P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 98 Transport 2013

Pawe� Olszowiec, Miros�aw Luft

Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny w Radomiu

NIEKONWENCJONALNE USTERKI POJAZDÓW HYBRYDOWYCH

R�kopis dostarczono, kwiecie� 2013

Streszczenie: W artykule przedstawiono niekonwencjonalne uszkodzenia pojazdów hybrydowych zarejestrowanych w autoryzowanych i nieautoryzowanych serwisach obs�ugi pojazdów. Opisano procedury diagnostyczne i narz�dzia s�u�ce do ustalenia w�a�ciwej diagnozy i naprawy pojazdu z nap�dem elektryczno – spalinowym przy zachowaniu zasad bezpiecze�stwa obs�ugi. S�owa kluczowe: niekonwencjonalne usterki, diagnostyka szeregowa, kod b��du

1. DIAGNOSTYKA SILNIKA SPALINOWEGO W POJE�DZIE HYBRYDOWYM

Od czasu wprowadzenia na rynek pierwszej seryjnie produkowanej hybrydy �wiata - Toyoty Prius min��o ju 14 lat. Na przestrzeni tego czasu hybryda sta�a si� prestiem i symbolem nowoczesno�ci. Ukaza�y si� take dziesi�tki publikacji na temat zasady dzia�ania, idei oraz s�uszno�ci stosowania nap�dów hybrydowych, które powoli i do�� nie�mia�o zdobywaj� take nasze rodzime drogi. Równie nie�mia�o rozprzestrzenia si� wiedza na temat usterek oraz metod i procedur diagnostycznych co wynika z raportów zarówno autoryzowanych stacji obs�ugi jaki i nie zrzeszonych serwisów naprawczych. Poniszy materia� po�wi�cony zosta� praktycznym badaniom pojazdów hybrydowych z wykorzystaniem najpopularniejszych narz�dzi diagnostycznych na rynku motoryzacyjnym takich jak urz�dzenia z rodziny Bosch model KTS 570 oraz rodzimy diagnoskop CDIF2. Dla celów artyku�u, w laboratorium Eksploatacji i Diagnostyki �rodków Transportu Wydzia�u Transportu i Elektrotechniki przebadane zosta�y popularne pojazdy dwu silnikowe Lexus GS 450h, Toyota Camry Hybrid oraz Toyota Prius II generacji. Pierwszym z badanych aut by�a Toyota Camry Hybrid wyprodukowana w 2007 roku wyposaona w czterocylindrowy silnik rz�dowy kod 2AZFXE o pojemno�ci 2,4 litra DOHC z systemem VVT-I pracuj�cym wed�ug cyklu Atkinsona. Moc jednostki spalinowej szacowana jest na 110kW przy 4000 ob./min. Jednostka elektryczna to silnik synchroniczny o magnesach trwa�ych zhamowana na 105 kW przy 4500 obr/min. Pojazd posiada przeniesienie nap�du typu CVT, czyli po��czenie silnika spalinowego

492 Pawe� Olszowiec, Miros�aw Luft

z bezstopniow� skrzynia biegów przy równoleg�ym sprz�gni�ciu z jednostk� elektryczn�. Ca�y uk�ad wspó�pracuje take z niklowo wodorkowym akumulatorem o napi�ciu 245 V i masie oko�o 200 kg. Taka budowa pojazdu powoduje, i diagnostyk� szeregow� pojazdu naley podzieli� na oddzielne badanie silnika spalinowego oraz indywidualne okre�lenie stanu technicznego elektrycznego nap�du pojazdu.

Rys. 1. Bosch ESI tronic 1 [materia� w�asny]

