Rick Demeis
EDN
Иногда инженеры получают задания, которые не только обогащают их опыт, но и просто позволяют развлечься. Именно так произошло, когда Джон Скотт-Томас (John Scott- Thomas), менеджер по маркетингу фирмы UBM TechInsights, и Аль Штейер (Al Steier), старший научный сотрудник и «пророк проектов» компании Munro & Associates, недавно разобрали гибридный автомобиль Chevy Volt, чтобы узнать, что же в нем тикает, гудит и шумит, и как проектировщики этой модели уместили все технологии в одном автомобиле. За три дня творческого разбора Chevy Volt они узнали многое об этом автомобиле.
Аккумулятор
Содержащий 288 ячеек литий-ионный аккумулятор Chevy Volt состоит из четырех модулей, расположенных в форме буквы Т, которые находятся под задним сидением и в «туннеле» между передними сидениями. Модули соединены между собой системой шин, а к контактам аккумулятора подсоединена шина сервисного отключения (Рисунок 1). Аккумулятор физически разделен на тонкие блоки, заключенные в пластиковую оболочку, в каждом из которых находится пара ячеек. Внутри пар установлены плоские радиаторы, через которые протекает охлаждающая жидкость. Каждые три ячейки соединены параллельно, образуя 96 групп, которые, в свою очередь, соединяются последовательно. В результате 288 ячеек вырабатывают 360 В при общей емкости аккумулятора 16 кВт·ч. Аккумулятор никогда не разряжается и не заряжается полностью, что позволяет продлить срок его службы. Реальная используемая энергия поддерживается на среднем уровне 9.4 кВт·ч.
 |
|
| Рисунок 1. | Литий-ионный аккумулятор весом 170 кг является сердцем Chevy Volt. Системы и программное обеспечение автомобиля нацелены на поддержание его жизнеспособности в течение максимально возможного времени. |
Этот аккумулятор на основе литий-марганцевой шпинели производит компания LG Chem, но GM получила от US Argonne National Lab лицензию на кобальтовые батареи, а это может означать, что уже не за горами использование никель-марганец-кобальтовых аккумуляторов. Контур жидкостного охлаждения батареи является одним из четырех подобных контуров, снабженных собственным контроллером и радиаторным модулем. Остальные три контура предназначены для обслуживания двигателя внутреннего сгорания, двух инверторов мотор-генератора и встроенного силового преобразователя зарядного устройства.
Когда аккумулятор работает при температуре ниже оптимальной, жидкость нагревает его до необходимой температуры, а затем охлаждает во избежание перегрева. Даже когда машина не заведена, управляющая электроника активирует цепь охлаждения с целью предотвращения перегрева аккумулятора в жаркую погоду или переохлаждение в холодную. Таким образом, подключение незаведенного автомобиля к внешнего зарядному устройству позволяет предотвратить истощение батареи в неблагоприятных условиях.
Контур охлаждения аккумулятора присоединяется с помощью хомутов, что явно указывает на далеко не массовый характер производства Chevy Volt. При массовом выпуске использовались бы паяные соединения. На всех болтах, соединяющих части аккумулятора, краской нанесены по три отметки служб технического контроля, показывающих, что сборка была тщательно проверена, чтобы гарантировать качество и работоспособность стоящего $8000 компонента, являющегося сердцем Chevy Volt.
Средства управления и мониторинга
Аккумуляторная батарея Chevy Volt, как выяснилось в результате демонтажа, имеет одинаково сложные системы управления и мониторинга, что типично и для всей машины в целом. Скотт-Томас отмечает, что 40% стоимости автомобиля приходится на электронные компоненты, среди которых насчитывается около 100 бортовых микроконтроллеров. Вся эта электронная начинка управляется примерно 10 миллионами строк программного кода. Это больше, чем требуется, например, для управления самолетом Boeing 787 Dreamliner, где весь код умещается в 8 миллионах строк.
Если говорить непосредственно об аккумуляторе, Скотт-Томас отмечает, что почти все в его многочисленных схемах управления подчинено цели продления срока эксплуатации. Для этого производитель предусмотрел стабилизацию температуры батареи в пределах 2 °F и выравнивание зарядов между ячейками. Управляющее программное обеспечение также учитывает такие факторы, как производственный разброс характеристик ячеек и их старение.
