К вопросу о специфике технического обслуживания и ремонта гибридных энергетических силовых установок

Автомобильный транспорт (АТ) – главная составляющая транспортного комплекса Российской Федерации [1, с. 3], в том числе и ее аграрно-промышленном комплекса, а цель эксплуатации АТ – увеличение производительности и сокращение себестоимости перевозок. Поэтому проблему рациональной эксплуатации АТ можно выразить в

виде задачи оптимального управления, где в качестве критерия оптимальности напрашивается отношение производительности к себестоимости перевозок. Чем они больше, тем выше эффективность технической эксплуатации АТ. Для ее повышения требуется увеличить долю топливосберегающих гибридных автомобилей и электромобилей (особенно это важно в условиях неуклонного роста стоимости топлива и мер по ужесточению экологических требований к выбросам в атмосферу вредных продуктов сгорания), повысить: надежность работы всех эксплуатируемых автомобилей, сократить затраты на техническое обслуживание и ремонт, производительность труда ремонтного персонала.

Если для традиционных автомобилей (работающих на ДВС) проблемы их эксплуатации и ремонта более-менее решены, то для гибридо- и электромобилей – остро актуальны. Несмотря на то что надежность последних и их наработка до отказа заметно превосходят соответствующие эксплуатационные характеристики традиционных автомобилей, их техническое обслуживание и ремонт – необходимое условие эксплуатации, а это требует разработки новых технологий и более высокой квалификации обслуживающего техперсонала. На смену механикам и электротехникам должны будут прийти электронщики, системотехники и программисты. Таково требование времени.

Заметим, что в настоящее время переход АТ на электромобили не только не улучшит экологическую ситуацию в глобальном масштабе, но усугубит ее еще больше. Более 80% электрической энергии в мире производится на основе топливных технологий, поэтому перевод всего АТ на электромобили потребует такой нагрузки на тепловые электростанции, что земная атмосфера будет отравлена вредными продуктами сгорания значительно больше, чем от использования традиционных автомобилей для осуществления тех же объемов перевозок.

Гибридные автомобили – необходимый переходный этап АТ от традиционных автомобилей к электромобилям, он будет достаточно длительным, пока человечество не перейдет на бестопливные технологии выработки электрической энергии. Именно поэтому спрос на гибридомобили год от года неуклонно растет. Фавориты по продажам – гибридные автомобили серии Toyota Prius и Lexus RX400h. Через вторичный рынок они постепенно заполняют и автомобильный парк России. Однако в РФ инфраструктура их технического обслуживания развита неудовлетворительно. Для исправления ситуации следует изучить специфику их конструкции и разработать на ее основе эффективные технологии обслуживания и ремонта, алгоритмы диагностирования гибридных энергетических силовых установок (ГЭСУ) и выработать требования к обслуживающему персоналу, квалификация которого должна соответствовать этим требованиям.

Конструктивные особенности силовых установок автомобилей серии Toyota Prius и Lexus RX400h

В качестве ГЭСУ в гибридных автомобилях серии Toyota Prius (начиная с третьего поколения данной серии) и Lexus RX400h, Lexus RX450h (именно эти гибридомоби-ли – фавориты по объему продаж как на первичном, так и на вторичном автомобильном рынке) используется Hybrid Synergy Drive (HSD) компании Toyota (Полный гибрид). Общая монтажная схема HSD представлена на рис. 1.

Как видно, у данной ГЭСУ схема сопряжения ДВС с электродвигателем МГ2 (рис. 1) последовательно-параллельного (смешанного) типа. Важнейшим элементом этого сопряжения является устройство распределения мощности PSD (Power Split Device), которое представляет планетарный механизм. Водило этого механизма жестко связано с валом ДВС, солнечная шестерня – с валом мотор-генератора МГ1, а коронная шестерня – с мотор-генератором МГ2 и через дифференциал – с ведущими колесами. Такая конструкция исключает необходимость использования коробки переключения передач. Мотор-генераторы МГ1 и МГ2 представляют трехфазные синхронные электрические машины переменного тока, они могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. При работе в режиме двигателя эти мотор-генераторы питаются от высоковольтной аккумуляторной батареи (ВВБ) через конвертор, который поднимает напряжение постоянного тока до необходимой величины (500–600 В), а инверторы 1 и 2 (рис. 1) преобразуют этот постоянный ток в трехфазный переменный (близкий к синусоидальному). Инверторы собраны на шести полевых транзисторах, работающих в режиме силовых ключей. Из-за высокого напряжения эти силовые ключи сильно перегреваются и для своей нормальной работы нуждаются в специальной системе охлаждения. При работе в режиме генератора МГ1 и МГ2 преобразуют механическую энергию вращения коленчатого вала ДВС в электрическую энергию синусоидального переменного тока, который посредством инвертора и конвертора преобразуется в постоянный зарядный ток с параметрами, необходимыми для заряда ВВБ.

