Инвертор в гибридном автомобиле – что это такое
Инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток из бортовой батареи в переменный трехфазный ток для обеспечения работы тягового электродвигателя и генератора (ведущие колеса приводит в движение именно электродвигатель, а не ДВС). Скажем так, инвертор позволяет совместить преимущества двигателя внутреннего сгорания и электромотора в одном транспортном средстве (в США даже военную технику пытаются сделать «гибридной»).
Первый автомобиль со связкой ДВС-электромотор увидел свет более 100 лет назад, а именно в 1900 году. В начале разгона основной ДВС «бездействует» и машина движется только за счет электроэнергии. Потом электродвигатель «передает бразды правления» более мощному бензиновому (а теперь и дизельному) двигателю. При торможении также происходит рекуперация энергии и последующая зарядка батареи. У водителя появляется возможность движения в городских пробках в режиме «стоп-старт».
Но есть у преимуществ гибридной схемы и обратная сторона. Проходящий в огромных количествах поток электроэнергии вызывает интенсивный нагрев инвертора. Поэтому на любом гибридном автомобиле это устройство снабжается собственной системой охлаждения. Самая большая опасность для инвертора – перегрев. Создатели автомобилей еще на стадии проектирования пытаются если не предотвратить, то хотя бы максимально нивелировать неприятные последствия перегрева. Так, на Тойоте Приус есть система, которая при достижении критической температуры отключает тяговый электродвигатель, но при неквалифицированном обслуживании последующие перегревы все же случаются (нарушение циркуляции охлаждающей жидкости и прочее). При перегреве выходят из строя силовая электроника, что равнозначно поломке самого инвертора. Такую же неприятность таит при себе и сильный мороз (охлаждающая жидкость ниже определенной отметки термометра просто замерзнет). Другая опасность – не рекомендуется передвигаться с пустым бензобаком (хотя на большинстве последних модификаций возможность движения исключительно на электротяге предусмотрена изначально). На некоторых моделях это может закончиться фатально для батареи.
По признанию самих владельцев гибридных машин именно инвертор является «сердцем» этого чуда техники, так как от его «самочувствия» зависит работа всего автомобиля.
Инвертер и ВВБ
Накопилось много информации об этом узле, (собранной в основном на club-lexus.ru), упоминание о котором некоторых автолюбителей приводит в ужас. Естественно, за раз всё в кучу не соберёшь, поэтому буду периодически добавлять сюда информацию.
Что же такое этот инвертер? «Инвертер» (Inverter) — сложное электронное устройство, предназначенное для:
— преобразования постоянного тока высоковольтной батареи (HV battery) в трехфазный ток для работы мотор-генераторов MG 1 и MG 2 и обратно.
— обратного преобразования энергии (рекуперация, — от лат. recuperatio — обратное получение, возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе. Применительно к рассматриваемому вопросу – преобразование механической энергии в электрическую. За это в блоке инвертора отвечает прибор называемый «конвертором»)
— регулирования и распределения энергии, получаемой от MG 1
— электронного управления мотор-генераторами MG 1 и MG 2 в зависимости от режимов работы двигателя внутреннего сгорания на основании согласованных действий с остальными электронными устройствами автомобиля Inverter имеет свою систему охлаждения, не связанную с системой охлаждения ДВС.
Во первых, развею миф о чудовищной стоимости данного блока, частенько попадаются комментарии что «со слов уважаемых сервисменов его стоимость 800-900 тысяч рублей»… Скажу просто, это некомпетентные комментарии.
Думаю, комментарии излишни.
Второе, по большому счёту ломаться там нечему, большая железка-радиатор с кучей высоковольтных проводов и модулем ИСМ (интеллектуальный силовой молуль) внутри. Если что и можейт выйти из строя, так это как раз этот самый модуль ИСМ, в котором самым слабым местом являются силовые транзисторы, которые (извините за сумбур) могут сгореть от недостаточно эффективного теплоотвода.
PS: инструкция по замене модуля ИСМ:
Третье, недостаточно эффективный отвод тепла от модуля ИСМ (инвертора) может возникнуть только в двух случаях: выхода из строя помпы (насоса) перекачки охлаждающей жидкости инвертора либо из за отсутствия охлаждающей жидкости в системе, вследствии разгерметизации системы (разрыв подводящих — отводящих трубок или радиатора (например от камня).
