Аналітичний розбір алгоритмів системи Nissan E-Power

Мені особисто давно було цікаво провести для себе деталізоване та глибоке дослідження загальних алгоритмів роботи системи E-Power для розуміння логіки взаємодії і балансу у системі "ДВЗ-Батарея-Привід", а також оцінити загальну ефективність системи E-Power, і спробувати спрогнозувати ймовірний строк служби тягового акумулятора.

Додатково, мав на меті зібрати набір базових рекомендацій щодо оптимальної експлуатації автомобіля аби він служив мені довго і щасливо.

Допис без кольорових картинок, довгий і сухуватий, тому можливо буде цікавий людям, які люблять аналітичні статті, факти, статистику та цікаві інженерні рішення. Ну або тим, хто б хотів дізнатися більше, чим живе його E-Power-авто з архітектурної точки зору.

Одразу зауважу: Оцінка виключно базується на моїх типових експлуатаційних даних (тому ваша індивідуальна оцінка, відповідно, залежитиме від умов руху, сезону, манери водіння, кількості, тривалості та частотності поїздок тощо), а також стосується режиму роботи батареї гібридної системи E-Power (одержані показники можуть значно відрізнятися від показників батарей для EV, EREV чи навіть інших HEV, де принципово інша архітектура).

Ну і, звісно, до повноцінного дослідження все ще замало інформації, бо для цього знадобилися б кілька тисяч км вимірювань протягом усього року, у різних температурних та швидкісних режимах. Проте, все-таки, частину даних мені вдалося зібрати та систематизувати. Буде можливість - зберу більше даних та проведу додатковий аналіз пізніше (можливо навіть із гарними графіками та картинками).

Загальна методика дослідження та додаткові фактори впливу:
Тривалість: Протягом 10 днів (травень). Частина поїздок не відслідковувалась і не аналізувалася.
Тип поїздок: Звичайні щоденні поїздки (рандомні), переважно міський режим експлуатації, короткі дистанції (включаючи незначні трасові ділянки, які становлять сумарно бл. 6% часу), без змін стилю водіння (манера водіння плавна, найчастіше у міській забудові без швидкісних участків) 
Час доби: Від ранків до пізніх вечорів (для ширшої оцінки впливів температури та режимів прогріву двигуна, батареї тощо)
Температурний режим: Весняний, діапазон температури повітря +8C~+25C. Температурний діапазон значно впливає на алгоритм функціонування та системи в цілому. Звертаю увагу, що дослідження проведене у період відносно "нормальної" температури повітря (не зимовий і не літній періоди, де температурний режим схиляється до субоптимальних або навіть "критичних" значень). Для оцінки впливу термінальних умов (дуже холодних або дуже спекотних), необхідно проводити окремі спостереження.

Фактор вибору міського режиму для оцінки: Міський режим із короткими поїздками є найбільш стресовим для автомобіля та тягової батареї (тому, у кого переважно режим траса/приміські поїздки/триваліші міські поїздки - у тих показники мають бути більш оптимістичні). Такий режим вибраний свідомо для оцінки поведінки системи в постійно навантежених варіативних умовах експлуатації.
Збір даних із Електронного Блоку Керування через: CarScanner (OBDІІ протокол)

Тепер загальна статистична картина, на основі якої була зведена оцінка:

Пробіг загальний: 35 000 км.

Режим їзди: Standard + B (посилена рекуперація, мінімальний вплив гальмівної системи)
Загальна дистанція тестових вимірювань: 118,3 км.
Загальний час тесту (включно із зупинками): 6,0 год.
Загальний час руху: 4,2 год.
Середня швидкість (відносно загальної тривалості руху): 28,2 км/год.

