря доступной ёмкости - это температурное ограничение со стороны BMS, и она возвращается, когда температура приходит в норму; повторяющееся тепловое воздействие же ускоряет старение ячеек, оставляя постоянную потерю ёмкости. Поэтому ограничения, наблюдаемые в припаркованном автомобиле в летнюю жару, в большинстве случаев обратимы, тогда как многократное повторение тех же условий действительно сокращает срок службы пакета.

В батарейном пакете есть ещё один тонкий момент: важна не только величина температуры, но и её распределение. Равномерное распределение температуры внутри пакета определяет производительность, срок службы и безопасность; разница между ячейками приводит к тому, что система ограничивает работу по самой горячей ячейке. Поэтому термоменеджмент - это не просто охлаждение, а равномерное охлаждение. Со стороны двигателя эффективный термоменеджмент предотвращает более тяжёлые последствия: потеря магнитных свойств постоянных магнитов, старение изоляционных материалов, падение КПД и перегорание обмоток двигателя не возникают благодаря этим защитным мерам.

Что происходит при нагреве инвертора и двигателя?

Тяговый инвертор - это компонент автомобиля, выполняющий самую интенсивную коммутацию, и все его потери преобразуются в тепло. Стратегия охлаждения определяет, насколько быстро отводится это тепло. Пассивное воздушное охлаждение основано на естественной конвекции и зависит от расположения монтажного места относительно потока воздуха; принудительное воздушное охлаждение требует вентиляции и зазоров; жидкостное охлаждение обеспечивает контролируемый теплообмен, но представляет собой более сложную систему. Чем выше уровень охлаждающей способности, тем соответственно позже инвертор достигнет теплового порога. Отказ внутреннего вентилятора или блокировка радиатора может сделать ограничение заметным даже в условиях, где оно никогда не наблюдалось.

На стороне двигателя derating применяется с помощью иного механизма: снижается не выходная мощность напрямую, а предел крутящего момента. Предел крутящего момента реализуется за счёт уменьшения тока, поступающего в двигатель. Именно это чувствует водитель: при полном нажатии на педаль газа реакция автомобиля сохраняет прежний характер ускорения, но его потолок снижен. Снижение мощности в жаркий день не означает, что инвертор неисправен; наоборот, это значит, что термический derating работает так, как задуман. Проблемной является ситуация, когда ограничение возникает в обычных условиях, при разумных нагрузках и постоянно.

Архитектура 800V и SiC: радикальное снижение проблемы нагрева

У борьбы с ограничением мощности есть архитектурное измерение. Архитектура 800V - это высоковольтный дизайн, охватывающий батарею, силовую электронику и систему зарядки; передавая ту же мощность при более высоком напряжении, она снижает ток, уменьшая потери и нагрев. С этим переходом производители получают преимущество сокращения времени зарядки вдвое, уменьшения зарядного тока и перегрева. Меньший нагрев означает более позднее достижение теплового порога и сужение окна ограничения.

Термические трудности начинаются в самой критической точке - на температуре перехода (junction) полупроводников. Способность SiC-полупроводников работать при температуре перехода 200°C позволяет создавать более компактные системы охлаждения; при том же тепловом бюджете можно коммутировать большую мощность. Эта комбинация - напряжение 800V и SiC-коммутация - является инженерной основой способности современных автомобилей длительное время выдавать полную мощность. Тем не менее необходимо отделять маркетинговую таблицу от инженерной: у некоторых автомобилей указанное напряжение может основываться на максимальном напряжении системы, а не на номинальном напряжении батареи; условия полной мощности всегда следует брать из документации самого производителя.

Почему стратегии производителей различаются?

Порог derating не является универсальным значением температуры. Указанный рабочий температурный диапазон системы не гарантирует выдачу полной мощности во всём этом диапазоне; условия полной мощности отдельно определяются в документации производителя. Два автомобиля, даже используя одну химию ячеек, могут с разными порогами BMS, разной охлаждающей способностью и разными программными стратегиями входить в ограничение в совершенно разных точках. Поэтому сравнивать поведение одной модели в жару или в холод с поведением другой модели один к одному вводит в заблуждение; следует опираться на ограничения, специфичные для конкретной модели.