Рис. 1. Общая монтажная схема ГЭСУ HSD

Рассмотрим основные режимы работы такой ГЭСУ при различных режимах движения автомобиля.

При небольшом ускорении на низких скоростях движение автомобиля обеспечивает электрический двигатель. Бензиновый двигатель выключен. В этом случае ГЭСУ работает, питаясь только электрической энергией от ВВБ (рис. 2).

При обычном вождении ГЭСУ автомобиля главным образом работает на бензиновом двигателе. Также используется этот двигатель для зарядки аккумуляторной батареи (рис. 3).

Часть механической энергии от ДВС поступает на колеса, а другая часть – на мо-тор-генераторы МГ1 и МГ2, которые работают в этот момент в режиме генератора, а выработанная ими электрическая энергия через инвертор-выпрямитель используется для зарядки ВВБ.

Рис. 2 . Потоки энергии в ГЭСУ при низких скоростях

Рис. 3. Потоки энергии в ГЭСУ при обычном вождении

При полном ускорении, например, при въезде на склон, автомобиль работает от обоих двигателей, бензинового и электрического. Усилие для приведения в движение передних колес обеспечивает передача электроэнергии от высоковольтной аккумуляторной батареи в электродвигатель. Если ВВБ разряжена, ее можно зарядить с помощью энергии от работающего ДВС (рис. 4).

Рис. 4. Потоки энергии в ГЭСУ при зарядке ВВБ

Во время замедления, например, при торможении, мотор-генератор МГ2 преобразует кинетическую энергию автомобиля в электрическую, которая используется для зарядки аккумуляторной батареи (рис. 5).

Рис. 5. Потоки энергии в ГЭСУ при рекуперативном торможении

Задние колеса (для моделей с полным приводом, например, для Lexus RX400h) имеют задний мотор-генератор МГ3 (на рис. 1 он не изображен, представленная там упрощенная монтажная схема ГЭСУ соответствует автомобилям с передним приводом), который в режиме двигателя питается электрической энергией от ВВБ через инвертор. Для обеспечения требуемого тягового усилия при трогании автомобиля с места или ускорении электрическая энергия высоковольтной аккумуляторной батареи передается на мотор-генератор МГ3, который начинает работать в режиме электродвигателя для приведения в движение задних колес. Поток электрической энергии от ВВБ преобразуется инвертором в трехфазный переменный ток и питает им задний электродвигатель (рис. 6).

Рис. 6. Питание заднего электропривода при трогании автомобиля с места

Во время разгона автомобиля при полностью открытой дроссельной заслонке для приведения в движение задних колес в задний электродвигатель передается как электрическая энергия высоковольтной аккумуляторной батареи, так и электрическая энергия, генерируемая генератором (рис. 7).

\7zz7A\ Путь передачи электрической энергии

Рис. 7. Питание заднего электропривода во время разгона автомобиля izzzza: Путь передачи электрической энергии

i: Путь передачи механической энергии

3»днми элеггрс- деипйтель

Инвертор

Высоково ^777 льтная

аккумуляторная батарея

Рис. 8. Работа заднего электропривода в режиме рекуперативного торможения

Во время торможения задний электродвигатель переходит в режим рекуперативного торможения, преобразуя часть кинетической энергии автомобиля в электрическую и заряжая ею ВВБ (рис. 8).

Данные статистики об отказах агрегатов силовой установки типа THS

Рассмотренные выше режимы работы ГЭСУ HSD позволяют определить связь между отдельными узлами и агрегатами данной силовой установки. Причины отказов одних агрегатов могут быть вызваны нештатной работой других. Поэтому при разработке технологий технического обслуживания и ремонта ГЭСУ знать эти связи необходимо. Другим важным моментом для этой разработки является накопление и обработка статистических данных об отказах отдельных узлов и агрегатов данной системы методами математической статистики. Но проблема в том, что достоверные результаты эти методы могут дать лишь при наличии достаточно больших объемов статистических данных, для сбора которых требуется время. Эксплуатация же ГЭСУ HSD началась сравнительно недавно. Эти силовые установки появились лишь в 2009 г. при серийном выпуске гибридомобилей Toyota Prius третьего поколения и Lexus RX400h. Однако следует иметь в виду, что в основу разработки силовой установки HSD положена система сопряжения Toyota Hybrid System (THS), которую вполне можно использовать в качестве физической модели для HSD. Ведь HSD имеет ту же самую последовательнопараллельную схему сопряжения, что и THS, и отличается от последней лишь более мощными ДВС (2ZR-FXE объемом 1,8 л) и мотор-генераторами (мощность МГ2 возросла до 60 кВт) [2].

