Увеличение ёмкости батареи Prius Prime ZVW52

Штатная батарея ZVW52

Для американского Prius Prime 2020 Toyota указывает литий-ионную батарею на 351,5 В и 8,8 кВт·ч; в брошюре её масса составляет 265 lb, или примерно 120,2 кг. [8] В японском руководстве по снятию и утилизации батареи ZVW52 указано около 122 кг. В техническом сравнении Toyota для прежнего и следующего PHEV-поколений приведено по 129 кг. Эти значения получены из разных документов и условий. Их нельзя считать точной массой конкретного VIN без выяснения рынка и методики взвешивания. [1] [2]

Высоковольтный блок расположен сзади, за задними сиденьями и под полом багажника. В процедуре Toyota перед снятием убирают напольные панели и багажные секции, демонтируют часть задней отделки и сидений, отсоединяют соединения и извлекают блок через багажную дверь. Это описание компоновки, а не руководство к работе с высоковольтной системой. [1]

Руководство владельца показывает воздухозаборы у спинки заднего сиденья и предупреждает, что их перекрытие может ограничить заряд и разряд батареи. Для Prime 2017–2020 Toyota также выпустила бюллетень обслуживания фильтра, вентилятора и воздуховода. В ZVW52 применяются воздушный поток и отдельный электрический нагреватель. Функция охлаждения перед зарядкой использует систему кондиционирования автомобиля. Это не та же конструкция, что хладагентная охлаждающая пластина, описанная Toyota для Prius PHEV следующего поколения. [1] [2]

Toyota Technical Review для PHV 2017 указывает 95 ячеек по 25 Ah; масса одной ячейки составляет 720 г, размеры приведены как 148 × 26,5 × 91 мм. Panasonic отдельно подтверждает применение своих автомобильных призматических литий-ионных батарей в Prius PHV 2017. Данные по внутренней конструкции 2017 года применяются здесь к Prime 2020 с оговоркой: тождество батарей двух лет подтверждено владельцем проекта и согласуется с каталогами узлов, но отдельный разбор конкретной батареи 2020 года не представлен. [3] [4]

Опубликованные размеры не полностью согласуются: другой архивный материал Toyota/AABC приводит высоту 105 мм вместо 91 мм. Причина может быть в границах измерения, но подтверждения этому нет. Поэтому при примерке нужно измерять сами ячейки и учитывать выводы, изоляцию, прижим, зазоры и ориентацию. Сумма объёмов геометрических параллелепипедов не показывает, поместится ли готовая сборка в штатный корпус.

Напряжение и зарядка

Номинальные 351,5 В относятся к батарее. Toyota описывает преобразователь, который повышает напряжение для инвертора до 600 В. Это значение относится к шине после преобразования и не задаёт допустимый максимум батарейного входа. В рассмотренной документации Toyota полный диапазон напряжения батареи на входе силовой электроники не опубликован. Вторичный анализ MarkLines оценивает напряжение выводов при полном заряде примерно в 351–399 В; эту оценку нельзя выдавать за официальный предел Toyota. [11] [1]

Диагностические значения после boost, отображаемый диапазон PID и пороги кодов неисправности также не раскрывают рабочие пределы батареи. Для проверки проекта нужны данные именно по батарейному напряжению, току и допустимым режимам PCU в движении, рекуперации и зарядке. Близкого номинального напряжения новой сборки недостаточно: должны совпасть весь диапазон напряжения, ограничения ячеек, защита и мощность рекуперации.

У японского Prius PHV ZVW52 существовала заводская быстрая зарядка CHAdeMO. Toyota указывала заряд примерно до 80% и около 20 минут при условиях источника. В американском руководстве Prime 2020 указано, что эту машину нельзя заряжать постоянным током. [7] Поэтому японская комплектация показывает, что интеграция DC-зарядки существовала на платформе, но не доказывает наличие такого оборудования на североамериканском автомобиле и не задаёт мощность зарядки в киловаттах. [10] Ретрофит потребовал бы проверки порта, высоковольтной проводки, защитных блокировок и управления. [1]

Сколько энергии нужно

Владелец оценивает свой сценарий как 77–103 км за 3–4 дня при расходе 15–22 кВт·ч на 100 км. Простое умножение даёт примерно 11,6–22,7 кВт·ч энергии на колёсах до учёта резервов, потерь зарядки, холода, деградации и ограничений доступного заряда. Это диапазон для конкретного профиля, а не паспортная характеристика автомобиля.

