◆文/深圳 汪學(xué)慧 汪貴行

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及檢測案例分析（上）

◆文/深圳 汪學(xué)慧 汪貴行

汪貴行

(本刊編委會(huì)委員)

長期在汽車運(yùn)用與檢測的第一線工作，1984年起被交通部門指派長期在伊拉克、也門等多個(gè)阿拉伯國家工作，負(fù)責(zé)機(jī)務(wù)技術(shù)并兼高級電氣工程師。1995年起在深圳市特發(fā)華日豐田汽車公司從事技術(shù)工作，2009年退休后到深圳市通達(dá)汽車培訓(xùn)學(xué)校工作，是深圳市現(xiàn)代汽車新技術(shù)及電動(dòng)汽車的主要授課老師之一。從1998年起至今，連續(xù)十六年被深圳市廣播電臺(tái)交通臺(tái)、中央人民廣播電臺(tái)“華夏之聲”電臺(tái)的汽車節(jié)目聘為特約嘉賓。2014年3月，在“香港之聲”宣傳電動(dòng)汽車的應(yīng)用，得到廣大車友的積極關(guān)注與好評。2013年，由深圳市科技部門推薦，主要工作業(yè)績被選編在“特區(qū)人物志”中。

當(dāng)前在商業(yè)化運(yùn)行的純電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車上，實(shí)際使用的高壓動(dòng)力電池主要有兩類：一類是鎳氫電池，另一類是磷酸鐵鋰電池。如豐田車系的雷克薩斯、皇冠及普銳斯，以及別克君越、本田思域等混合動(dòng)力汽車，均使用鎳氫電池；如比亞迪e6、K9、秦和唐等純電或混動(dòng)車型，以及國內(nèi)其他電動(dòng)汽車大多采用磷酸鐵鋰電池。全球著名的特斯拉純電動(dòng)汽車，使用的也是一種鋰電池—鈷酸鋰電池，也被稱作三元電池。在深圳市商業(yè)運(yùn)行的電動(dòng)汽車中，行駛最早的如豐田普銳斯車型已有14年多，一般較普及的電動(dòng)公交大客車如五洲龍牌油電混合公交車，以及比亞迪純電動(dòng)出租車e6和大客車K9等，也有6年多的行駛年齡。這些車型上的高壓蓄電池及相關(guān)裝置，經(jīng)過長期使用已逐步進(jìn)入維修期。我們在實(shí)際維修中，陸續(xù)遇到了高壓電池及其控制裝置的各類故障，對它們的維修獲得了一定的認(rèn)知。以下就鎳氫電池和鐵鋰電池這兩類高壓蓄電池的原理及特點(diǎn)，以及實(shí)際維修案例中遇到的檢測技術(shù)等問題，作具體的介紹分析。

一、高壓動(dòng)力電池的原理與特點(diǎn)

1.鎳氫電池

在美、日等發(fā)達(dá)國家的混合動(dòng)力汽車上，目前使用最多的是鎳氫電池。鎳氫電池的正極材料是氫氧化鎳(NiOH)，負(fù)極則是金屬氫化物，即為儲(chǔ)氫合金(MH)，電解液是30%的氫氧化鉀水溶液。這里所謂“儲(chǔ)氫合金”是指具有很強(qiáng)“吸收”氫氣能力的金屬鎳，其單位體積儲(chǔ)氫的密度可相當(dāng)于儲(chǔ)存1 000個(gè)大氣壓的高壓氫氣。儲(chǔ)氫合金的關(guān)鍵在于能穩(wěn)定的儲(chǔ)氣和放氣，其工作原理是利用水的氫離子移動(dòng)反應(yīng)來獲得電流，這時(shí)氫氣在負(fù)極上被逐漸消耗掉。鎳氫電池的電極反應(yīng)為下式，式中e指帶電的電子。

正 極 ：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e

負(fù)極：M+H2O+e=MHab+OHNi(OH)2+M=NiOOH+MHab

鎳氫電池是在鎳鎘電池基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，但鎳鎘電池中有重金屬鎘，對環(huán)境有重度污染，所以鎳鎘電池在發(fā)達(dá)國家目前均已限制發(fā)展和使用。鎳氫電池則不存在重金屬污染問題，而且鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都優(yōu)于鎳鎘電池，故被稱之為“綠色”電池。其主要特點(diǎn)有：