Jako system zarz�dzaj�cy silnikiem diagnoskop KTS 570 zidentyfikowa� TCCS II CAN I (rys.1), wyst�puj�cy take w innych modelach koncernu. Narz�dzie Bosch-a pozwala na odczyt i kasowanie pami�ci b��dów zawartych w sterowniku jednostki spalinowej, odczyt parametrów rzeczywistych, test elementów nastawczych, test funkcjonowania oraz moliwo�� adaptacji elementów sk�adowych systemu. Istotnym dla poprawnej diagnostyki tak z�oonego auta jest komunikacja z sterownikiem elektroniki centralnej, która w tym przypadku przebieg�a bezproblemowo. Stopie� skomplikowania pojazdu oraz mnogo�� systemów wyst�puj�cych na jego pok�adzie z wykorzystaniem sieci CAN powoduje, i istnieje moliwo�� powstawania tzw. b��dów mi�dzy systemowych. Przyk�adem takiego problemu jest np. usterka stycznika pod peda�em hamulca, o której istnieniu moemy si� dowiedzie� nie po odpytaniu pami�ci sterownika ABS/ESP tylko po komunikacji w�a�nie z elektryk� centraln� lub kalkulatorem silnika. Dla uzyskania parametrów rzeczywistych silnika spalinowego w trakcie postoju pojazdu naley zastosowa� procedur� rozruchow�. Poniewa w pojazdach hybrydowych jednostka spalinowa uruchamiana jest niezalenie od oczywistych dyspozycji uytkownika, w celu diagnostyki komponentów silnika spalinowego w stacji naprawy wymagana jest aktywacja „trybu kontroli biegu ja�owego”. Uruchomienie silnika spalinowego umoliwia diagno�cie odczyt parametrów rzeczywistych silnika oraz ocen� pracy elementów wykonawczych. Dla pojazdu Toyota Prius 1.5i kod silnika 1NZFXE równie przebadanego dla celów artyku�u naley wykona� kombinacj� „Szifterem” zmiany biegów oraz peda�em przy�pieszenia w nast�puj�cej kolejno�ci (rys.2):

Niekonwencjonalne usterki pojazdów hybrydowych 493

1. w��czy� hamulec postojowy, 2. d wignia zmiany biegu pozycja P, 3. 2 x wcisn�� peda� przy�pieszenia do oporu, 4. wcisn�� i przytrzyma� peda� hamulca, 5. d wignia zmiany biegu pozycja N, 6. odpu�ci� peda� hamulca, 7. 2 x wcisn�� peda� przy�pieszenia do oporu, 8. d wignia zmiany biegu pozycja P, 9. 2 x wcisn�� peda� przy�pieszenia do oporu, 10. po potwierdzeniu systemu informacja na wy�wietlaczu Multi – info uruchomi�

silnik.

Rys. 2. Wizualizacja uruchomienia procedury trybu ja�owego silnika spalinowego [5]

2. DIAGNOSTYKA NAP�DU ELEKTRYCZNEGO W POJE�DZIE HYBRYDOWYM

W�ród ogólnie znanych wcze�niej uk�adów na pok�adzie pojazdu hybrydowego znajduje si� nadrz�dny uk�ad „sterowanie hybrydowe” zarz�dzaj�cy moc�, poprawnym funkcjonowaniem zespo�u silników oraz dystrybucja nap�du. Komunikacj� z jego zasobami mona uzna� za g�ówny cel testu poniewa informacje w nim zawarte s� podstaw� do oceny kondycji uk�adu synergii. W trakcie badania system identyfikuje usterki i moe wygenerowa� chociaby takie b��dy jak:

P3009 - "Leak detected", oznacza �ciek� wycieku/zwarcia obwodu wysokiego napi�cia do obudowy. Jest to informacja o wzro�cie poziomu rezystancji, w jednej b�d wielu komórkach akumulatora wysokowoltowego. Taki b��d w sposób bezpo�redni okre�la usterk� wysokowoltowego akumulatora. Umoliwia postawienie diagnozy, czy bateria zosta�a uszkodzona np. podczas kolizji pojazdu. P3011 do P3029 - usterka blok baterii.

494 Pawe� Olszowiec, Miros�aw Luft

Akumulator wysokowoltowy sk�ada si� z 38 modu�ów fizycznych, kady zawiera 6 komórek. Dla celów samo diagnozy baterii sterownik zarz�dzaj�cy energi� stale monitoruje stan akumulatora w 19 blokach pomiarowych. Kody b��dów przewidziane w systemie dla powyszych bloków zawieraj� si� zakresie od DTC P3011 do P3029).

Jedn� z do�� cz�sto powtarzaj�cych si� usterek pojazdów pe�no hybrydowych jest przepalenie uzwojenia trójfazowego silnika elektrycznego MG1 (rys.3) wynikaj�ce z uszkodzenia uk�adu ch�odzenia i przekroczenia temperatury.