Четвёртое. Практически все гибридные RX-ы в сентябре 2013 года попали под ССК (специальная сервисная компания) от Toyota, при которой происходила замена модуля ИСМ
Что ж мы имеем в итоге? Да только то, что «не так страшен чёрт, как его малютка»:), достаточно периодически заглядывать под капот и смотреть на расширительный бачок охлаждающей жидкости инвертора,
в нем должен быть уровень и жидкость должна бурлить от работающей помпы, ещё его называют «фонтанчиком».
Единственный минус этой системы в том, что миллиард узкоглазых инженеров Toyota не предусмотрела контроль температуры модуля ИСМ.
Блок-схема работы гибридной части автомобиля
где:
1. Плавкий предохранитель высокого напряжения обеспечивает защиту от короткого замыкания в HV батарее.
2. Положительные и отрицательные силовые кабели высокого напряжения соединены с HV
аккумуляторной батареей через нормально-разомкнутое реле с управлением от 12 В.
3. Нормально-разомкнутое реле.
4. Контроллер утечки высокого напряжения на шасси авто.
Данный размыкатель необходим для проведения работ на гибридной установке, т.е. при любых работах, связанных с обслуживанием и разборкой высоковольтных линий, данный размыкатель необходимо снять. Так же им необходимо воспользоваться при экстремальных ситуациях, например ДТП, при наводнении, когда возможно затопление салона водой и нет возможности оперативно вывезти авто из опасной зоны, это шанс не загубить гибридную часть.
ВВБ
Инвертор гибридной системы: Что? Как? И почему Это ломается?
Инвертор с конвертором в сборе является важной частью гибридной силовой установки. Он преобразует постоянный ток высоковольтной батареи (ВВБ) с номинальным напряжением 201.6 вольт, в трёхфазный переменный ток, напряжением до 650 вольт, для управления мотор-генераторами гибридной трансмиссии, а также обратной конвертации тока с мотор-генераторов для зарядки ВВБ и питания 12-вольтовой бортовой сети. Во время разгона и движения автомобиля, в цепях инвертора протекают достаточно большие токи, которые коммутируются электронными силовыми ключами, представляющими из себя IGBT модули (транзисторные сборки), установленные на радиаторе с постоянной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Периодически, на Prius ZVW30/41 встречаются случаи неисправности инверторов по причине повреждения этих IGBT-модулей. В качестве примера был разобран инвертор Prius Alpha с такой неисправностью.
Корпус инвертора состоит из нескольких, герметично собранных частей, с защитой от пыли и влаги. Вся электроника распределена внутри, в несколько слоёв.
В самой нижней части находится преобразователь напряжения гибридной системы и схема зарядки 12-вольтовой бортовой сети.
Сверху расположен блок управления мотор-генераторами
Плата управления силового транзисторного модуля выполнена в единый блок с ним и теплообменником системы охлаждения инвертора.
Транзисторы в сборках соединены параллельно и равномерно делят нагрузку. При выходе из строя одного транзистора, повышенная нагрузка ложится на соседние, кратно перегружая их и тоже выводя из строя. На фото отчётливо видно последствия такого повреждения.
Вопреки утверждениям некоторых «специалистов», выгорание транзисторов напрямую не связано с недостаточным охлаждением в гибридной системе из за якобы забитого радиатора охлаждения инвертора. Локальный перегрев силового модуля перед полным выходом из строя это уже следствие работы оставшихся транзисторов на повышенной нагрузке, которое и их лавинообразно выводит из строя. Более подробно в следующем посте.
1. На японском рынке примерно до июля 11 года на Prius 30 шли инверторы с артикулом G9200-47140 — горит у них все: силовая часть и конвертор.
2. С августа 2011 года стал выпускаться инвертор G9200-47141. Его принципиальное отличие от предыдущего в замене некоторых компонентов на компоненты другого производителя (так объяснила Тойота). Ни какой надежности это не добавило. И выпускался он до декабря 2011 года, т.е. всего 5 месяцев.
3. Буквально в течение следующих полутора лет были выпущены ревизии G9200-47180, G9200-47181, G9200-47190, причем именно последняя ставится по сервисной кампании на замену сгоревшему инвертору для дорестайлов. Все ревизии, кроме последней, в свою очередь так же подвержены самопроизвольному сгоранию силовой части и конвертора.
