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, та спрогнозувати ймовірнісний строк служби тягового акумулятора.

Додатково, мав на меті зібрати собі набір 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 залежить від умов руху, сезону, манери водіння, кількості та частоти поїздок тощо), а також стосується режиму роботи саме гібридної батареї E-Power (і показники можуть значно відрізнятися від показників батарей для EV, EREV чи навіть інших HEV, де принципово інша архітектура) 

Загальна методика дослідження та додаткові фактори впливу:
Тривалість: Протягом 10 днів (травень). Частина поїздок не відслідковувалась і не аналізувалася.
Тип поїздок: Звичайні щоденні поїздки, переважно міський режим експлуатації, короткі дистанції (включаючи незначні трасові ділянки, 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 оцінки впливів температури та режимів прогріву двигуна)
Температурний режим: Весняний, діапазон температури повітря +8C~+25C. Температурний діапазон має велике значення на алгоритм роботи системи та цілої системи. Звертаю увагу, що дослідження проведене у період відносно "нормальної" температури повітря (не зимовий і не літній періоди).

Фактор вибору міського режиму для оцінки: Міський режим із короткими поїздками є найбільш стресовим для авто та тягової батареї (тому у кого переважно режим траса/приміські поїздки/триваліші міські поїздки - у тих показники мають бути більш оптимістичні).
Збір даних із Електронного Блоку Керування через: CarScanner

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

Пробіг загальний: 35 000 км.

Режим їзди: Standard + B
Загальна дистанція тестових вимірювань: 118,3 км.
Загальний час тесту (включно із зупинками): 6 год.
Загальний час руху: 4,2 год.
Середня швидкість (відносно тривалості руху): 28,2 км/год.
Діапазон SoC (State of Charge - рівень батареї): 44-80%
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%

(Таким чином, 80% загального часу - 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 (для мого пробігу): бл. 1750-1850 EFC/рік  (~4,9 EFC/день, за паттерном оцінки, як описано вище)
АЛЕ:
Ця оцінка в реальності буде знижена, оскільки:
-- В річному відображення пробігів частка дистанції траси/високошвидкісних участків, як правило, перевищує показник у 6%, вказаний 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. На трасі та високій швидкості потужність на ТЕД (тяговий електродвигун) майже повністю передається напряму з ДВЗ/генератора.

Як наслідок, у тих, 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 моя оцінка.

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

Висновок: Еквівалентні цикли заряду/розряду мають відносно незначний вплив на загальний ресурс батареї. Найбільший вплив мають календарна деградація (природнє старіння), термічний стрес (холод/спека) та високі показники С-rate (дуже інтенсивні заряди/розряди при високих/низьких температурах - екстремальний фактор). 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:
-- 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

-- 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 E-Power автомобіля забезпечується одразу двома джерелами у різних комбінаціях - генератор+батарея або окремо, тоді як для електромобілів існує тільки 1 джерело - тягова батарея, де цей показник вимірюється прямолінійно, за мінусом електродинамічних втрат). E-Power оцінює витрату енергії через призму буферних циклів і сумарну брутто-енергію розряду (тому для гібридів буде краще витрати енергії вимірювати у літрах бензину).

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

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 в реальності (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 57,5% -> 42% VCM). 

Як наслідок, при зниженні рівня заряду водій бачить "нижче" значення, ніж насправді, а при рівні понад 70% - навпаки, вище, ніж насправді.

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 точно відображати водієві, це відволікатиме і картинка явно буде ривками), а також для покращеного відображення "доступного для використання заряду", 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 вимірювання):
-- Мінімальна температура батареї: 11 град. С

-- Мінімальна 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. 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 ДВЗ підтримує швидкість 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 більше, ніж у розумінні "холостого ходу" для класичних бензинових ДВЗ). 

Розподіл частоти 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 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 часто не встигає прогріватися до робочої температури (навіть у весняний період). В моєму тестованому режимі для близько 68% усіх поїздок температура ДВЗ взагалі не досягала мінімально робочого порогу (80 град. С).
Висновок: Для оптимального прогрівання потрібні дещо триваліші поїздки, ніж для класичних бензинових авто і бажано хоча б поїздки понад 15-20 хвилин. Оптимальна теплова ефективність ДВЗ 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 проходить при запущеному ДВЗ через додаткове електричне навантаження від циклів заряд/розряд (враховуючи, що батарея E-Power має повітряне охолодження, із салону авто, то попередньо прогріти батарею до початку поїздки не  вдасться). В моїх умовах інтенсивність прогрівання батареї із допомогою ДВЗ: ~+1 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 (за показником системи BMS), за якого зазвичай запускається ДВЗ (без посиленого навантаження): 44-51% SoC (BMS). Звісно, що окремими тригерами запуску (поза вказаним 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 кнопкою 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 відбувалося), 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 рекуперативну енергію), логіка E-Power запускає ДВЗ в режим теплового розсіювання надлишкової енергії (двигун провертається від коліс і гасить зайву кінетичну енергію, перетворюючи її в механічну і теплову, як при "гальмуванні двигуном" у класичних автомобілях). 

За умови звичайного режиму заряджання (без значного 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 часу рух чисто на батареї).

Цікаве спостереження, що логіка системи E-Power діє на випередження і завжди оцінює потребу в енергії відповідно до поточних умов 9за багатьма фаторами), а також вираховує той буфер заряду, який потрібен для покриття потенційної 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 здатна швидко задіяти вищу 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). 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 відведення зайвого тепла
----- влітку (коли спекотно) намагайтеся уникати сильних прискорень, бо це підвищує навантаження на батарею, вона нагрівається до вище 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 (оптимальна температура для батарей: +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 навантаження на сам ДВЗ (який муситиме працювати на варіативно-підвищених обертах), це значно підвищує термальний стрес на батарею. В сильний мороз 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 швидше прогріти батарею.
-- Намагайтеся уникати надмірно частих різких навантажень на батарею, особливо в холодні/спекотні періоди та у заторах. Такі дії підвищують показники С-rate і виводять батарею в неоптимальні (або ж навіть дуже перевантажені) режими. Плавність їзди забезпечить хороший стан батареї на роки.

ВИСНОВКИ ДОСЛІДЖЕННЯ:
-- Система E-Power дуже точно підтримує стан заряду SoC тягової батареї в оптимальному (вузькому) діапазоні, максимально сприятливому 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), але, 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). Основний недолік (дані це опосередковано підтверджують) - система не повністю оптимізована для трасових режимів руху (мабуть, буде все ж програвати автомобілям, у яких на трасі привід підключається до коліс фізично, типу Honda/Toyota HEV), оскільки тут неможливо прибрати втрати при множинних перетвореннях енергії (ДВЗ -> генератор -> батарея (опційно) -> інвертер -> ТЕД). Проте, в міських умовах архітектура E-Power має давати 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. 

Реклама

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