Электромобиль достаточно надёжный в связи с отсутствием большинства движущихся частей и механизмов в его конструкции. Однако у электромобилей, как и автомобилей с ДВС по мере эксплуатации возникают различные неисправности.
В электромобилях возможны неисправности электрических и электронных узлов:
— АКБ (низкий заряд или потеря емкости бортовой 12 В батареи; неисправность платы защиты АКБ от перезаряда/переразряда; прогар силовых контактов тяговой батареи);
— электродвигатель (нарушение изоляции обмоток; короткое замыкание или обрыв обмоток; неисправность ЭБУ);
— инвертор (неисправность цепи управления; неисправность
повышающего преобразователя; нарушение целостности и подгорание элементов платы управления);
— исполнительные механизмы (неисправность электромеханического усилителя тормозов; неисправность электромеханического усилителя рулевого управления; неисправность электромеханического насоса охлаждающей жидкости; неисправность вентиляторов системы охлаждения; неисправности механизмов и устройств системы комфорта).
Неисправности механических узлов:
— ходовая часть (ослабление соединений, потеря работоспособности амортизаторов подвески, износ подшипников; износ подвижных соединений; нарушение углов установки колес);
— рулевое управление (неисправность усилителя рулевого управления; износ механизмов рулевого управления);
— тормозная система (износ тормозных колодок и дисков; неисправность усилителя тормозов; нарушение герметичности соединений и магистралей тормозной системы);
— система охлаждения (нарушение герметичности магистралей системы охлаждения; нарушение герметичности радиатора; неисправность насоса охлаждающей жидкости);
— трансмиссия (износ и поломка редуктора).
Неисправности программного обеспечения электронных систем управления:
— общий программный сбой;
— нарушение работоспособности программного обеспечения отдельных электронных блоков.
Ниже рассмотрены отдельные неисправности основных составляющих электромобиля.
Неисправности тяговой АКБ. Потеря емкости тяговой высоковольтной батареи . Основными причинами являются: деградация в результате старения батареи; недозарядка; нарушение правил эксплуатации.
Основная неисправность, обусловленная старением батареи, является деградация , представляющая собой потерю емкости и запаса хода. По данным исследований Tesla ее аккумуляторные батареи теряют только около 10% своей энергоемкости после пробега 200 000 миль (~ 322 000 км) (рис. 13.1). Это 1% на 20 000 миль (32 200 км).
Как видно из приведенного рис. уменьшение емкости батареи прогрессирует, а затем стабилизируется с более медленной скоростью.
Чтобы снизить деградацию и продлить строк службы батареи, многие производители добавляют буфер, который блокирует доступ к крайним областям аккумулятора (рис. 13.2).
A, B, C, D – области зарядки
Помимо использования защитных буферов в верхней и нижней части диапазона аккумуляторов, многие производители также ограничивают ежедневную зарядку показателем ниже 100%. Некоторые автомобилестроители идут другим путем и делают этот функционал настраиваемым и открытым. Таким образом сам пользователь выбирает момент окончания заправки, например, 75% вместо 100%. Получившаяся произвольная область (на графике выше она обозначена буквой В) дополняет обязательный буфер (обозначенный как А), предохраняющий батарею от эксплуатации в зоне наивысшей деградации. Следует отметить, что, несмотря на то что большие буферы уменьшают запас доступной энергии, они продлевают жизнь батарее.
Неисправность платы защиты АКБ от перезаряда/переразряда. Основными причинами являются: неправильная эксплуатация.
Прогар силовых контактов тяговой батареи. Основными причинами являются: деградация; импульсивный метод движения электромобиля.
Падение выходного напряжения. Основными причинами являются: наличие одного или нескольких дефектных элементов батареи; разбалансировка отдельных элементов батареи; окисление контактов перемычек, соединяющих элементы батареи.
Выход из строя элементов батареи, вследствие их перегрева. Основными причинами являются: нарушение работы системы охлаждения; неисправность отдельных плат, контролирующих работу системы охлаждения.
Разбалансировка отдельных элементов батареи. Основными причинами являются: неправильная эксплуатация и редкая зарядка батареи, длительное бездействие батареи, вследствие длительного простоя электромобиля, неравномерное охлаждение элементов батареи.
Почему лишь один неисправный элемент так сильно влияет на аккумулятор? Происходит следующее: в нормальном состоянии элемент под нагрузкой должен иметь напряжение от 2,06 до 1,80 Вольт, что соответствует 100% и 20% уровня заряда аккумулятора. Неисправный же – не имеет в себе электрохимической ёмкости и не может отдавать положительное напряжение в батарею. Когда через такой элемент протекает ток, под действием общего напряжения аккумулятора в нем происходит переполюсовка активной массы, т. е. он просто-напросто заряжается от остальных элементов, пока те отдают ток в электротехнику. И этот процесс идет при напряжении выше 2 В. А значит, вместо отдачи 2,06 В, элемент потребляет 2 В, в итоге — вместо вклада в общую цепь 2,06 В, элемент забирает из нее около 4,06 В.