(1)電池的比能量較高，即單位質(zhì)量的能量密度較大，鎳氫單體電池的額定電壓為1.2V，通常由六個(gè)或十個(gè)單體電池構(gòu)成一塊電壓為7.2V或12V的電池組，豐田普銳斯混合動(dòng)力車型上就用了這種7.2V一節(jié)的電池(圖1)，電容量為6.5Ah,實(shí)測每節(jié)外形尺寸為274×106×20mm3，質(zhì)量為1.1kg，有28節(jié)串聯(lián)共計(jì)201.6V。鎳氫電池的比能量超過70Wh/kg，車輛一次充電可續(xù)駛里程較長，適合在電動(dòng)汽車上使用。同時(shí)其比功率可達(dá)200W/kg，在車輛加速或爬坡時(shí)輸出大電流，能平穩(wěn)持續(xù)放電來提供大功率。同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)快速放電和充電，電池耐過充和耐過放的能力均較強(qiáng)。

(2)鎳氫電池在放電和充電過程中，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，電解液不會(huì)出現(xiàn)增加或減少的現(xiàn)象，不需調(diào)節(jié)電解液的密度，故電池本身可以采取密封結(jié)構(gòu)，電池能實(shí)現(xiàn)免維護(hù)保護(hù)。

(3)所謂電池的“記憶效應(yīng)”是指如果電池每次沒有放完電，如只放出40%，那么長期使用后，剩下的60%容量就無法放出，這就大大縮小了電池的儲(chǔ)存電容量，直接影響電池的使用。但鎳氫電池基本上不存在記憶問題，不要求100%放完電后才允許充電，能做到隨放隨充，極大地方便了電動(dòng)汽車的充放電。即便鎳氫電池在空置狀態(tài)下放置一年，再充電時(shí)仍可恢復(fù)原容量97%以上電量，基本上與新電池一樣。如在較長放置時(shí)有意讓電池內(nèi)部存有一部分電，則電池的恢復(fù)儲(chǔ)電能力可更快更高。

(4)鎳氫電池與鎳鎘電池比較，不存在鎳鎘電池中的金屬鎘對環(huán)境有重度污染的問題。鎳氫電池還可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。電池安全可靠，使用壽命長，循環(huán)充放電的次數(shù)可達(dá)3 000次以上，市場實(shí)際使用證明其壽命容易超過十年。

(5)鎳氫電池的缺點(diǎn)則是存儲(chǔ)的電壓較低，能量密度也偏低，當(dāng)前的價(jià)格相對較高；電池的均勻性較差，特別是在高速率、深放電的狀況下，單體電池之間的容量和電壓的差別較大；電池的自放電率較高；鎳氫電池使用最重要的是要避免過充電和過放電，溫度特性差，在45℃以上的高溫環(huán)境，或在低于0℃以下環(huán)境下，鎳氫電池將無法正常工作，電池容量與現(xiàn)實(shí)要求還有較大差距等問題，影響著氫鎳電池在電動(dòng)汽車上的廣泛使用。

圖1 豐田電動(dòng)汽車上的Ni-MH鎳氫電池組

2.磷酸鐵鋰電池

鋰離子蓄電池是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電的電池，比鎳氫電池更晚。其比能量大于氫鎳電池，能存儲(chǔ)更多的電能量，而且具有循環(huán)壽命長、自放電率小、電池?zé)o記憶效應(yīng)和不污染環(huán)境等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。其主要研究集中在大容量、長壽命和安全性三個(gè)方面，成為當(dāng)前能量存儲(chǔ)技術(shù)的熱點(diǎn)。其中磷酸鐵鋰離子電池(LiFePO4)成熟應(yīng)用在電動(dòng)汽車上。正極是呈橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰，電池負(fù)極是石墨，中間是聚乙烯或聚丙烯材料制成的隔膜板，電池中部的上下端間裝有有機(jī)電解質(zhì)，外殼由金屬材料密封。隔膜板可把正極與負(fù)極隔開，同時(shí)還在電池異常高溫時(shí)，隔膜板上的細(xì)孔起阻斷鋰離子通道的作用，可中止充電或放電反應(yīng)，有效防止電池外部短路電流過大時(shí)，反應(yīng)過激產(chǎn)生溫度過高的現(xiàn)象。