4. Параллельно в мае 2011 года на рынок был выпущен семейный минивэн Приус Альфа, который имел свои ревизии инверторов G9200-47160, G9200-47161, G9200-47162. Они также имеют проблемы с силовым модулем и конвертором. И проблема самопроизвольного сгорания инверторов Приус 30 и Приус Альфа заключается не в условиях эксплуатации или несвоевременном обслуживании, а именно в поставке некачественных компонентов на конвейер. По данным проблемам выпущен сервисный бюллетень с указанием дефектных ревизий — T-SB-0036-16.
5. В январе 2012 году Япония начала выпуск рестайлинговой модели Приус 30. Рестайлинг принес изменения как во внешней части, так и во внутренней, коснулось это в частности и гибридной силовой установки — Тойота сделала очередную модификацию инвертора и он имеет маркировку G9200-47210. У данной модификации решена проблема со сгоранием конвертора.
6. С 10-го месяца 2012 года начали ставить пластиковую декоративную крышку сверху.
7. Практически все тридцатые приусы, выпущенные до 2014 попадают под сервисную кампанию по перепрошивке блока гибридной системы или замены инвертора в случае его сгорания.
toyota.jp/recall/2014/0212.html
8. С февраля 2014 стала выпускаться ревизия G9200-47230, которая является на данный момент самой надежной для Приус 30.
9. Для Приус Альфа самая последняя ревизия G9200-47221.
Сервисный бюллетень Тойота T-SB-0036-16 по дефектным инверторам Приус 30 и Приус Альфа.
Артикулы проблемных инверторов Приус 30:
— G9200-47140
— G9200-47141
— G9200-47180
— G9200-47181
Приус Альфа:
— G9200-47160
— G9200-47161
— G9200-47162
О нас:
тел: +79241005450,
+79141580752,
+79141905959
Адрес: г. Хабаровск, пер. Облачный 62/1
Как горят инверторы в гибридах
Инвертор с конвертором в сборе является важной частью гибридной силовой установки. Он преобразует постоянный ток высоковольтной батареи (ВВБ) с номинальным напряжением 201.6 вольт, в трёхфазный переменный ток, напряжением до 650 вольт, для управления мотор-генераторами гибридной трансмиссии, а также обратной конвертации тока с мотор-генераторов для зарядки ВВБ и питания 12-вольтовой бортовой сети. Во время разгона и движения автомобиля, в цепях инвертора протекают достаточно большие токи, которые коммутируются электронными силовыми ключами, представляющими из себя IGBT модули (транзисторные сборки), установленные на радиаторе с постоянной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Периодически, на Prius ZVW30 и ZVW41 встречаются случаи неисправности инверторов по причине повреждения этих IGBT-модулей. В качестве примера я разобрал инвертор с такой неисправностью.
Корпус инвертора состоит из нескольких, герметично собранных частей, с защитой от пыли и влаги. Вся электроника распределена внутри, в несколько слоёв.
В самой нижней части находится преобразователь напряжения гибридной системы и схема зарядки 12-вольтовой бортовой сети.
Сверху расположен блок управления мотор-генераторами (высоковольтный конденсатор и силовые шины уже сняты, на фото отсутствуют).
Плата управления силового транзисторного модуля выполнена в единый блок с ним и теплообменником системы охлаждения инвертора. Для доступа к силовому модулю, необходимо отпаять более 100 соединительных ножек.
После демонтажа управляющей платы, открывается вот такая картина. Транзисторы объединены в сборки по несколько штук на общей подложке и залиты прозрачным силиконом.
Транзисторы в сборках соединены параллельно и равномерно делят нагрузку. При выходе из строя одного транзистора, повышенная нагрузка ложится на соседние, кратно перегружая их и тоже выводя из строя. На фото отчётливо видно последствия такого повреждения.
Сам собой напрашивается вопрос, от чего такое происходит и как этого избежать. К сожалению, однозначного ответа пока не существует. Вопреки утверждениям некоторых «специалистов», выгорание транзисторов напрямую не связано с недостаточным охлаждением в гибридной системе из-за якобы забитого радиатора охлаждения инвертора. Локальный перегрев силового модуля перед полным выходом из строя это уже следствие работы оставшихся транзисторов на повышенной нагрузке, которое и их лавинообразно выводит из строя.