Неисправности тягового электродвигателя. Неисправности электродвигателей возникают в результате износа деталей и старения материалов, а также при нарушении правил технической эксплуатации. Причины возникновения неисправностей и повреждений электродвигателей различны. Нередко одни и те же неисправности вызываются действиями различных причин, а иногда — и совместным их действием. Повреждения электродвигателей по месту их возникновения и характеру происхождения делят на электрические и механические . К электрическим относят повреждения изоляции или токопроводящих частей обмоток, коллекторов, и листов сердечников. Механическими повреждениями считают ослабление крепежных соединительных резьб, посадок, нарушения формы и поверхности деталей, перекосы и поломки. Повреждения обычно имеют очевидные признаки или легко устанавливаются измерениями.
Наиболее частые неисправности асинхронных электродвигателей:
1. Перегрузка или перегрев статора электродвигателя — 31%
2. Межвитковое замыкание — 15%
3. Повреждения подшипников — 12%
4. Повреждение обмоток статора или изоляции — 11%
5. Неравномерный воздушный зазор между статором и ротором — 9%
6. Работа электродвигателя на двух фазах — 8%
7. Обрыв или ослабление крепления стержней в «беличьей клетке» — 5%
8. Ослабление крепления обмоток статора — 4%
9. Дисбаланс ротора электродвигателя — 3%
10. Несоосность валов — 2%
Повышенные шумы. Повышенный уровень шума в электродвигателе может быть вызван электромагнитными или механическими причинами.
Повышенный уровень шума при работе электродвигателя. Основными причинами являются: замыкание катушек обмотки статора; замыкание фазы.
Ротор электродвигателя не вращается, но гудит, все фазы запитаны. Основными причинами являются: заклинён ротор или редуктор. Необходимо проверить напряжение и попытаться провернуть вал вручную — заклинённый двигатель не вращается, а при неисправном редукторе есть небольшой люфт. При разрушенном подшипнике без напряжения вал вращается нормально, а при включении ротор притягивается к статору.
Подшипники ротора исправны, но при работе электродвигателя слышан шум. Возможная причина – ослабление прессовки активной стали сердечника, что приводит в возрастании вибрации корпуса статора. Вибрация листов стали сердечника приводит к развитию контактной коррозии металла. Контактная коррозия разрушает изоляцию листов стали, что приводит к замыканию и дополнительному нагреву сердечника.
Перегрев. Перегрев электродвигателя. Основными причинами являются: перегрузка электродвигателя во время работы или запуска; плохой отвод тепла; изменение напряжения сети, при этом в случае повышения напряжения выше нормы происходит, нагрев стали сердечника ротора; при снижении напряжения сети ниже номинального, повысится ток в обмотке статора и вызовет его нагрев.
Греется и «стучит» подшипник. Основными причинами являются: выход из строя подшипника или отсутствие его смазки; неточная центровка валов в электродвигателе; разрушение дорожек или тел качения
Равномерный перегрев всего электродвигателя. Основная причина – неисправен вентилятор (система вентиляции), или отсутствие циркуляции охлаждающей жидкости
Перегрев обмотки ротора и его вибрации . Основными причинами являются: обрыв или плохой контакт стержней беличьей клетки с короткозамкнутыми кольцами. У асинхронных электродвигателей c короткозамкнутым ротором стержни беличьих клеток, будучи защемленными на выходе из паза при наличии короткозамыкающего кольца на некотором расстоянии от сердечника, подвергаются большим механическим усилиям. B связи с этим возможны разрывы медных или латунных стержней около сердечника или короткозамыкающих колец. Усилия эти будут большими при пуске двигателя и от центробежных сил, особенно при плохо отбалансированном роторе. B практике также нередко встречаются случаи возникновения вибраций роторов c короткозамкнутой беличьей клеткой, которая изготовлена из меди или латуни. Причиной вибрации является «разъедание» стенок пазов стержнями, a при пуске двигателя прослабленные в пазах стержни перемещаются от центробежных усилий вверх, в связи c чем и возникают вибрации. У большинства литых алюминиевых клеток возникают обрывы стержней в пазах. Обрывы в беличьих клетках вызывают пульсацию тока в статоре, частота которого соответствует частоте скольжения. Частота пульсации тока и вращающего момента c изменением нагрузки также изменяется. Частота вращения ротора колеблется даже при изменении малых нагрузок.
