Problemy serwisowe i komplikacje diagnostyczne w pojazdach wyposażonych w instalację elektryczną 12V/48V (systemy mikro hybrydowe)

Producenci samochodów od kilku lat dynamicznie rozwijają segment pojazdów hybrydowych, wprowadzając szereg różnych rozwiązań i konfiguracji. Coraz więcej pojazdów występuje w wersji tzw. micro – hybrid, mild – hybrid lub full hybrid. Wśród tych grup pojazdów dynamicznie rozwija się technologia mild – hybrid, oparta o instalację 48 V.Dynamiczny rozwój pojazdów z instalacją 48V wynika z faktu iż zastosowanie tej technologii nie wymaga dużych zmian konstrukcyjnych w pojeździe, a pozwala osiągnąć satysfakcjonujące z punktu widzenia ekologii i osiągów efekty. Zastosowanie instalacji 48V pozwala realizować szereg dodatkowych funkcji, m.in. rozszerzoną funkcję systemu start-stop, funkcję e-boost, czyli wsparcie silnika spalinowego przez maszynę elektryczną, czy funkcję rekuperacji, czyli przejście maszyny elektrycznej w tryb pracy generatorowej, w celu zasilenia akumulatora instalacji 48 V. Dodatkowo, dzięki temu rozwiązaniu może być realizowana tzw. funkcja „żeglowania”, czyli wyłączania silnika spalinowego w momencie, gdy zwolnione są pedały hamulca i przyspieszenia.

Budowa układu

Należy zwrócić uwagę, że instalacja 48V jest instalacją dodatkową, i nie zastępuje instalacji 12 V, lecz ściśle z nią współpracuje. W konfiguracji układu instalacji elektrycznej 48 V znajdują się akumulator 48 V, maszyna elektryczna (tzw. alternator-rozrusznik), przetwornica DC/DC oraz przewody instalacji dodatkowej. Coraz częściej, zwłaszcza w pojazdach bogato wyposażonych instalację dodatkową wykorzystuje się do zasilania dodatkowych odbiorników potrzebujących dużej mocy, między innymi: silników elektromechanicznych stabilizatorów (system eAWS), czy też elektrycznych kompresorów powietrza doładowującego. Akumulator instalacji 48 woltowej, nie zastępuje akumulatora 12 woltowego, jest akumulatorem dodatkowym. Jest on wykonany w technologii litowo - jonowej. Wykorzystanie tej technologii wymusza stosowanie elementów monitorujących napięcie na ogniwach tego akumulatora oraz zarządzających temperaturą. Odpowiada za to sterownik akumulatora 48 V, który znajduje się w obudowie tego akumulatora. Wewnątrz akumulatora dodatkowego lub przy samym nim samym znajduje się wentylator, służący do jego chłodzenia oraz wewnętrzny stycznik zasilania łączący akumulator z odbiornikami instalacji dodatkowej. Akumulator dodatkowy znajduje się najczęściej we wnętrzu pojazdu, w przestrzeni bagażowej lub pod siedzeniem pasażera.

Rys.1 Akumulator instalacji 48 woltowej [materiał własny]

Przetwornica DC\DC jest elementem, który łączy instalację 12 woltową z instalacją 48 woltową. Przejmuje ona rolę alternatora, gdyż odpowiada za ładowanie akumulatora 12 woltowego, pobierając energię z instalacji 48 woltowej. Przetwornica podobnie jak akumulator jest również wyposażona w wentylator chłodzący. Zlokalizowana jest najczęściej we wnętrzu pojazdu lub w komorze silnika. Maszyna elektryczna, tzw. alternator-rozrusznik zainstalowana jest w komorze silnika, połączona z kołem pasowym wału korbowego za pomocą paska osprzętu. Maszyna elektryczna odpowiada za ładowanie akumulatora 48V, uruchamianie/ponowne uruchamianie silnika spalinowego oraz wspomaganie silnika spalinowego w trakcie przyspieszania. Maszyna elektryczna pracuje jako generator, zasilając akumulator 48 woltów, na podobnej zasadzie jak alternator oraz może pracować w trybie silnika podczas uruchamiania i wspierania silnika spalinowego, wówczas energia pobierana jest z akumulatora dodatkowego. Aby wskazane funkcje mogły być realizowane, niezbędny jest duży kąt opasania paskiem osprzętu koła pasowego alternatora/rozrusznika. W tym celu wykorzystywane są dwa napinacze, które zapewniają odpowiednie napięcie paska niezależnie od fazy pracy. W wybranych rozwiązaniach maszyna elektryczna chłodzona jest za pomocą cieczy z układu chłodzenia. Elementy instalacji 48 woltowej są połączone charakterystycznymi jaskrawo fioletowymi przewodami.