Например, контроллеры измеряют напряжение на каждой ячейке в процессе их зарядки. Для того чтобы обеспечить равенство максимальных зарядов на всех ячейках в случае, если одна из них заряжается раньше других, к ней подключается резистивный шунт, предотвращающий излишнее накопление заряда до тех пор, пока не будут заряжены другие ячейки. «Трудно оценить уровень системы управления и программного обеспечения», – говорит Скотт-Томас. Контроллеры автомобиля делают 500 диагностических измерений напряжения аккумулятора и температуры с частотой 10 раз в секунду, даже тогда, когда машина выключена.
 |
|
| Рисунок 2. | На плате интерфейсного модуля и системы мониторинга состояния аккумулятора расположены датчики, измеряющие температуру и напряжение каждой ячейки. Эти данные направляются в кластеры, в которых информация из десяти ячеек оцифровывается и передается в микроконтроллер. Общая шина подключена к основному контроллеру модуля инвертора через оптоизоляторы. |
Модуль интерфейса и мониторинга состояния аккумулятора закреплен на передней части батареи. В нем имеются четыре печатные платы оранжевого цвета, предназначенные для измерения высоких напряжений, по одной на каждую секцию батареи (Рисунок 2). На этих платах установлены микросхемы таких производителей, как Freescale, LG Chem и STMicroelectronics. Чипы компаний LG Chem и STMicro выполнены по технологии CMOS DMOS. Платы для измерения напряжения среднего уровня окрашены в синий цвет, а низкого – в зеленый. Вся продукция тщательно проверяется на протяжении всего производственного цикла; на каждый разъем, соединяющий ячейки, нанесено по несколько отметок служб технического контроля.
Создание хорошей аккумуляторной электроники является сложной задачей. Система должна измерять напряжение на каждой ячейке с точностью до нескольких милливольт, в то время как напряжение на этих ячейках относительно земли может достигать сотен вольт. Эта задача требует повышенного внимания к разводке печатных плат, конфигурации земляных слоев и изоляции. Скотт-Томас отмечает, что разработка автомобиля не завершена, но гибкая и модульная конструкция позволяет легко встраивать новые ячейки, аккумуляторные батареи, электронику и системы управления.
Скотт-Томас и Штейер обнаружили в автомобиле один связанный с аккумуляторной системой модуль, о существовании которого они даже не подозревали. В дополнение к расположенному под приборной панелью стандартному порту системы бортовой диагностики, под передним пассажирским сиденьем они нашли изолированный герметичный модуль. В него записывается диагностическая информация, собираемая при работе системы с аккумулятором и в ходе выполнения «гибридных» операций. Модуль снабжен разъемом, позволяющим специалисту с помощью специального кабеля получить доступ к этой информации.
Система зарядки
Помимо использования рекуперативного торможения аккумулятор запасается энергией за счет зарядки от сети 110 В с помощью прилагаемого зарядного устройства или же, для ускоренной подзарядки, с помощью опционально поставляемой зарядной станции 220 В, устанавливаемой квалифицированным электриком. Компания Lear Corp выпускает работающие от сети 110 В бытовые зарядные устройства, силовая электроника и программное обеспечение которых настолько совершенны, что зарядка не начнется, если пользователь вставит вилку в розетку с плохо выполненным заземлением. Реле зарядного устройства и плата мониторинга связаны с аккумулятором и бортовой системой контроля. Как отмечалось ранее, предназначенная для зарядки аккумулятора бортовая система преобразования сетевого напряжения в постоянное имеет собственный контур охлаждения.
Зарядное устройство подключается к стандартизированному разъему, расположенному на левом переднем крыле автомобиля. По словам Скотта-Томаса, демонтаж этого интерфейсного модуля показал, что в GM уделяют большое внимание проработке деталей. Высоковольтные компоненты – конденсаторы и синфазный дроссель для надежности и защиты от среды с повышенной вибрацией производитель изолировал лентой и пеной, а обмотки сделал прочными, надежными и механически резервированными.
Штейер обнаружил одну интересную особенность расположения зарядного устройства. Хотя его разъем находится на левом крыле, инвертор зарядного устройства, который питается от этого разъема, располагается под правой фарой. Более того, контроллер бензинового двигателя расположен в левой части автомобиля, а сам двигатель – в правой. Если бы производитель пересмотрел такое расположение элементов, вес машины можно было бы уменьшить за счет сокращения длины проводов.