磷酸鐵鋰離子蓄電池其結(jié)構(gòu)如圖2所示，電池正極與鋁箔連接，負(fù)極則用銅箔相接，可直接與外電路連接。電池內(nèi)部鋰離子在正負(fù)極材料晶格中可自由擴(kuò)散，當(dāng)電池在放電時(shí)，鋰離子從石墨負(fù)極板層狀結(jié)構(gòu)中析出，通過隔膜板到達(dá)正極板，鋰離子的移動(dòng)就產(chǎn)生了電流；反之在充電時(shí)，鋰離子在電勢作用下從正極中脫出嵌入到石墨負(fù)極中。在電池充放電循環(huán)過程中，借助于電解液的作用，鋰離子在電池的兩極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鐵鋰電池的單體電池標(biāo)稱電壓是3.2V，充電終止時(shí)的最高電壓為3.6V，最大放電的電壓為2.0V。磷酸鐵鋰電池通常采用圓形卷繞式的“18650”型電池結(jié)構(gòu)，即電池直徑為18mm高度為65mm，目前最大容量為3 100mAh。圖3是18650型電池構(gòu)成的五洲龍電動(dòng)大巴的電池箱。

圖2 鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)

圖3 用圓形卷繞式單體電池構(gòu)成電池組

磷酸鐵鋰離子蓄電池的特點(diǎn)主要有：

(1)可實(shí)現(xiàn)高功率輸出，能量密度大，適合電動(dòng)大客車上使用。單體電池標(biāo)稱電壓為3.6V是鎳氫電池的3倍，容量和體積比鎳氫電池小得多。其充放電流的特性是大而快，按電池的容量安時(shí)數(shù)“C”值計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)充放電流為2～5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，10s的瞬間脈沖放電可達(dá)20C，可為車輛起步和加速瞬間提供足夠大的電流和驅(qū)動(dòng)功率，為電動(dòng)汽車的普及推廣使用帶來極大的方便。

(2)電池的溫度特性寬廣。鐵鋰電池可在環(huán)境為-20℃～75℃溫度下均能正常工作，電熱峰值可達(dá)350℃以上。由于電池內(nèi)部進(jìn)行充放電的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，外部環(huán)境溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則可達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時(shí)溫度甚至可達(dá)160℃！只要電池有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)降熱裝置，即可保證電池的正常使用。但實(shí)踐證明，在比亞迪或五洲龍電動(dòng)汽車上，高壓蓄電池箱沒有設(shè)置專門的風(fēng)扇降溫裝置，只依靠車輛行駛帶來的散熱效果，電池仍能正常使用。

(3)磷酸鐵鋰電池使用安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。鐵鋰電池的正極材料具有良好的電化學(xué)性能，有十分平穩(wěn)的充放電平臺(tái)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即使放電電壓到0時(shí)也絕對安全，電池安全性好。這種電池提倡使用恒壓恒流充電，當(dāng)3.2V電壓升到3.6V時(shí)應(yīng)停止充電，或者維持很小的充電電流；但當(dāng)鋰電池的電壓很低如2V以下時(shí)，也不宜大電流急充電，應(yīng)采用極小的涓流充電，這可有效地延長電池壽命。這里要指出的是，當(dāng)磷酸鐵鋰電池用過大電流充放電時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)持續(xù)升溫，活化過程中所產(chǎn)生的氣體會(huì)膨脹，當(dāng)電池內(nèi)壓力過大到一定程度時(shí)，會(huì)造成電池的密封鋁塑外殼出現(xiàn)鼓脹或破裂。由于電池管理系統(tǒng)有極可靠的保護(hù)措施，如對電流、溫度和電壓等參數(shù)監(jiān)測，對鐵鋰電池進(jìn)行極有效的保護(hù)，所以在使用過程中，甚至發(fā)生碰撞穿刺的極端情況下，幾乎都沒有爆炸的危險(xiǎn)。