Окно 15–92% SOC, упомянутое владельцем, соответствует 77 процентным пунктам шкалы. Оно не подтверждает, что батарея отдаёт ровно 77% номинальной энергии или что такой диапазон безопасен для другой химии. Если лишь для иллюстрации умножить ёмкость на 0,77, то 15 кВт·ч дадут 11,55 кВт·ч, а 20 кВт·ч дадут 15,4 кВт·ч. При расходе 15–22 кВт·ч/100 км это около 52–77 км и 70–103 км соответственно. Эти цифры не служат прогнозом запаса хода.

Верхняя граница поездки, 103 км при 22 кВт·ч/100 км, требует около 22,7 кВт·ч полезной энергии. Если условно сохранить долю использования 77%, для этого понадобилось бы около 29,5 кВт·ч номинальной ёмкости. Такой расчёт показывает чувствительность результата к поездочному расходу; он не доказывает, что именно такой батарейный блок можно разместить или подключить.

Варианты для дальнейшей оценки

Ячейки повышенной ёмкости в штатной задней зоне

Наиболее предметно в исходном исследовании разобрана призматическая NMC-ячейка EVE M21-V1.2. В копии спецификации, размещённой сторонним сайтом, указаны 59 Ah, номинальные 3,74 В, диапазон 2,8–4,3 В и масса около 888 г. Прямая актуальная спецификация от EVE и происхождение возможной партии не подтверждены. На этих номиналах расчёт для 94 ячеек последовательно даёт около 20,7 кВт·ч, для 95 ячеек расчёт даёт около 21,0 кВт·ч. Это арифметика по паспортным величинам, а не подтверждённая конфигурация автомобиля. [5]

При 4,3 В на ячейку верхняя граница составила бы 404,2 В для 94s и 408,5 В для 95s. Оба числа выше вторичной оценки 399 В для штатного блока при полном заряде. Это расхождение само по себе не отвечает, совместима ли сборка: неизвестны точный предел батарейного входа PCU и полезная ёмкость EVE при ограничении верхнего напряжения. Эти параметры нужно подтвердить до выбора числа ячеек.

В той же копии EVE приведены разные токи в зависимости от температуры и уровня заряда; это пределы отдельной таблицы, а не автоматически рекомендуемый профиль зарядки. Для CATL 28 Ah LFP ячейки каталог производителя приводит размеры 26 × 148 × 95 мм и массу 0,73 кг, но полного паспорта с кривыми напряжения и тока по температуре в каталоге нет. Сравнивать ячейки нужно по полным условиям зарядки, разряда и рекуперации, а не по одному C-rate. [6]

Удвоение штатных 25-Ah ячеек в расчётной схеме 95s2p дало бы около 17,6 кВт·ч gross, но потребовало бы 190 ячеек. Только активные элементы весили бы около 136,8 кг, примерно вдвое больше массы штатных ячеек. Это контрольный расчёт, не рекомендуемая схема: он не учитывает новый корпус, шины, изоляцию, защиту и тепловой режим.

Готовая батарея другого поколения или модели

Toyota сравнивает PHEV Gen4 и Gen5: 8,8 и 13,6 кВт·ч, 95 и 72 ячейки, 25 и 51 Ah. В таблице для обоих блоков приведено 129 кг; в Gen5 описана новая структура охлаждения с использованием контура кондиционирования. Это хороший пример повышения плотности компоновки, но не доказательство совместимости Gen5-батареи с ZVW52. Отличаются последовательность ячеек, напряжение, батарейное управление, зарядная система и тепловая интеграция. [2]

Цельные батареи RAV4 PHEV также нельзя выбирать только по ёмкости или напряжению с маркировки. Нужны габариты, масса, охлаждение, диапазон напряжения и способ обмена данными с автомобилем. Для каждой такой замены оценивается вся система: pack, BMS, PCU, зарядка, межблокировки и механическое крепление.

