吳 程

(1.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 無錫 214433;2.江陰中等專業(yè)學(xué)校科技協(xié)會,江蘇 無錫 214433)

在汽車加速駛向智能化、電氣化的時代,電池已經(jīng)成為重要的儲能設(shè)備。中國的新能源汽車總量已突破1 000 萬輛,根據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測,2022 年中國新能源汽車銷量相對2021 年將同比增長47%,未來會有更多動力電池應(yīng)用于電動汽車。新能源汽車的發(fā)展勢不可擋,但安全問題同樣需要引起行業(yè)重視。目前,新能源汽車的故障主要體現(xiàn)在動力電池、驅(qū)動電機(jī)與電控系統(tǒng)方面,因此,需要重視新能源汽車電池與管理系統(tǒng)的檢修。

人力資源社會保障部教材辦公室組織編寫的《新能源汽車電池與管理系統(tǒng)檢測與維修》系統(tǒng)地闡述了動力電池管理系統(tǒng)的工作原理、故障檢測和排除方法。全書一共分為4 個模塊:模塊一為動力電池與管理系統(tǒng)認(rèn)知,含2 個課題;模塊二為動力電池的檢修,含4 個課題;模塊三為動力電池管理系統(tǒng)的檢修,含6 個課題;模塊四為動力電池與管理系統(tǒng)故障診斷與評估,含3 個課題。

1 動力電池的電氣化趨勢及電池系統(tǒng)概述

新能源時代,電氣化是必然趨勢。當(dāng)前新能源汽車的電動化來源于動力電池,而電動化是電氣化的核心。整車級的電氣化架構(gòu),使新能源汽車可實現(xiàn)更高級別的自動駕駛、智能化。無線電池管理系統(tǒng)技術(shù)、熱管理技術(shù)、電池安全技術(shù)等都是動力電池電氣化發(fā)展的方向。

新能源汽車的動力電池系統(tǒng)包括動力電池和管理系統(tǒng)兩個部分。目前電動汽車上二次電池的主要類型有鋰離子電池、鎳氫電池和鉛酸電池等。鋰離子電池具有體積小、輕量化和高電壓化的特點,比傳統(tǒng)的二次電池壽命更長,應(yīng)用于現(xiàn)今大部分新能源車。鎳氫動力電池也有一定的應(yīng)用,混合動力汽車用的鎳氫電池已開發(fā)出圓形和方形兩種。鉛酸電池是成熟的新能源電池系統(tǒng),主要優(yōu)點是電壓較高(2.0 V)、制造成本低、高倍率放電性能好等;缺點是比能量低,質(zhì)量和體積較大,充電耗時較長,使用壽命短,同時由于鉛是重金屬,存在污染。

動力電池管理系統(tǒng)主要是通過監(jiān)控電池的狀態(tài)進(jìn)行對應(yīng)的控制調(diào)整和策略執(zhí)行,防止電池出現(xiàn)過充電和過放電,確保電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,延長電池的使用壽命。電池管理系統(tǒng)能實時監(jiān)控電池的電壓、電流、溫度等參數(shù),實現(xiàn)對電池的熱管理、均衡管理、高壓及絕緣測試等,并能測試電池剩余容量、充放電功率、荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)。電池管理系統(tǒng)一般包含4 項功能:①監(jiān)測功能;②電池狀態(tài)計算功能;③系統(tǒng)輔助功能;④通信與診斷(在線診斷與預(yù)警)功能。狀態(tài)管理主要包括電池狀態(tài)的監(jiān)測和評估。電池狀態(tài)的監(jiān)測包括電壓、電流和溫度的監(jiān)測等;電池狀態(tài)的評估包括剩余電量估算及電池老化評估等。