2013年深圳市曾發(fā)生一輛比亞迪e6電動(dòng)出租車遭遇嚴(yán)重碰撞后，起火燃燒當(dāng)場死亡三人的惡性事故，后經(jīng)組織專家到現(xiàn)場檢測分析，電池只產(chǎn)生變形而造成電池短路引發(fā)起火，但電池的結(jié)構(gòu)仍完整，實(shí)踐證明磷酸鐵鋰電池確實(shí)不會(huì)爆炸。

(4)電池有較長的循環(huán)充放電壽命。按國標(biāo)規(guī)定，可充電電池的循環(huán)壽命測試，是以深充深放方式進(jìn)行的，即電池以恒流放電到電池額定容量1C值后，再以恒流恒壓方式充電到額定電壓，這個(gè)放電與充電過程稱為一個(gè)“循環(huán)”。磷酸鐵鋰電池在常溫下以1C電流充放電，單體電池經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%。經(jīng)2 000次循環(huán)后容量仍大于80%；其綜合循環(huán)可近2 400～3 000次，如果電動(dòng)車每天充電一次，電池連續(xù)使用可達(dá)8年。

(5)電池內(nèi)部只有膠態(tài)電解質(zhì)，不存在漏液現(xiàn)象。鐵鋰電池可設(shè)計(jì)成多種形狀，如可制成0.5mm超薄型的，甚至電池還可呈彎曲形狀，可用單顆電池采取多層組合形式，來輸出高電壓的組合電池，這可大大節(jié)省電池的體積。

(6)磷酸鐵鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)。當(dāng)電動(dòng)汽車在使用過程中，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)電量較少時(shí)，不論電量還存有多少，均可找就近的充電站進(jìn)行補(bǔ)充，能做到隨放隨充，不影響電池的性能，不要求100%放完電后才允許充電，極大地方便了駕駛者的使用。而像鎳鎘電池則嚴(yán)格要求第一次使用時(shí)，一定要用完電必須待充滿了電之后方能使用，這就是由于電池有記憶效應(yīng)而要求的。

(7)磷酸鐵鋰電池的主要缺點(diǎn)其一是生產(chǎn)過程中不可避免仍有鉛、砷、鎘、汞、鉻等重金屬污染的問題，集中報(bào)廢堆放后，仍會(huì)對周圍環(huán)境構(gòu)成較嚴(yán)重的污染，當(dāng)前仍以桶裝密封深埋為主。其二是電池的均勻一致性較差，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多相化學(xué)反應(yīng)，特別是正、負(fù)極和電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會(huì)有差異，會(huì)造成電池容量出現(xiàn)10%～20%的較大差異。其三是電池中含有鐵的成分，單質(zhì)鐵會(huì)引起電池的微短路，從而造成電池中最忌諱的放電反應(yīng)，使電池容量下降。其四是磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度較小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積較大，所以這種電池不適宜用于手機(jī)。其五是當(dāng)前這種電池的價(jià)格相對較昂貴，循環(huán)充放電次數(shù)也有待于提高，即期望的電池壽命超過十年或更長。

二、高壓動(dòng)力電池檢測維修案例

不論鎳氫電池或磷酸鐵鋰電池，其單體電池的能量和功率等性能，即電壓、電流和電功率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電動(dòng)汽車對動(dòng)力電源的使用要求，故實(shí)際使用的動(dòng)力電池均是成組集合應(yīng)用，通過串、并聯(lián)的方式，將單體電池組成電池組。但由于單體電池的原有性能差異，以及連接方式的一致性和環(huán)境溫度的差別，造成電池成組后達(dá)不到原有單體電池的性能水平，尤其是使用壽命甚至能縮短數(shù)倍，導(dǎo)致電池的使用和維護(hù)成本大幅度增加。所以在各種電動(dòng)汽車上，對電池的檢測顯得特別重要，并已向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化方向發(fā)展。當(dāng)前對每電池組的檢測，主要集中在對組合電池的工作電流、分節(jié)電壓和多點(diǎn)溫度等的監(jiān)測方面。

1. 動(dòng)力電池電流維修案例

一輛2010年購買的比亞迪F3DM混合動(dòng)力汽車，已正常行駛5年，超過100 000km，在一次高速公路行駛途中，突然發(fā)現(xiàn)該車儀表盤的顯示屏有紅色警報(bào)燈(圖4)。

圖4 比亞迪電池報(bào)警燈