Перегрев обмотки статора . Основными причинами являются: перегрузка электродвигателя во время работы либо запуска; неисправность системы вентиляции электродвигателя (поломка вентилятора в электродвигателе приводит к плохой циркуляции воздуха, а следовательно плохому выводу тепла из двигателя, что приводит к его нагреву) или отсутствие циркуляции охлаждающей жидкости при жидкостном охлаждении; изменение напряжения сети (при повышении напряжения выше нормы происходит повышенный нагрев стали сердечника статора; при снижении сетевого напряжения ниже номинального, повысится ток в обмотке статора и вызовет ее перегрев).
При работе электродвигателя на холостом ходу наблюдаются местные перегревы активной стали статора. Основными причинами являются: замкнуты между собой листы сердечника статора из-за порчи межлистовой изоляции или выгорания зубцов при повреждениях обмотки.
Вибрации. Повышенная вибрация при работе. Основными причинами являются: нарушение балансировки ротора шкивами или муфтами; неточная центровка вала электродвигателя.
Электрические повреждения. Ротор (якорь) не вращается, двигатель не гудит. Основная причина – отсутствует напряжение в сети или обрыв питающего провода. При срабатывании защиты причиной является короткое замыкание в проводах или в двигателе.
Ротор (якорь) не вращается, двигатель гудит. Основная причина – нет одной фазы. В результате пропадания одной фазы может возникнуть дефект, показанный на рис. 13.3.
Снижение мощности электродвигателя. Основными причинами являются: плохой контакт или окисление соединений проводов питания электродвигателя; замыкание фазы; межвитковое замыкание; пониженное напряжение питающей сети.
Электродвигатель не работает. Основными причинами являются: срабатывание системы безопасности при утечках тока, например, при перегреве проводов; отсутствие контакта в цепи питания из-за окисления соединений проводов; короткое замыкание в обмотке статора; пробой изоляции обмоток статора; межвитковое замыкание.
В результате межвиткового замыкания может возникнуть дефект, показанный на рис. 13.4.
Электродвигатель при включении в сеть не развивает номинальной частоты вращения, издает ненормальный шум. при проворачивании вала от руки работает неравномерно. Основными причинами являются: обрыв фазы при соединении обмоток статора звездой или двух фаз при соединении треугольником.
Ротор двигателя не вращается, сильно гудит, быстро нагревается до выше допустимых температур. Основная причина – обрыв фазы обмотки статора.
Двигатель сильно гудит (особенно при пуске), ротор вращается медленно и работает устойчиво. Основная причина – обрыв в фазе ротора.
Двигатель устойчиво работает при номинальной нагрузке на валу, с частотой вращения, меньше номинальной, ток в одной фазе статора увеличен. Основная причина — обрыв в одной фазе статора при соединении обмоток треугольником.
Проводка. Окисление разъемов, контактов высоковольтных проводов и перетирание изоляция. Основная причина – длительный срок эксплуатации.
Неисправности инвертера. Периодическое отключение инвертера. Основными причинами являются: срабатывание системы защиты инвертера от перегрева при низком уровне охлаждающей жидкости; загрязнение радиатора системы охлаждения; неисправен насос системы охлаждения.
Выход из строя инвертера. Основными причинами являются: перегрев из-за неисправной системы защиты инвертера при низком уровне охлаждающей жидкости, засорении радиатора, неисправном насосе системы охлаждения.
Контакты и контакторы. Подгорание и прогорание. Основные причины: агрессивные режимы движения, при которых ток на контактах батареи достигает 1650 А; длительный срок эксплуатации.
У любого силового контактора есть свой срок эксплуатации. Исчисляется он в количестве циклов включений. В среднем, это 25 000 раз. Чтобы контактор полностью отходил указанный срок службы, момент включения и отключения зажигания не должен происходить под нагрузкой. Например, автомобиль движется, из батареи к инвертору течет ток. Если в этот момент на высоковольтный контактор не подается 12-вольтовое питание, он разрывает соединение. Как результат, силовая подвижная пластина контактора, под действием возвратной пружины, пытается оторваться от места контакта с пятаками – место контакта «подгорает», что ощутимо снижает срок его работы.
Неисправность высоковольтного контактора может происходить по нескольким причинам.
1. Слабый 12В аккумулятор. У изношенного АКБ нет возможности подавать достаточное напряжение на втягивающую обмотку, чтобы контактор замкнулся без появления плазменной дуги. Длительное использование слабого аккумулятора провоцирует перегорание силового контактора.
2. Стиль управления электромобилем или гибридом. Например, резкий старт с места. Тогда происходит кратковременный большой отбор электричества, который может быть на пределе пропускной способности контактора.