Діапазон SoC (State of Charge - рівень зарядженості батареї): 44-80% (~36% від загальної фізичної ємності)
Середньозважений SoC: 59,5%
Акумульовано еквівалентних повних циклів заряд-розряд (EFC): 10,25 EFC
Середній показник накопичення еквівалентних циклів: 0,087 EFC/км

Розподіл швидкостей:
0-30 км/год: ~34%
30-60 км/год: ~46% (найбільш вагомий діапазон)
60-90 км/год: ~14%

90+ км/год: ~6%

Відповідно, 80% загального часу руху - швидкості менше 60 км/год.

Оцінка накопичення еквівалентних циклів заряд-розряд (EFC) тягової батареї:
Середня кількість циклів за період тесту: 0,087 EFC/км
Середньорічний пробіг (це мій індивідуальний поточний показник): 20 500 км/рік
Середньорічна кількість циклів (відносно мого статистичного пробігу): бл. 1750-1850 EFC/рік  (~4,9 EFC/день, за паттерном оцінки, як описано вище). 
АЛЕ:
Ця оцінка в реальності може виявитися нижчою, оскільки:
В річному відображенні частка дистанції траси/високошвидкісних участків, як правило, перевищує показник у 6%, який вийшов у цьому тесті. На високій швидкості тягова батарея практично не бере участі у процесі руху авто і перебуває в режимі "очікування", або зберігає рекуперовану кінетичну енергію (відносна кількість циклів коливання SoC все одно буде незначною). На трасі та високій швидкості потужність на ТЕД (тяговий електродвигун) передається майже повністю напряму з ДВЗ/генератора.

Як наслідок, у тих водіїв, у кого переважає змішаний або ж магістральний режим експлуатації (траса/приміська зона/швидкісні міські магістралі тощо), сумарний показник накопичених циклів може бути значно меншим, ніж оцінка у цьому тесті.

Вважаю, що із урахуванням більш реалістичної картини своїх пробігів, то річний показник накопичених циклів має скласти приблизно ~+/-1600 EFC/рік (для батарей гібридних авто це дуже хороший показник, які повинні витримувати 20-30 тис. еквівалентних циклів, тому ресурсу тягової батареї мало б цілком вистачити на 12-19 років, без урахування термічного та календарного зносу). 
На кількість еквівалентних циклів серйозно впливає середня швидкість руху (за одержаними даними, тут спостерігається чітка обернена залежність: нижча середня швидкість -> більше еквівалентних циклів).

Висновок: Еквівалентні цикли заряду/розряду мають відносно незначний вплив на загальний ресурс батареї (оскільки мікро-цикли, які переважають на графіку заряду, не мають серйозного впливу на процес деградації літій-іонних батарей). 
До речі, за результатами досліджень (можете почитати наукову статтю тут), незначні сплески циклів (≤1%DoD - глибини розряду) можуть навіть позитивно впливати на довговічність служби ячейок, в той час як цикли ≤2%DoD мають нейтральний вплив.
Найбільший вплив становлять: календарна деградація (природнє старіння), термічний стрес (використання в умовах холоду/спеки) та високі показники С-rate (дуже інтенсивні заряди/розряди, що супроводжуються високими значеннями сили струму, при високих/низьких температурах - екстремальний фактор, який посилюється внаслідок активного водіння). Усереднено, років на 8-10 має вистачити за майже будь-яких сценаріїв експлуатації (навіть за умови відносно активного стилю водіння).

Оцінка потужності заряджання/розряджання, сили струму та напруга:
-- Максимальний струм заряджання: 171А
-- Максимальний струм розряджання: 157А

-- Струм (95-й процентиль): 61А

-- Струм (99-й процентиль): 98А

-- Максимальна потужність заряджання: 66,6 кВт
-- Максимальна потужність розряджання: 87,0 кВт
-- Потужність (95-й процентиль): 21,7 кВт
-- Потужність (99-й процентиль): 35,5 кВт
-- Напруга батарейного блоку: 330В - 394В

-- Напруга ячейок: 3,50В - 4,10В
-- Просідання напруги під навантаженням: до 0,042В (короткочасні зсуви, які нормалізуються після зменшення навантаження)
-- Різниця напруги між ячейками без навантаження: 0,002В - 0,010В