Сама стратегия также является предметом дискуссий. Большинство порогов ограничений, используемых сегодня в коммерческой практике, основаны на фиксированных значениях температуры и, не учитывая условия окружающей среды или характер использования, могут оказаться излишне консервативными. Академическая сторона утверждает, что динамические подходы к управлению, адаптирующиеся к условиям среды и предвосхищающие нагрев, могут вернуть эту долю. С другой стороны, в настойчивости производителей на фиксированных порогах тоже есть логика: запасы безопасности определяются исходя из худшего сценария. И последнее уточнение: химия батареи, которой хвастаются из-за термостойкости, сама по себе не предотвращает термическое снижение мощности; определяющими являются BMS, термическая защита, расположение и способ охлаждения.

Снижение мощности - норма или неисправность?

Ответ на этот вопрос делится на три вопроса. Первый: возникло ли ограничение в ожидаемых условиях? Сниженная рекуперация в холодное утро, временный предел мощности в летнюю жару или полное термическое отключение - это нормальная работа защитной системы; это не означает, что батарея неисправна. Второй: снялось ли ограничение, когда температура вернулась к норме? Временная потеря доступной ёмкости проявляет себя в этом тесте; при нормализации температуры производительность восстанавливается полностью. Третий: частота и контекст ограничений. Если ограничение, которого в данных условиях быть не должно, появляется снова и снова, это признак, требующий исследования.

Признаками, подтверждающими подозрение на неисправность, являются:

• Необъяснимое и устойчивое снижение запаса хода
• Необычно замедлившаяся зарядка
• Растущий вне использования фантомный расход
• Внезапная потеря мощности, которую нельзя объяснить холодом или жарой
• Необычные звуки и запахи

Если наблюдается один или несколько из этих симптомов, автомобиль должен быть оценён сервисом. Отключение защит ни при каких условиях не является вариантом: снятие защит BMS повышает риск необратимой деградации и теплового разгона. Решение проблемы перегрева - это не отмена защиты, а снижение теплового воздействия с помощью затенения, расположения и воздушного потока.

Заключение: Умение читать кривую мощности - это инженерная грамотность

Снижение мощности на приборной панели - чаще всего не плохой финал истории, а доказательство того, что система знает собственные границы. Замедляющаяся на холоде химия, сужающийся в жару термальный запас, ограничение тока перегревшимся инвертором и отступление двигателя по пределу крутящего момента - это разные стороны одного принципа: чувствительный компонент эксплуатируется в пределах собственного окна безопасности. Где именно проведены границы, зависит от производителя; но умение отличить временное ограничение от постоянного и знать, какое поведение ожидаемо в каких условиях, - самый практичный диагностический инструмент владельца электромобиля. Правило простое: в ожидаемых условиях временное ограничение нормально; в неожиданных условиях ограничение, ставшее постоянным, должно вызвать вопросы.

Источники

• Как низкие температуры влияют на запас хода электромобиля
• Как холодная погода влияет на электромобили?
• Почему рекуперативное торможение не работает на холоде?
• Снижение мощности домашних аккумуляторов в жарком климате: объяснение
• Почему жара снижает мощность инверторов и как помогает система хранения энергии
• Перегрев инвертора: температурный диапазон, снижение мощности
• Руководство по терморегулированию электромобилей и сенсорным технологиям
• Система терморегулирования электромобиля
• Руководство по терморегулированию электромобилей
• Влияние экстремальных климатических условий на быстрые зарядные станции для электромобилей
• Прогнозирующее управление температурой колёсных моторов электрических двухколёсных транспортных средств
• Снижение мощности тягового электродвигателя и генератора автомобиля
• Проблемы термопроектирования в зарядных системах электромобилей 800 В
• Что такое архитектура 800 В?
• HEFT D3.1: Модульная силовая архитектура 800 В
• Архитектура 800 В
• Признаки выхода из строя аккумулятора вашего электромобиля