Масса, объём и тепловая компоновка

Из массы штатной батареи около 120–122 кг и расчётной массы 95 ячеек по 720 г получается примерно 52–54 кг на корпус, крепления, силовые соединения, управляющие узлы, нагреватель и воздушный тракт. Это остаток между величинами из разных источников, а не взвешенная масса отдельных деталей.

Для европейского ZVW52 Toyota приводит объём батарейного блока 145 л. Это объём самого блока, а не свободная полость. Воздуховоды, вентилятор, фильтр, нагреватель, шины, зазоры и сервисный доступ занимают место. Поэтому геометрический объём новых ячеек не отвечает на вопрос, поместится ли конструкция. Требуется замер корпуса и автомобиля, проверка потока воздуха, креплений, защиты при столкновении и нагрузок на оси.

По той же причине масса пакета не получается простым прибавлением массы ячеек к неизменной OEM-цифре. Новые элементы могут потребовать другого прижима, шин, изоляции, датчиков, корпуса и охлаждения. Исходная оценка 20–21 кВт·ч в штатной нише остаётся направлением для макетирования, а не подтверждённой упаковкой. [9]

Что выяснить до выбора

1. Записать фактический расход и расход из сети на целевых поездках; определить, идёт ли речь о gross или полезной энергии.
2. Измерить нишу и штатный корпус, включая воздушные каналы, крепления и сервисные зазоры.
3. Получить по конкретному VIN батарейные пределы PCU: напряжение, ток разряда и рекуперации, допустимую мощность заряда, условия температурного снижения.
4. Запросить у изготовителя ячеек актуальный datasheet конкретной ревизии, температурные кривые, серийность и ограничения по механическому прижиму.
5. Сравнить кандидаты по всему электрическому и тепловому диапазону, а затем оценить BMS, защиту, компоновку и массу системы.

Пока этих данных нет, следующий шаг, обоснованный имеющимися материалами, состоит в обмере штатной зоны и сборе логов автомобиля. Одновременно стоит запросить полный паспорт EVE M21 и сведения по OEM-ячейкам Toyota. Числа 20–21 кВт·ч для 94s/95s можно использовать как исследовательскую цель, но не как спецификацию для заказа. Верхнюю границу поездочного профиля нельзя считать покрытой без измерений.

Источники и границы сведений

Статья пересказывает технические сведения своими словами. Каталоги и руководства относятся к разным рынкам и годам. Расчётные значения помечены как оценки; вторичные и неполные спецификации не представлены как одобрение производителя. Метаданные источников.

1. Toyota: PHV ZVW52 battery removal and recycling manualПроцедуры снятия, масса и компоновка; применимость японской версии.
2. Toyota Technical Review Vol.69 No.1Страницы 10–11, сравнение PHEV Gen4 и Gen5.
3. Toyota Technical Review Vol.65Table 2 и система Prius PHV 2017.
4. Panasonic: batteries adopted for the 2017 Prius PHVРелиз поставщика от 28.02.2017.
5. EVE M21-V1.2 specification copyСторонняя копия, помечена как конфиденциальная; актуальность и происхождение не подтверждены напрямую изготовителем. Только для предварительной оценки.
6. CATL overseas commercial brochure, 2022Страницы 17–18; каталог не содержит полного datasheet ячейки.
7. Toyota Prius Prime 2020 Owner's ManualИспользованная копия руководства; воздухозабор, нагрев/охлаждение и ограничения зарядки.
8. Toyota Prius Prime 2020 eBrochureСША, раздел Traction Battery.
9. Toyota T-SB-0062-20Prime 2017–2020, обслуживание фильтра/вентилятора HV battery intake.
10. Toyota: launch of redesigned Prius PHV in JapanЯпонская спецификация ZVW52 и quick charge.
11. MarkLines: Prius PHV ZVW52 onboard charger benchmarkВторичная оценка voltage at full charge; не предел Toyota.