Problemy serwisowe

Podczas obsługi pojazdów z instalacją 48 woltową w sposób szczególny należy zwrócić uwagę na bezpieczeństwo pracy. Do obsługi instalacji tego typu nie są wymagane dodatkowe uprawnienia elektryczne, natomiast należy zachować odpowiednie procedury bezpieczeństwa, aby wyeliminować ryzyko wypadków. W pojazdach wybranych marek podstawową procedurą bezpieczeństwa jest dezaktywacja układu instalacji 48 woltowej przed wykonywaniem konkretnych czynności. Procedura dezaktywacji jest wymagana m.in. podczas wymiany komponentów instalacji dodatkowej. Aby przeprowadzić procedurę odłączenia należy wykorzystać odpowiednie urządzenie diagnostyczne posiadające taką funkcję. Dodatkowe procedury obsługowe należy zastosować w przypadku pojazdów z uszkodzoną instalacją bądź akumulatorem 48 woltowym, np. w wyniku wypadku.Wyzwania serwisowe w instalacjach 48 woltowych, które mogą wystąpić w pojazdach powypadkowych dotyczą nie tylko uszkodzeń mechanicznych, ale również zablokowania instalacji 48 V ze względów bezpieczeństwa. Za przykład posłuży nam pojazd marki Volvo, model XC 60, z roku 2021, z dwulitrowym silnikiem o zapłonie samoczynnym i mocy 145 kW. W tym pojeździe, podczas wykrycia impulsu zdarzenia przez sterownik poduszek gazowych (airbag), algorytm pracy systemu może podjąć decyzję o odłączeniu akumulatora dodatkowego od instalacji 48 woltowej. Algorytm podejmuje tę decyzję niezależnie od tego, czy doszło do aktywacji elementów pirotechnicznych ochrony kierowcy i pasażerów, tj. pasy bezpieczeństwa, czy poduszki gazowe. Po odłączeniu instalacji dodatkowej w wyniku wykrycia np. kolizji, w pamięci sterownika obsługującego akumulator instalacji 48 woltowej zostaje zapisany odpowiedni kod błędu. Przykład poniżej:

Rys.3 Odczytany w sterowniku akumulatora stan przekaźnika odłączającego instalację 48V [BOSCH KTS diagnostic tool]

Rys.2 Odczytany w sterowniku akumulatora instalacji 48 woltowej kod błędu rozłączenia wysokiego napięcia w wyniku zderzenia [BOSCH KTS diagnostic tool]

Odłączenie instalacji realizowane jest przez przekaźnik rozłączający, który znajduje się we wnętrzu akumulatora dodatkowego, a jego status można zweryfikować poprzez analizę parametrów rzeczywistych sterownika. Ponowne załączenie przekaźnika jest niemożliwe podczas gdy w pamięci sterownika zapisany jest kod błędu B16527F. Zwykle występuje brak możliwości usunięcia przedmiotowej usterki, po jej rejestracji zgodnie z zaleceniem producenta należy wymienić sterownik akumulatora instalacji 48 woltowej. W omawianym konkretnym pojeździe, sterownik akumulatora znajduje się wewnątrz akumulatora dodatkowego i jest wymienny wraz z całym akumulatorem.

Rys.3 Odczytany w sterowniku akumulatora stan przekaźnika odłączającego instalację 48V [BOSCH KTS diagnostic tool]

Kolejnym problemem serwisowym może być zbyt duże rozładowanie akumulatora 48V. Niewystarczający poziom naładowania akumulatora może być spowodowany m.in. aspektami eksploatacyjnymi, np. częstym uruchamianiem/wyłączeniem silnika spalinowego, częstym manewrowaniem i użytkowaniem na krótkich dystansach oraz niskimi temperaturami. W takich sytuacjach kierowca jest informowany o problemie poprzez odpowiednie kontrolki akumulatora (w kolorze żółtym lub czerwonym) oraz komunikat o usterce. Kiedy poziom naładowania akumulatora dodatkowego spadnie poniżej 30 %, pojawi się odpowiedni komunikat na zestawie wskaźników. Wówczas należy zatrzymać pojazd w bezpiecznym miejscu i pozostawić go w pracy na biegu jałowym, aż do momentu wyłączenia kontrolki oraz komunikatu. Inną przyczyną nieprawidłowego poziomu naładowania akumulatora dodatkowego może być problem z maszyną elektryczną lub jej osprzętem. Maszyny elektryczne podczas wsparcia silnika spalinowego generują moc na poziomie 10 kW i więcej, co powoduje duże obciążenie paska osprzętu oraz rolek, napinaczy, a tym samym ich przyspieszone zużycie. Paski osprzętu stosowane w pojazdach z instalacją 48 woltową są dodatkowo wzmacniane za pomocą włókien aramidowych, ze względu na obciążenia jakie przenoszą i muszą być montowane z zachowaniem odpowiednich procedur, tzn. nie mogą być zginane ani skręcane podczas montażu. Na chwile obecną, maszyny elektryczne zgodnie z zaleceniami producenta nie podlegają naprawie, lecz wymianie. Należy pamiętać, że usterki w układzie 48 woltowym wpływają bezpośrednio na instalację 12 woltową, mogą powodować np. brak ładowania głównej instalacji elektrycznej. Z dotychczasowych doświadczeń, tego typu usterki spowodowane są najczęściej niesprawnością przetwornicy DC/DC, która odpowiada za ładowanie akumulatora 12 woltowego z instalacji 48 woltowej. Podobnie jak maszyny elektryczne, przetworniki DC/DC zgodnie z technologią producenta są nie naprawialne, podlegają wymianie.

Pojazdy z nowoczesnymi systemami zasilania są coraz bardziej popularne na rynku. Każdy warsztat naprawczy, który chce być konkurencyjny i dostrzega potrzebę rozwoju bezwzględnie musi się przygotować na obsługę tego typu pojazdów, od instalacji 48 woltowej, po układy wysokonapięciowe. Wychodząc naprzeciw tym wyzwaniom, ta tematyka będzie rozwijana w kolejnych cyklach artykułów, gdzie będą przedstawiane i opisywane rzeczywiste problemy i przypadki serwisowe oraz procedury diagnostyczne i naprawcze tego typu pojazdów.