3. Другие внутренние неисправности. Например, если в батарее электромобиля или гибрида разбалансированы (с низкой емкостью) некоторые ячейки. Эту ситуацию оценивает плата BMS, которая принимает экстренное решение убрать 12-вольтовое питание с высоковольтного реле. Тогда контактор принудительно разрывает соединение батареи во избежание повреждения всего источника питания. Автопроизводитель в такой ситуации правильно расставил приоритеты и позаботился о сохранении более дорогостоящего устройства, чем контактор.
Неисправности программного обеспечения . Неисправность программного обеспечения в целом ряде систем, таких как автомобильная тормозная система, рулевое управление, двигатель, контроль стабильности движения может привести к серьезной аварии, травме и даже гибели людей.
Проблемы в электромобилях могут быть аппаратным и программными. Зависимости надежности программного и аппаратного обеспечения представлены на рис. 13.5.
Аппаратное обеспечение проходит через начальную фазу приработки, затем довольно стабильно в процессе эксплуатации, и, наконец, происходит физический износ механического оборудования и электрических компонентов и число отказов возрастает. При этом на замену и ремонт оборудования может потребоваться большое время. В отличие от оборудования, программное обеспечение изначально проходит значительную коррекцию отказов при его тестировании и отладке. После каждого обновления происходит переход на начальный этап. Затем программное обеспечение созревает и фактор надежности стабилизируется, но программное обеспечение также имеет тенденцию устаревать. На сегодняшний день нет окончательной количественной меры надежности программного обеспечения.
Электрические транспортные средства являются сложной системой, в которой различные контроллеры связаны с алгоритмами, принимающими множество решений. Контроллеры, участвующие в успешном функционировании системы электромобиля, также включают и другие контроллеры в системе, все это может быть объединено в интерфейс электромобиля. Такие примеры включают в себя контроллер бортовой электроники, контроллер двигателя, контроллер трансмиссии, силовая электроника: питание контроллеров, контроллер управления аккумулятором, управления питанием контроллера и т.д. Все это сопряжено со значительным количеством программного обеспечения.
Хотя тестирование может быть сделано для некоторых отдельных ситуаций, на самом деле нет никакой гарантии, что не существует ситуации, которая может показать неэффективность программного обеспечения.
Некоторыми из причин сбоя в программном обеспечении являются:
— конструктивный недостаток из-за неспособности разработчиков учесть все возможные сценарии.
— неправильная настройка, которая может привести к невыполнению со стороны программного обеспечения из-за отсутствия достаточно количества информации, чтобы выполнить задачу.
— недостаточная точность в определенных измерениях, которые могут накапливать ошибки с течением времени и производить неправильные решения.
— недостаточно тщательное тестирование программного обеспечения для всех возможных ситуаций.
Подробности алгоритма производитель скрывает и в процессе эксплуатации сложно определить неадекватность поведения в той или иной системе.
Единственным правильным способом получить точную информацию о надежности программного обеспечения является только сбор данных на протяжении многих лет службы. Простое тестирование в лабораторных условиях не может гарантировать этого атрибута. Использование дистанционного диагностирования и мониторинга электромобилей позволяет значительно упростить процесс сбора статистических данных.
Неисправности блоков управления. Надежность ЭБУ электродвигателя является важным вопросом в связи с тем, что электромобили используют значительное количество силовой электроники, которая производит управление при высокой мощности и высокой частоте переключения. Неисправности ЭБУ могут быть уменьшены в значительной степени от правильной компоновки схемы на различных платах и системах распределения электроэнергии с точки зрения генерации и распределения.
Электромагнитные помехи, порождаемые мощными схемами в преобразователях и контроллерах взаимосвязаны. Существует несколько стандартов, например, директива EMC 89 / 336 / EEC, директива 95 / 54 / EC и IEC 61800-3, которые регулируют допустимый уровень помех силовой электроники. Кроме того, CEI EN 55055 также рассматривает характеристики радиопомех для защиты приемников бортовых систем
В электрическом транспортном средстве инвертор находится рядом с электродвигателем и размещен в металлическом ящике, который защищает от помех. Модуль батареи расположен на небольшом расстоянии и для подключения к силовой электронике могут быть использованы неэкранированные силовые кабели. Однако использование неэкранированных кабелей может привести к значительным помехам. Исследования электромобилей показали, что большинство шумов энергии на частотах ниже нескольких мегагерц вызывает переходные процессы, которые могут повлиять на различные цифровые системы. Излучаемый уровень помех электропривода высок, но ниже допустимых пределов.
Неисправности редуктора ведущего моста. Стук редуктора стук в момент перехода с разгона в режим рекуперации и наоборот. Основная причина – агрессивные режимы движения. При агрессивной езде сила рекуперации энергии электромобиля резко возрастает, что влияет на шлицы редуктора. Они разбиваются и это со временем ведет к поломке редуктора.