2 動力電池的檢修

對新能源汽車的動力電池檢修主要包括:動力電池的檢測與更換、動力電池模組的更換、動力電池的檢測與維護(hù)、動力電池高壓維修開關(guān)的檢測與更換。

動力電池的檢測主要是檢查電池外殼有無漏液和破裂等現(xiàn)象。對可以維修的進(jìn)行補(bǔ)修,對損壞嚴(yán)重的進(jìn)行更換,并且將電池表面清理干凈。需要注意的是,電池在更換前,要保證點火開關(guān)、空調(diào)、燈光等都處于關(guān)閉狀態(tài),拆卸時先拆負(fù)極電纜,再拆正極電纜。

動力電池需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜粘＞S護(hù),以確保持久耐用。①儲存過程中嚴(yán)禁失電。當(dāng)電池閑置時,應(yīng)每月充一次電,以保持電池健康。②定期檢查。如果電池組中的某只或某幾只電池出現(xiàn)了極板軟化、電池破損等短路現(xiàn)象,會直接影響電池的性能,應(yīng)及時進(jìn)行檢查、維修。③避免大電流放電,使動力電池極板的物理性能下降。

動力電池模組是由多個電池模塊或電池單體串聯(lián)或并聯(lián)組成的一個組合體。正確更換動力電池模組必須按步驟嚴(yán)格執(zhí)行。①車輛初步檢查。重點確認(rèn)駐車制動,N 檔狀態(tài);使發(fā)動機(jī)熄火,點火鑰匙保持在ON 檔,連接故障診斷儀,讀取故障碼;關(guān)閉點火開關(guān),鑰匙放在口袋內(nèi),避免他人誤操作通電,發(fā)生電氣事故。②高壓系統(tǒng)斷電及絕緣檢測。斷開電池負(fù)極;把負(fù)極極樁用膠帶覆蓋;斷開電源分配單元(PDU)控制電路35 針插件,在PDU 端安裝安全密封塞;檢查低壓控制線束插件外觀并完成拆卸;檢查低壓控制線束動力電池端插件狀況;檢查動力電池高壓線纜動力電池端插件外觀,測量動力電池端插座母線正負(fù)輸出端電壓,判斷繼電器模組是否正常斷開。③動力電池包拆卸。④安裝動電池包。最后接上診斷儀進(jìn)行診斷,如無故障,則說明更換正常。

高壓維修開關(guān)在電動汽車的安裝位置相對廣泛,包括車廂中部或車廂后部的扶手箱內(nèi),以及儲物箱內(nèi)等等。不同品牌的車及車型位置各有不同,需按照車輛維修手冊提示進(jìn)行查找。任何時候需要斷開高壓維修開關(guān)時,必須先斷開低壓12 V 電池。維修開關(guān)是新能源汽車的關(guān)鍵部件,但部分新能源電動汽車無此開關(guān)。目前國內(nèi)對于維修開關(guān)的研究還處在基礎(chǔ)階段。

3 動力電池管理系統(tǒng)的檢修

動力電池管理系統(tǒng)作為新能源車動力電池的控制中樞,發(fā)揮著對動力電池保護(hù)、監(jiān)測、電能有效輸出作出指揮和決策的作用。動力電池管理系統(tǒng)的檢修主要包括:信息采集器的檢測與更換、管理控制器的更換、電池安全保護(hù)元件的檢測與更換、熱管理系統(tǒng)的檢測與更換、均衡管理系統(tǒng)的檢測與均衡、電池安全保護(hù)系統(tǒng)的檢測。

電池信息采集器主要是對電池的電壓、溫度采樣,以及電池均衡、采樣線異常檢測等。

電池管理控制器的功能主要是充/放電管理、接觸器控制、功率控制、電池異常狀態(tài)報警和保護(hù)、SOC/SOH 計算、自檢和通訊等。引起電池管理控制器故障的原因主要是電源供電異常、控制器自身損壞或搭接不良等。確認(rèn)故障后,需要進(jìn)行更換,更換時需重新標(biāo)定電池容量和SOC。