Статистика показывает, что такая неисправность не зависит от уличной температуры, температуры двигателя и гибридной системы, а так же не имеет прямой зависимости от пробега а/м. Встречаются случаи выгорания силовых модулей в зимний период (конкретный пример), и даже на гарантийных машинах с небольшим пробегом и бережной эксплуатацией. В то же время, абсолютное большинство Prius 30 без проблем наезжает не одну сотню тысяч км, без каких-либо намёков на данную неисправность, включая а/м владельцев с агрессивным стилем вождения.
На данный момент предполагаю, что основная причина заключается в неком браке во время производственного процесса IGBT сборок, в результате чего они преждевременно деградируют и теряют способность коммутировать необходимый ток, что приводит к их локальному перегреву и возгоранию.
Официальная информация от производителя по этому поводу отсутствует. Процедура ремонта подразумевает возможность замены только силового модуля, но из за сложности процесса дефектовки и замены, даже в гарантийный период чаще меняют весь инвертор в сборе.
Неисправный силовой модуль уже не подлежит ремонту, вследствие чего инвертор в сборе на конкретном автомобиле был заменен на заведомо исправный б/у, последних годов выпуска модели.
Не зависимо от кат. номера инвертора в сборе, на все варианты, за весь период выпуска ZVW30 устанавливался только один тип транзисторного модуля — 04899-47020 (он же 04899-47021), подверженный спонтанному выходу из строя по причине выгорания IGBT сборок. Все варианты инверторов с этим модулем, по большому счёту, отличаются лишь версиями управляющего ПО, которое также обновляется до актуальной версии в ходе глобальной сервисной кампании 4KET-024 (для 30 кузова) и 15OSD-001 (для 40 кузова). Но обновление ПО лишь снижает нагрузку на IGBT сборки, за счёт перераспределения крутящего момента от электромотора в сторону бензинового двигателя и большего использования его тяги при ускорении. На общие динамические характеристики и максимальную мощность силовой установки это не влияет. После прошивки по сервисной кампании некоторые владельцы отмечают вялую динамику в EV режиме и более раннее подключение бензинового двигателя при ускорении, как следствие, небольшое увеличение расхода топлива (в пределах 0.2-0.5 л/100км).
По имеющейся статистике, чаще всего с выгоранием транзисторного модуля сталкиваются владельцы первых 30-ок 2009-2011 годов выпуска. Тем не менее, неисправность периодически встречается и на рестайлинговых 30-ках, и на 41-ом кузове. Вопреки распространённому мнению, якобы инвертор последней ревизии выпуска с января 2014 года имеет усовершенствованный модуль, фактически это не так. В последней ревизии инвертора использован всё тот же силовой модуль 04899-47021, применяемый в гибридах Toyota с июня 2010 года. Вполне возможно, что производитель улучшил технологический процесс изготовления транзисторных сборок, повысив надёжность и сведя риск выгорания к минимуму, но формально, последняя ревизия инвертора в сборе имеет лишь незначительные изменения в элементной базе управляющей схемы и последнюю версию управляющего ПО, не подлежащую обновлению в рамках глобальной сервисной кампании 4KET-024.
По настоящему надёжные транзисторные модули с большим запасом прочности под номером 04899-47070 устанавливались на Lexus CT200h, Prius ZVW35 PHV, Prius ZVW40 (с 2015 года выпуска), Auris ZWE186 Towing Package (комплектация под буксировку прицепа) и минивэны Noah / Voxy ZWR80. То есть, на модели, изначально рассчитанные под бо́льшую нагрузку на гибридную систему. В инверторах с этим силовым модулем нет проблем с выгоранием IGBT сборок.
ВНИМАНИЕ!
При полном или частичном копировании данного материала, пожалуйста, указывайте ссылку на этот источник.
База знаний
Инвертер Lexus RX400h:
— обратного преобразования энергии (рекуперация,- от лат. recuperatio — обратное получение, возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе. Применительно к рассматриваемому вопросу – преобразование механической энергии в электрическую. За это в блоке инвертора отвечает прибор называемый «конвертором»)
— регулирования и распределения энергии, получаемой от MG 1
— электронного управления мотор-генераторами MG 1 и MG 2 в зависимости от режимов работы двигателя внутреннего сгорания на основании согласованных действий с остальными электронными устройствами автомобиля Inverter имеет свою систему охлаждения, не связанную с системой охлаждения ДВС.