Rys. 3. Widok uszkodzenia uzwojenia silnika MG1[ materia� w�asny]

Uszkodzenie tego typu niestety nie b�dzie jednoznacznie zidentyfikowane podczas diagnostyki szeregowej, poniewa system odnotuje w pierwszej kolejno�ci uszkodzenie uk�adu ch�odzenia. Taka awaria wymaga diagnostyki punktowej oraz ingerencji mechanicznej w uk�ad, a tu instrukcje producenta s� jednoznaczne, i niedopuszczalne jest poddawanie komponentów uk�adu wysokiego napi�cia regeneracji. W pojazdach wyposaonych w technologi� Full Hybrid cz�st� jest take usterka uk�adu klimatyzacji. Wynika ona z b��dnej obs�ugi uk�adu nieuwzgl�dniaj�cej, i w pojazdach tych stosuje si� elektryczne spr�arki wysokonapi�ciowe, które nie s� zalene od pracy silnika spalinowego. Taka koncepcja nap�du umoliwia zachowanie wysokiego komfortu w poje dzie poprzez utrzymanie dzia�ania klimatyzacji bez wzgl�du na prac� silnika spalinowego. Klimatyzacja postojowa jest moliwa wy��cznie w zaleno�ci od dost�pnej mocy akumulatora. Obecnie stosowane spr�arki wysokonapi�ciowe s� sterowane przez odpowiedni� adaptacj� pr�dko�ci obrotowej w krokach co 50 obr/min. Mona w ten sposób zrezygnowa� z systemowej regulacji mocy. W przeciwie�stwie do stosowanego z regu�y w przypadku spr�arek nap�dzanych od silnika spalinowego uk�adu t�okowego, w kompresorze zastosowano �limakowy zespó� spr�ania. Nowe rozwi�zanie to kompresor Denso ES27C nap�dzany trójfazowym silnikiem indukcyjnym zasilanym napi�ciem 288V z przetwornic� umoliwiaj�c� prac� spr�arki na zasilaniu z baterii pok�adowych. Dlatego te olej stosowany w kompresorach elektrycznych to ND-OIL 11, nie maj�cy nic wspólnego z obecnymi olejami do klimatyzacji. Olej ten posiada w�a�ciwo�ci dielektryczne i pozwala na prac� uzwojenia silnika kompresora w otoczeniu czynnika ch�odniczego, który przez niego przep�ywa. Toyota i Lexus ostrzegaj� nie tylko przed stosowaniem innych olejów, ale i zwracaj� uwag� na przestrzeganie odpowiedniej ilo�ci

Niekonwencjonalne usterki pojazdów hybrydowych 495

oleju w uk�adzie, którego nadmierna ilo�� moe uszkodzi� uk�ad. Informacje tych producentów wskazuj�, e nawet 1% oleju innego ni ND-OIL11 podany do uk�adu moe prowadzi� do uszkodze� kompresora (rys.4). Uywanie innych smarów moe spowodowa� naruszenie izolacji elektrycznej. Niew�a�ciwy olej moe przyczyni� si� równie do powstania wy�adowa� elektrycznych i �uków przelotowych uszkadzaj�c izolacj� wysokiego napi�cia. Wy�adowanie elektryczne w uk�adzie HV powoduje, i system wy��cza si� ze wzgl�dów bezpiecze�stwa, a pojazd zatrzymuje si�.

A) B)

�Rys. 4. Widok kompresora Toyota Prius II generacja (A) oraz tabliczka znamionowa z informacja

o rodzaju czynnika ch�odniczego oraz rodzaju oleju (B) [materia� w�asny]

3. ZASADY OBS�UGI POJAZDÓW HYBRYDOWYCH

Uk�ad hybrydowy zasilany jest obwodem wysokiego napi�cia, wiec niezachowanie procedury diagnostycznej moe by� przyczyn� poraenia pr�dem lub poparzenia. Podczas obs�ugi serwisowej takiej jak monta i demonta elementów, kontrola lub wymiana podzespo�ów konieczny jest demonta z��cza serwisowego baterii wysokowoltowej (rys.5). Jednake podczas tego dzia�ania konieczne jest zachowanie kolejno�ci czynno�ci diagnostycznych. Wyj�cie z��cza diagnostycznego powoduje skasowanie kodów usterek z wszystkich sterowników znajduj�cych si� na pok�adzie samochodu, dlatego te przed rozpocz�ciem czynno�ci naprawczych zalecane jest wykonanie odczytu pami�ci sterowników. Równie istotnym w zachowaniu procedury diagnostycznej jest fakt, i modu� steruj�cy moc� zapami�tuje ci�gle aktualny tryb mocy i przechowuje go w swojej pami�ci. Dlatego je�li zasilanie sterownika zarz�dzaj�cego energi� zostanie przerwane z powodu np. wymiany akumulatora 12V, istnieje niebezpiecze�stwo uruchomienia pojazdu po ponownym pod��czeniu zasilania. Z tego wzgl�du przed od��czeniem akumulatora 12V naley wy��czy� wszystkie systemy mog�ce spowodowa� niekontrolowane uruchomienie pojazdu, naley do nich mi�dzy innymi uk�ad klimatyzacji.