-- Середня витрата енергії на розряджання: 15,8 кВт-год/100 км. (показник виключно орієнтовний, для порівняння із BEV, при цьому він досить відносний за природою через те, що тяга в E-Power автомобіля забезпечується одразу двома джерелами у різних комбінаціях - генератор+батарея, тоді як для електромобілів доступне виключно 1 джерело - тягова батарея, де показник витрати енергії вимірюється прямолінійно, за мінусом електродинамічних втрат). E-Power оцінює витрату енергії через призму буферних циклів і сумарну брутто-енергію розряду (відповідно, для гібридів напевно все ж більш коректно вимірювати витрати енергії у літрах бензину, який є "еквівалентом", що показує наскільки ефективно/неефективно автомобіль витрачає енергію).

Витрата зменшується відповідно до тривалості поїздок - дуже короткі поїздки дають значно вище значення витрат енергії на батареї (власне, це видно і за витратами пального).

-- Паразитне розряджання (автомобіль вимкнений): ~28 Вт (телематична система, 12В система, BMS тощо)
-- Паразитне розряджання (автомобіль активний, без руху): ~0,77...1,4 кВт (бортові системи, клімат-контроль, значно вища потужність споживання спотерігається при високому навантаженні на клімат-контроль)

Діапазон SoC тягової батареї:
Дуже цікавий параметр, який відображає, у якому діапазоні логіка системи E-Power динамічно підтримує рівень заряду тягової батареї.

-- Мінімальний SoC: 44%
-- Максимальний SoC: 80%

-- Середньозважений SoC: 59,5%
Це свідчить, що логіка підтримує заряд на рівні, який вважається оптимальним для Li-Ion батарей (за усіма канонами, такий діапазон вважають за 40-60%). Як видно, система жодного разу не допустила перевищення значення понад 80% або нижче 40%, таким чином забезпечуючи ідеальне "вікно" рівня зарядженості і зводячи вплив циклів заряд/розряд до мінімуму, а также мінімізуючи стресове навантаження від понижених/підвищених напруг. 

SoC на панелі приладів автомобіля (дані від модуля VCM):
Система, як правило, у переважній більшості випадків, на приладовій панелі водія відображає стан батареї SoC, який НЕ співпадає із реальним SoC, виміряним системою BMS.

При чому, режим відображення нелінійно відрізняється від реального рівня SoC.

Графіки SoC від BMS (реальний заряд) та від VCM-модуля (на приладовій панелі для водія) пересікаються на рівні 69-70% SoC (що означає, що +/- реальний рівень заряду водій бачить перед собою, коли батарея має близько 70% SoC).

Як правило, при заряді понад 70%, приладова панель відображає SoC вищим, ніж він є в дійсності (напр.: 72,5% BMS -> 74% VCM, а при BMS 74% -> 78% VCM). 
А нижче 70% приладова панель починає показувати SoC нижче, ніж реальний SoC (напр.: 67% BMS -> 63% VCM, а при BMS 50,5% -> 29% VCM). 

Як наслідок, при зниженні рівня заряду водій бачить "нижче" значення, ніж насправді, а при рівні понад 70% - навпаки, вище значення. І чим більше відхилення від точки 70% в будь-який бік, тим більша різниця показників.

Зроблено це, передусім, для плавнішого відображення SoC (як я міг переконатися на вибірках даних, реальні "стрибки" SoC, особливо коли працює ДВЗ+активна рекуперація, бувають дуже інтенсивними, і їх нема сенсу дуже точно відображати водієві, це відволікатиме увагу, а картинка явно буде ривками), а також для покращеного відображення "рівня заряду, доступного для використання", а не фізично повного заряду батареї (система резервує буферні рівні заряду в критичних зонах SoC - ниже 20% та понад 80%, і найчастіше взагалі не показує цих критичних зон водієві)

Вплив температури (за даними усіх 4-х датчиків зон температурного вимірювання):
-- Мінімальна температура батареї: 11 град. С

-- Максимальна температура батареї: 35,5 град. С
-- Середньозважена температура батареї: 25 град. С
Температура батареї має критичне значення, оскільки оптимальним діапазоном вважається +20~+35 град.С (ідеальна зона: +20~+25 град.С). Саме в цьому діапазоні спостерігається мінімальний рівень внутрішнього опору та найменший термічний стрес, особливо в режимі активних навантажень. І за цієї температури ефективність роботи батареї є найвищою.