В работе [3] представлены результаты обработки статистической информации по гибридомобилям серии Toyota Prius первого и второго поколений, имеющих одну и ту же схему сопряжения THS. На элементы ГЭСУ THS первого поколения (кузов NHW-11) был установлен гарантийный срок эксплуатации – 7 лет. Их закончили выпускать в 2004 г., т.е. их гарантия истекла в 2011 г. Но эти ГЭСУ до сих пор работают. У Toyota Prius с кузовом NHW-20 гарантийный срок – 8 лет. В выборку из накопленной статистики попали все Toyota Prius первого и второго поколения, гарантийный срок службы которых закончился позже 2010 г. По данной выборке получено распределение отказов и неисправностей агрегатов и систем ГЭСУ THS по интервалам наработки через каждые 25 тыс. км пробега (таблица).

Распределение отказов агрегатов ГЭСУ THS

Наименование агрегата и системы	Отказы по интервалам наработки, тыс. км						Всего%
	25–50	50–75	75–100	100–125	125–150	150–170
Двигатель:	0	6,0	14,5	16,5	16,0	18,0	71,0
система зажигания	0	6,0	13,0	12,0	10,0	10,0	51,0
система управления	0	0	0	1,0	1,5	2,0	4,5
система питания	0	0	1,5	3,5	4,5	6,0	15,5
Делитель мощности PSD:	0,5	0,5	2,0	4,5	5,5	8,0	21,0
система охлаждения	0	0	1,0	2,5	3,0	4,0	10,5
зубчатые механизмы	0	0	0	0,5	0,5	1,5	2,5
смазка трансмиссии	0,5	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	8,0
Электроника:	0	0	0	0,5	2,0	3,0	5,5
силовые ключи инвертора	0	0	0	0,5	1,0	1,5	3,0
обмотка статора МГ2	0	0	0	0	1,0	1,5	2,5
Высоковольтная батарея:	0	0	0	0	0,5	2,0	2,5
недопустимый разряд ВВБ	0	0	0	0	0	0,5	0,5
закипание, отказ элементов	0	0	0	0	0	0,5	0,5
потеря емкости батареи	0	0	0	0	0	0,5	0,5
другое	0	0	0	0	0,5	0,5	1,0
Всего	0,5	6,5	16,5	21,5	24,0	31,0	100

Таким образом, наиболее уязвимое место данной ГЭСУ – ДВС 1NZ-FXE: 71% всех отказов приходится на его системы. Из них 51% – отказы системы зажигания, 15,5% – системы питания, всего 4,5% от всех отказов составляет электронный блок управления двигателем (ЭБУ-Д) со всеми своими датчиками. Особенность этих отказов в том, что они приводят к неработоспособности всего гибридомобиля – на одной электрической тяге далеко не уедешь. Своевременное диагностирование системы зажигания достаточно актуально, но проблема в том, что диагностирование систем ДВС возможно лишь в режиме потребления мощности.

Однако, строго говоря, ресурс ДВС в км измерять не совсем правильно, так как функционирование данной ГЭСУ при условиях соблюдения инструкций по ее эксплуатации обеспечивает работу бензинового двигателя лишь в щадящих режимах (без повышенных оборотов и переходных режимов), поэтому его износ зависит не столько от пробега, сколько от правильной манеры вождения (без перегазовок), правильности эксплуатации, квалификации водителя, нормальной работы всех остальных элементов ГЭСУ, обеспечивающих оптимальное управление работой ДВС. В частности, пробег в 400 тыс. км без капитального ремонта ДВС для «Приусов» первого и второго поколения – далеко не единичные случаи.

Делитель мощности PSD по числу отказов – на втором месте после ДВС (21% от всех отказов ГЭСУ). Причем система смазки трансмиссии начинает давать отказы одной из первых, начиная с 25–50 км пробега. Эти отказы не влекут неработоспособность ГЭСУ, а вызывают лишь помехи в работе делителя мощности, что приводит к неверному перераспределению мощности от ДВС на ведущие колеса и зарядку ВВБ. При неверном режиме зарядки ВВБ неизбежны потери ее разрядной емкости, недопустимая степень разряда, выход из строя аккумуляторных блоков. Неисправности в системе смазки трансмиссии создают помехи и в работе ЭБУ-Д, который, в свою очередь, не сможет обеспечить оптимальное управление бензиновым двигателем, а значит, вероятность отказов в его системах может заметно возрасти. То же воздействие создают и отказы зубчатых механизмов трансмиссии, только их влияние на увеличение вероятности отказов в системах ДВС начнет проявляться, начиная со 100–125 км пробега. Отказы в системе охлаждения трансмиссии приводят к неработоспособности всей силовой уста- новки. Дальнейшая эксплуатация ГЭСУ, следовательно, и автомобиля, возможна лишь при их полном устранении.