«Мозги» Chevy Volt
К выглядящему как коробка передач обычного автомобиля кожуху, которым закрыты электромотор и генератор, прикреплен охлаждаемый жидкостью модуль инвертора, питающий энергией аккумулятора тяговый двигатель. В целях безопасности подводимые к этому модулю высоковольтные кабели оранжевого цвета могут расцепляться посредством реле. Штейер замечает, что сама крышка модуля также представляет собой разъединитель. По словам Скотта-Томаса, продвигаясь внутрь все глубже, они приближаются к «мозгу» автомобиля (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Модуль инвертора системы «двигатель-генератор» содержит «мозг» силовой части автомобиля, основными компонентами которого являются один микроконтроллер-супервизор и три микроконтроллера, определяющих рабочее состояние двигателя и системы рекуперации. |
На печатной плате компании Hitachi установлены четыре 32-разрядных микроконтроллера Freescale Qorivva. Скотт-Томас отметил, что на плате достаточно много свободного места, что позволяет в будущем модифицировать ее, изменяя или добавляя новые части схемы. На один из четырех контроллеров возложены функции супервизора, в который поступает информация о скорости автомобиля, числе оборотов колес, ускорении, торможении и состоянии аккумулятора, на основании которой принимается решение о том, какой режим будет наиболее эффективным на текущий момент (Рисунок 4). Принимаемыми решениями могут быть, например, выбор используемой комбинации выходных сигналов от тягового двигателя и системы двигатель внутреннего сгорания – генератор, момент активации рекуперативного торможения, определение предела восстановления энергии. Из четырех микроконтроллеров супервизор является самым мощным, он имеет 3 Мб флеш-памяти, занимающей половину площади кристалла. Для большей эффективности контроллер также пытается снижать скорости вращения электромоторов. Остальные три микроконтроллера управляют тяговым двигателем, генератором, связанным с двигателем внутреннего сгорания и планетарной коробкой передач.
 |
|
| Рисунок 4. | Контроллер-супервизор инвертора является центром гибридной архитектуры Chevy Volt. Он определяет текущее состояние силового агрегата автомобиля. |
Прочая электроника
Остальная электроника Chevy Volt, не имеющая отношения к гибридной установке автомобиля, представлена типичными для современных автомобилей устройствами (Рисунок 5). DC/DC преобразователь с воздушным охлаждением с печатной платой компании TDK и микроконтроллером фирмы Renesas вырабатывает 12 В для питания стандартных систем автомобиля, управляющих дверями, светом, навигацией и звуком, а также для зарядки вспомогательного аккумулятора 12 В.
 |
|
| Рисунок 5. | Примерно три четверти из 18 электронных модулей предназначены для управления функциями гибридной силовой установки. |
В процессе разбора центральной панели была обнаружена плата коммуникационного модуля компании LG, содержащая контроллер памяти Freescale и флеш-память фирмы Spansion. Скотт-Томас отметил, что печатные платы информационно-развлекательной системы находятся на приличном расстоянии друг от друга. Там достаточно свободного места, но не так много необходимой вычислительной мощности, поэтому некоторые микросхемы выполняют несколько функций. Кроме того, достаточное расстояние между резистивно-сенсорными переключателями передней панели поможет водителю не ошибаться при выборе требуемой функции.
Будет интересно наблюдать, как и насколько быстро эта расширяемая гибридная платформа станет развиваться в течение ближайших лет с учетом потребностей и пожеланий владельцев автомобиля.
Анатомия демонтажа автомобиля
Перед тем, как начать демонтаж по заказу Munro & associates, Аль Штейер, старший научный сотрудник компании, прочел всю документацию на этот автомобиль, какую только смог найти. При разборе гибридных и электромобилей первым делом необходимо обезопасить людей, найдя блок, отключающий линии высокого напряжения. Он документировал каждый шаг, делая фотографии компонентов во всех возможных ракурсах до и после их удаления, пытаясь представить себе все этапы производственного процесса и определить типы использованных материалов. Штейер идентифицировал установленные на печатных платах компоненты и их производителей. При отсутствии опубликованных данных об использованных стандартных и специализированных ИС, он выпаивал микросхемы, чтобы определить объем их памяти.
Chevy Volt, как и любой другой автомобиль, поставили на демонтаж прямо от дилера – с полным бензобаком. Скотт-Томас и Штейер оставили системы включенными, чтобы разрядить литий-ионный аккумулятор до того, как начать разборку автомобиля. Но программа управления приняла решение о включении обычного двигателя, чтобы предотвратить полный разряд аккумулятора. Тогда инженеры решили опустошить бензобак, а также оставить включенными свет, радио и все остальное, что, в конечном итоге, разрядило бы 12-вольтовый аккумулятор. Высоковольтная система перезаряжала аккумулятор всю ночь – программное обеспечение системы не давало ему полностью разрядиться, – и только после того, как бензина осталось на 35 миль, аккумулятор разрядился через мощный резистор.
Ранее Штейеру доводилось разбирать гибрид Toyota Prius, и теперь он обнаружил некоторые различия между Prius и Volt. Например, как гибридный авто с зарядкой от электросети, Chevy Volt имеет дополнительный модуль инвертора зарядного устройства. Кроме того, в Volt установлена литий-ионная аккумуляторная батарея, тогда как в Prius – никель-металл-гидридная. Для управления температурным режимом гибридной силовой установки в Volt применяется жидкостное охлаждение, а в Prius – воздушное. Помимо этого, если в Chevy Volt использованы элементы довольно широкого круга производителей электроники, то в Prius были обнаружены, в основном, компоненты компании Toyota.