Частота обертання ДВЗ:
У переважній більшості сценаріїв блок керування підтримує швидкість обертання ДВЗ у діапазоні 1600-2100 об/хв. Крок автоматичного регулювання частоти рівномірний: 500 об/хв (або кратно 100 об/хв.). Мінімальна частота: 1500 об/хв. (а це значно вища частота, ніж у розумінні "холостого ходу" для класичних бензинових ДВЗ).
У системі E-Power ДВЗ запускається, фактично, не для "холостого ходу", а для максимально ефективного застосування - заряджання батареї, генерації енергії для покриття поточних потреб та/або обігріву салону. Таким чином, ДВЗ майже завжди працює для виконання "корисної роботи", тим самим підвищуючи загальний ККД системи до максимально можливого.

Розподіл частоти обертання ДВЗ відповідно до типів поїздок, під час руху (усереднені/максимальні значення), об/хв.:
-- Дуже короткі міські (до 5 хв.): 1600-1700 (2000-2020)
-- Середні міські (5-15 хв.): 1700-1900 (2000-2020)

-- Довгі міські (понад 15 хв.): 1800-2000 (2010-2020)

-- Трасові: 2050-2150 (4068-4593)

Таким чином, висока частота обертання ДВЗ спостерігається, переважно, на підвищених швидкостях і у період навантаження при різких стартах (особливо за умов низької температури повітря, коли ефективність тягової батареї на віддачу потужності низька, і є необхідність компенсації недостатньості тяги за рахунок увімкнення генератора)

Температурний режим ДВЗ:
ДВЗ у системі E-Power працює у переривчастому режимі, в результаті чого під час коротких міських поїздок він часто не встигає прогріватися до робочої температури (навіть у теплий весняний період). В моєму тестованому режимі для близько 68% із числа усіх поїздок температура ДВЗ взагалі не досягала мінімально робочого порогу (80 град. С). З огляду саме на таку специфіку роботи двигунів E-Power виробник використовує більш рідке мастило 0W-20, яке краще підходить для змащення при "холодних" режимах експлуатації.  

Висновок: Для оптимального прогрівання ДВЗ у системі E-Power потрібні дещо триваліші поїздки, ніж для класичних бензинових авто, і бажано хоча б поїздки понад 15-20 хвилин. Оптимальна теплова ефективність ДВЗ системи E-Power настає за температури ОР понад 70 град. С. (і максимізується за показників температури близько 80 град. С або трохи вище)

Статистично, у мене двигун прогрівався на 10-15 град. С/хв. (за весняної температури повітря).

Що ще важливо: прогрівання тягової батареї набагато інтенсивніше відбувається при запущеному ДВЗ через додаткове електричне навантаження від циклів заряд/розряд (враховуючи факт, що батарея E-Power має повітряне охолодження, із салону авто, то попередньо прогріти батарею до початку поїздки не  вдасться). В моїх умовах плавного руху інтенсивність прогрівання батареї із допомогою ДВЗ: ~+1...+3 град.С/хв. (думаю, що в зимових умовах цей показник буде дещо нижчим через різницю температур). Інтенсивніша їзда буде активніше прогрівати батарею, але при цьому одночасно посилюватиметься навантаження на ДВЗ та на тягову батарею.

Логіка запуску ДВЗ для заряджання:
За результатми вимірювань, найбільш ймовірне вікно SoC для автоматичного запуску ДВЗ (за показниками системи BMS) без посиленого навантаження: 44-51% SoC (BMS). Як правило вища температура - вищий рівень SoC, за якого запускається ДВЗ.