Внешний вид Инвертора – см. фото вверху.
Схематически инвертацию-конвертацию и передачу энергии при различных режимах работы можно посмотреть ниже:
Физически Inverter располагается рядом с двигателем внутреннего сгорания:
и включает в себя несколько модулей для инвертации и конвертации электрической и механической энергий
На корпусе Inverter располагается специальный датчик (Circuit Breaker Sensor,- рис. и схема внизу), который, в случае авариистолкновения автомобиля мгновенно выключает все силовые цепи Invertor для того, чтобы обезопасить людей от поражения их электрическим током
Аббревиатура SMR расшифровывается так: System main Relay.
СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ИНВЕРТОРА
Инвертор при работе сильно нагревается и, если бы не имел своего охлаждения, то после перегрева вышел бы из строя. В 10-м и 11-м кузовах Toyota Prius, а также Lexus RX400h, Inverter имеет отдельные контура охлаждения и отдельный радиатор. В 20-м кузове Приуса радиатор инвертора совместили с радиатором двигателя (рис. сверху).
Для локального охлаждения инвертор имеет «ребра» и «плиту» охлаждения (внутри):
Система охлаждения инвертора включает в себя:
— радиатор
— водяную помпу (водяной электрический насос)
— расширительный бачок
— соединительные патрубки
— электрическая водяная помпа системы охлаждения инвертора имеет ограниченный ресурс работы (на 20-м кузове приблизительно 3-4 года)
— на 10-м кузове помпа работает по температурному датчику и включается только при достижении температуры в системе охлаждения около 52-54 гр.
— на 11 и 20-м кузове помпа работает всегда, пока зажигание включено.
Антифриз в системе охлаждения инвертора следует проверятьменять согласно карты ТО. Особенно это относится к моменту приобретения автомобиля. И почему:
— в системы охлаждения (двигателя и инвертора, кроме 20-го кузова), может быть залит антифриз с пониженными свойствами замерзания, например, расчитанный на «минус 10». А эксплуатировать автомобильВы планируете в Сибири. Последствия понятны…
— за время эксплуатации антифриз теряет свои свойства и, если Вы будете «ездить на нем» много лет подряд, то его первоначальные характеристики точки замерзания значительно снизятся. Последствия тоже понятны… Водяная помпа пластиковая и её просто «разорвёт».
При перегреве инвертора
Как мы уже говорили, Inverter «сложное техническое устройство». И сильно все нагревается при работе. На панели приборов специального индикатора для этого случая нет.
На 10-м кузове: так как мотор-генераторы и сам инвертор «малонагружены», то тотального перегрева не происходит. Автомобиль начинает «тупить», «дергаться» и на панели приборов загорается транспорант под названием «черепашка». Это сигнал пониженной мощности автомобиля. Может загореться «треугольник» – сигнал общей неисправности.
На 11-м кузове: электронная система управления успевает предупредить водителя о перегреве несколько раз:
— на панели приборов загорается знак «треугольник»
— на панели приборов загорается знак «перегрев двигателя»
На фото
— справа на фото – силовой модуль MG 2, справа под компенсационными конденсаторами – силовой модуль MG1
Многие владельцы «гибридных» автомобилей, прочитав «профильные» форумы в Интернете, где техническое обслуживание подается в виде: «Там все просто, там все можно сделать самому»,- пытаются «скинуть ошибку» при загорании знака «треугольник» на панели приборов путем отсоединения клеммы АКБ. Или просто не обращают внимания на данное предупреждение. Неправильно и первое, и второе.
Но можно проверить работоспособность системы охлаждения инвертора: при включенном зажигании открываем капот двигателя, смотрим на маленький бачок около инвертора – внутри него должно происходить «бурление».
Для справки: «Общее устройство инвертора»
Статья размещена с использованием комбинированного материала с российских и американских профильных сайтов, а также собственного опыта в ремонте и обслуживании гибридных авто. Находится в процессе полной переработки с фото и видео материалами, исключительно по гибридным моделям Lexus