Полному устранению подлежат и отказы электроники ГЭСУ, которые начинают проявляться после 100–125 км пробега, после 150–175 км в сумме составляют 5,5% от всех отказов ГЭСУ. Без их устранения система THS неработоспособна. Отказы вызваны в основном перегревом силовых транзисторных ключей инвертора и обмоток статора МГ2. Создание эффективной и надежной системы охлаждения инвертора и обмоток статора мотор-генераторов – еще одна серьезная проблема, требующая решения в данной ГЭСУ.

У ВВБ наименьший процент отказов – 2,5% (таблица). Выход из строя аккумуляторных блоков, как уже было отмечено выше, может быть вызван неисправностью PSD. Несоблюдение инструкций по эксплуатации ВВБ также может привести к ее отказу. Соблюдение инструкций завода-изготовителя по поддержанию ВВБ в исправном состоянии гарантирует исправную работу ВВБ в течение всего срока службы автомобиля. При этом завод-изготовитель берет на себя утилизацию выработавших свой ресурс ВВБ [4].

Анализ статистических данных по отказам систем и агрегатов ГЭСУ THS можно распространить и на ее более позднюю версию – HSD. По качеству эти силовые установки тождественны. Поэтому при разработке новых технологий по эксплуатации и ремонту ГЭСУ данного типа и создании сервисной инфраструктуры для гибридных автомобилей полученные результаты вполне пригодны.

Во многих регионах Сибири в настоящее время обслуживание и ремонт гибридо-мобилей осуществляется собственными усилиями активных автовладельцев. В Омске, Томске, Барнауле, Кемерово, Иркутске, Улан-Уде, Сургуте, Владивостоке при ремонте гибридов возможна техническая поддержка неспециализированных автотехцентров. В Сибирском государственном автомобильно-дорожном университете (СибАДИ) на кафедре «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование» и на кафедре технического сервиса, механики и электротехники Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпины (Омский ГАУ) проведены исследования проблемы технического обслуживания гибридных автомобилей в Омске. По дорогам города разъезжают гибриды Toyota Prius, Lexus RX400H и т.д., а должное техническое обслуживание им не обеспечено [5]. Это главный вывод исследований.

Заключение

Из результатов анализа следует, эксплуатация гибридных автомобилей с целью оптимизации работы автомобильного транспорта имеет достаточно протяженную по времени перспективу. Автомобили с гибридными силовыми установками пользуются большим спросом и объемы их продаж растут достаточно стремительно. Только автомобилей серии Toyota Prius (по данным фирмы Toyota) уже продано более 10 млн. Через вторичные автомобильные рынки гибридные автомобили в возрастающих объемах поступают в Россию и эксплуатируются достаточно успешно, даже в условиях сибирской зимы.

Автомобильный парк Сибири и Дальнего Востока в значительной степени представлен гибридными автомобилями, однако надлежащая инфраструктура технического сервиса по их обслуживанию и ремонту еще не создана. Пока это обслуживание ведется «любителями-приусоведами», однако данный технический сервис уже давно пора поставить на профессиональные рельсы.

Из рассмотренных выше конструктивных особенностей ГЭСУ THS и ее синергетической модификации HSD следует, что, несмотря на всю сложность этой конструк- ции, уязвимых мест в ней не так много. Это прежде всего система зажигания ДВС, на долю ее отказов приходится 51% от общего числа отказов ГЭСУ, подсистемы охлаждения и смазки трансмиссии устройства распределения мощности PSD с долей отказов 10 и 8% соответственно, силовые транзисторные ключи инвертора (3% отказов) и обмотка статора МГ2 (2,5% отказов).

Самые дорогие из агрегатов ГЭСУ – инвертор и ВВБ, на надежность и работоспособность влияют неполадки в их системах охлаждения. Поэтому во время эксплуатации и технического обслуживания ГЭСУ им следует уделять особое внимание, не эксплуатировать ГЭСУ при неисправной работе систем охлаждения [6].

Только при создании профессиональных сервисных центров по обслуживанию и ремонту гибридных автомобилей можно будет разработать более совершенные методы и средства технической диагностики и повышения квалификации обслуживающего персонала. Эксплуатация гибридных автомобилей нуждается в специалистах автосервиса, которые должны разбираться не только в электротехнике, но и в схемотехнике, электронике, информатике и вычислительной технике; уметь обращаться с контроллерами, составлять для них программы и прошивать ими микропроцессорные системы автомобилей при решении основных задач автомобильного транспорта: повышения его производительности, снижения себестоимости перевозок, повышения эксплуатационной и экологической безопасности.

V.D. Chervenchuk, A.I. Zabudsky

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

To the question of the specificity of technical maintenance and repair of hybrid energy drive