Звісно, що окремими тригерами запуску (поза вказаним вище діапазоном) можуть бути: підвищена поточна потреба у генерації енергії (активне прискорення, висока швидкість руху, низка температура повітря, необхідність прогрівання ДВЗ та/або салону, а також у випадках примусового запуску ДВЗ - відкриття капота, сильне натискання педалі акселератора, вмикання обігріву лобового скла тощо).

Діапазон зупинки ДВЗ коливається у рамках 61-77% SoC (BMS). Вищі ступені заряджання спостерігаються, переважно, за пониженої температури повітря (режим прогрівання/обігрівання салону). Вище SoC 80% батарея ніколи не заряджається (як мінімум, у моїх тестах такого не відбулося жодного разу), за виключенням надзвичайно рідкісних випадків, коли автомобіль рухається затяжним схилом з активною рекуперацією (гориста місцевість).

В абсолютній більшості випадків, коли існує ризик перезаряду понад 80% (або коли батарея фізично не здатна прийняти енергію від рекуперації), логіка E-Power запускає ДВЗ в режим теплового розсіювання надлишкової енергії (двигун провертається від обертання коліс і гасить цим зайву кінетичну енергію, перетворюючи її в механічну і теплову, подібно до того як це відбувається при "гальмуванні двигуном" у класичних автомобілях). 

За умови звичайного режиму заряджання (звичайне навантаження), ДВЗ генерує від +1,8%/хв. SoC (1500 об/хв.) до +2,5%/хв. SoC (2000 об/хв.).

Середньостатистично, в умовах міської їзди, тривалість роботи ДВЗ відносно тривалості поїздки: ~34% (фактично 2/3 всього часу автомобіль рухався від батареї).

Цікаве спостереження, що логіка системи E-Power діє на випередження і завжди оцінює потребу в енергії відповідно до поточних умов (за багатьма факторами), а також вираховує буфер заряду, який потрібен для покриття потенційної миттєвої енергетичної потреби. Таким чином, навіть коли ви раптом вирішуєте різкіше зрушити з місця чи прискоритися, то система завжди має для цього певний буферний запас (або готова швидко задіяти додаткову потужність ДВЗ для забезпечення активної втрати енергії). При цьому, фактично, різниця між кількістю брутто-енергії заряджання та розряджання після кожної поїздки майже рівна нулю (або з невеликим відхиленням в сторону збільшення). Дуже крута реалізація, насправді!

РЕКОМЕНДАЦІЇ:
Судячи із логіки роботи системи E-Power та хімії батарей, щоб ваше авто Вам служило довго і вірно, бажано дотримуватися таких простих рекомендацій:

-- Слідкувати за температурним режимом батареї:
----- паркуйте авто у затінках, не дозволяючи йому перегріватися на сонці, а також у місцях із гарним провітрюванням для кращого відведення зайвого тепла від тягової батареї (також слідкуйте, щоб батарея могла швидко охолоджуватися після здійснених поїздок, оскільки за температури понад 35 град.С. деградація проходить в 2,5 рази інтенсивніше, ніж від календарного старіння)

----- влітку (коли спекотно) намагайтеся уникати різких прискорень, бо це значно підвищує навантаження на батарею (виникають різкі стрибки показника С-rate), вона нагрівається понад 35 град.С і заходить в режим посиленого "термального стресу".
----- користуйтеся клімат-контролем: оскільки тяговий акумулятор розташований під сидіннями, він обігрівається/охолоджується повітрям із салону. Тому, чим оптимальніша температура салону, тим краще для ефективної роботи тягової батареї (оптимальний діапазон температури для тягової батареї: +20....+35 град.)