496 Pawe� Olszowiec, Miros�aw Luft

Rys. 5. Z��cze serwisowe Toyota Prius [5]

Przy obs�udze aut powypadkowych, cz�stym problemem jest ca�kowity brak moliwo�ci wykonania diagnostyki szeregowej bazuj�cej na szeregowym po��czeniu diagnoskopu, gniazda diagnostycznego i sterownika wybranego systemu. Na podstawie analizy dokumentacji technicznej producenta systemu Toyota Hybrid System przeprowadzonej w laboratorium Eksploatacji i Diagnostyki �rodków Transportu, ten stan rzeczy wynika z faktu, i przy zderzeniu pierwszego stopnia, gdy zadzia�a� tylko napinacz pasa bezpiecze�stwa, otwarte zostaj� przeka niki zabezpieczaj�ce. Ten proces jest odwracalny. Oznacza to, e po wy��czeniu i w��czeniu zap�on przeka niki zabezpieczaj�ce mog� zosta� z powrotem zamkni�te. Gdy przy zderzeniu drugiego stopnia zadzia�a�y napinacze pasów bezpiecze�stwa i poduszki bezpiecze�stwa, od��czenie akumulatora wysokowoltowego od instalacji wysokowoltowej jest nieodwracalne. Oznacza to, e przeka niki zabezpieczaj�ce nie mog� zosta� z powrotem zamkni�te przez wy��czenie i w��czenie zap�onu. Czynno�� t� naley wykona� za pomoc� testera. Poduszki bezpiecze�stwa które zadzia�a�y s� dla ratowników znakiem, e podczas zderzenia prze��czniki zabezpieczaj�ce zosta�y otwarte, a wi�c instalacja wysokowoltowa jest od��czona od akumulatora wysokowoltowego.

4. WNIOSKI

Zawrotne tempo wprowadzania przez producentów nowych modeli pojazdów oraz implementacja do nich wysoce z�oonych systemów od pewnego czasu jest powodem wyst�powania usterek które ujawniaj� si� dopiero w procesie eksploatacji, a nie w czasie prób i projektowania. Przyk�ady takich usterek zosta�y opisane w powyszym artykule jako b��dy mi�dzysystemowe oraz jako dysfunkcja systemu nie potrafi�cego zidentyfikowa� oddzia�ywania uk�adów mechanicznych na siebie. W materiale zwrócono uwag�, i przy zachowaniu zasad bezpiecze�stwa badania pojazdu dwu silnikowego oraz przy znajomo�ci budowy uk�adów hybrydowych moliwa jest diagnostyka opisanych pojazdów przy uyciu klasycznych diagnoskopów. Zastosowanie uniwersalnych urz�dze�, takich jak KTS570 lub CDIF2 umoliwia równie rozszerzenie klasycznych testów diagnostyki szeregowej

Niekonwencjonalne usterki pojazdów hybrydowych 497

o badanie punktowe czujników i elementów wykonawczych. Technika ta jest nieocenionym rozwi�zaniem dla nieokre�lonych b��dów i niejednoznacznych procedur naprawczych (rys. 6).

Rys. 6. Okno programu CDIF2 obs�uguj�cego pojazdy hybrydowe [materia� w�asny]

Bibliografia

1. Merkisz J., Pielecha I. Alternatywne nap�dy pojazdów, rok: 2006, ISBN: 978-83-7143-260-6, Wydawnictwo Politechniki Pozna�skiej.

2. Praca zbiorowa BOSCH Nap�dy hybrydowe, ogniwa paliwowe i paliwa alternatywne rok: 2010 ISBN: 978-83-206-1772-6 seria Informatory techniczne Bosch.

3. Lexus RX 400h Nr publikacji: NCF278E rok: 2005. 4. Haynes Repair Manual Toyota Prius 2001-2008 rok 2010 Wydawnictwo Haynes UK. 5. Repair and Maintenance Toyota Prius rok: 2010, Bentley Publishers.

UNCONVENTIONAL DEFECTS OF HYBRID VEHICLES

Summary: The article discusses the unusual and unconventional defects of hybrid vehicle damage reported at authorized services and non-members. The material is a description of the diagnostic procedures and tools for a proper diagnosis and effective repairs while maintaining safety procedures on vehicles with electric drive - internal combustion. Keywords: unconventional fault, diagnosis serial, trouble code