----- не перекривайте вентиляційні отвори та намагайтеся слідкувати за їх чистотою
----- уникайте різких прискорень та сповільнень на "холодному" авто (вважайте, що двигуни E-Power можуть довше прогріватися через свою інтервальну специфіку роботи). Крім додаткового навантаження на сам ДВЗ (який муситиме працювати на варіативно-підвищених обертах), це також значно підвищує термальний стрес для батареї. В умовах сильних морозів літій-іонні батареї втрачають здатність інтенсивно брати/віддавати заряд, і мають значно підвищений внутрішній опір. Відповідно, дайте можливість батареї прогрітися від ДВЗ та/або салону. Як було описано вище, запущений ДВЗ допомагає трохи швидше прогріти батарею.
-- Намагайтеся уникати надмірно частих різких навантажень на батарею, особливо в холодні/спекотні періоди та у заторах. Такі дії підвищують показник С-rate і виводять батарею в неоптимальні (або ж навіть дуже перевантажені) режими. Плавність їзди забезпечить Вам хороший стан батареї на роки.

-- Не лишайте автомобіль надовго (понад 7 днів) без запуску системи E-Power, оскільки загальна ємність тягової батареї відносно невелика, і без підзярядки її рівень SoC може досить швидко знизитися до шкідливої зони (нижче 20%) або ж навіть до глибокого розряду.

ВИСНОВКИ ДОСЛІДЖЕННЯ:
-- Система E-Power дуже точно підтримує стан заряду SoC тягової батареї в оптимальному (вузькому) діапазоні, що є максимально сприятливим для літій-іонних батарей, дійсно не допускаючи виходу батареї в неоптимальні або шкідливі режими.

-- Водій на панелі бачить візуально значно "ширші" діапазони SoC, ніж вони є насправді (буферні критичні зони SoC, як правило, невидимі на панелі приладів)
-- Температура середовища є одним із найважливіших "драйверів" поведінки системи та має найсильніший вплив на потенціний ресурс батареї. Низькі температури вимагають підвищеного середнього рівня SoC батареї та дуже змінюють логіку запусків ДВЗ.

-- Оскільки "вузькі" цикли заряду/розряду забепечують багато років служби батареї (їх вплив виявляється відносно незначним), на перший план з точки зору деградації тягової батареї виходять термальний стрес (його можна мінімізувати плавним водінням в режимі високих/низьких температур) та календарне старіння (на жаль, цей фактор поки що перемогти неможливо ніяк).

-- Міський режим експлуатації (та особливо короткі поїздки) значно підвищують циклічність батареї відносно заміського (трасового). Проте, як зазначено вище, навіть жорсткі умови міської експлуатації не повинні відчутно вплинути на загальний ресурс батареї, якщо слідкувати за температурним режимом.

ЗАГАЛОМ, я був приємно вражений такою чітко злагодженою роботою усіх систем автомобіля, які, очевидно, оптимізовані для роботи у найважчих міських режимах.

В цілому, блоки керування намагаються підтримувати ДВЗ та батарею в режимах максимальної ефективності (теплової ефективності для ДВЗ та енергетичного стану для тягової батареї відповідно). Основний недолік (отримані дані це опосередковано підтверджують) - система не повністю оптимізована для трасових режимів руху (мабуть, все ж буде програвати автомобілям, у яких на трасі привід підключається до коліс фізично, типу Honda/Toyota HEV), оскільки система E-Power постійно працює в режимі послідовного гібриду, і в ній неможливо прибрати втрати при множинних перетвореннях енергії (ДВЗ -> генератор -> тягова батарея (опційно) -> інвертер -> ТЕД), які сумарно дозволяють доставити ~87...88% потужності двигуна до коліс, а також необхідно постійно підтримувати роботу ДВЗ на підвищених обертах. 

Проте, у міських умовах архітектура E-Power цілком себе виправдовує і має забезпечувати питомий виграш відносно систем із КПП та фізичним приводом.

Все це гармонійно підтверджує мою давню гіпотезу, що система Е-Power - це реально дуже і дуже крута та перспективна система, в якій мало компромісів та багато переваг. 

Реклама

Комплексне обслуговування автокондиціонерів: повертаємо ідеальний клімат в авто з першого разу