常見的安全保護(hù)元件有正溫度系數(shù)(PTC)過流保護(hù)器、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏開關(guān)、保險絲(FUSE)。PTC 元器件主要是過大電流保護(hù),當(dāng)電流或溫度升高到一定限制時,使電流降至毫安級。NTC 元器件主要是對電路中的電流異常和溫度變化異常進(jìn)行快速感應(yīng),并通過對開關(guān)內(nèi)雙金屬片的跳脫控制,實現(xiàn)對電池的保護(hù),在鋰離子電池電路保護(hù)應(yīng)用中較為常見。NTC 熱敏開關(guān)金屬片跳脫后可能無法復(fù)位,導(dǎo)致電池組電壓無法工作。當(dāng)電池的溫度上升到額定值或者電路中電流超過額定值時,FUSE 熔斷,通過斷開電路來保護(hù)電池組。

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的功能主要是準(zhǔn)確測量和監(jiān)測動力電池的溫度。當(dāng)電池溫度高于限值時,要能及時有效地進(jìn)行散熱降溫,保持理想工作溫度;低溫條件下要能快速加熱,使電池處于能正常運行的溫度范圍內(nèi);確保動力電池系統(tǒng)溫度分布均勻,降低單體電池間的溫差,溫差不得大于5 ℃。對熱管理系統(tǒng)的檢測主要有:①冷卻風(fēng)扇低速檔不運轉(zhuǎn)的檢修;②PTC 加熱水泵不工作的檢修;③三通電磁閥的檢修。

動力電池均衡管理系統(tǒng)的作用主要是克服電芯的不一致性,即電化學(xué)反應(yīng)的不一致性。均衡方式分為被動和主動兩種。被動均衡主要是能量消耗型,把能量多的電芯通過一個小電阻給耗散掉。主動均衡的種類很多,本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)移。主動均衡分為集中式與分散式,集中式首先從整組的電池中獲取能量,然后通過電能轉(zhuǎn)化裝置向能量少的電池補(bǔ)充能量;分散式是在相鄰的電池之間布置一個儲能環(huán)節(jié),采用電感或電容,使能量在相鄰電池間流動,實現(xiàn)能量從多到少的傳遞。主動均衡的優(yōu)點是均衡電流大,能量耗散少,缺點是電路復(fù)雜,成本高,熱風(fēng)險較大。

電池安全保護(hù)系統(tǒng)主要是在硬件設(shè)計過程中,選擇高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻(PPTC)、FUSE 等被動保護(hù)器件,保護(hù)電子電路在各類復(fù)雜環(huán)境中的功能完整和安全,確保安全可靠地運行。

4 動力電池與管理系統(tǒng)故障診斷與評估

純電動汽車電池系統(tǒng)故障診斷的基本思路:①故障診斷儀器讀取數(shù)據(jù)。通過對讀取的電池組數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,確認(rèn)故障類型。如單只電池電壓是否異常:電壓過高會導(dǎo)致無法充電;電壓過低會開啟斷電保護(hù)。充電過程中,單只電池最高電壓應(yīng)低于3.8 V;行車過程中,單只電池電壓低于2.2 V 會斷電保護(hù),低于2.4 V 系統(tǒng)會報警。此外,還有單只電池溫度是否異常,溫度過高會導(dǎo)致無法充電(高于65 ℃有充電保護(hù))。②外觀及漏電檢測。檢查電池組外觀是否損壞、漏液,以及電池對外絕緣電阻檢測。③上電流程。確認(rèn)動力電池系統(tǒng)工作是否正常。

混合動力汽車由于設(shè)計有電力和內(nèi)燃機(jī)的雙重動力結(jié)構(gòu),在故障診斷過程中,既要檢查內(nèi)燃機(jī)的動力系統(tǒng),又要檢查電力驅(qū)動系統(tǒng)。常見的故障主要包括因電力系統(tǒng)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)不能驅(qū)動,或電力驅(qū)動系統(tǒng)失效的故障癥狀。驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)常見的故障有:①變頻器本身故障;②變頻器溫度傳感器故障或控制電機(jī)溫度過高;③控制電機(jī)角度傳感器故障等。

新能源汽車用動力電池性能衰退將導(dǎo)致電池系統(tǒng)性能的下降、故障率提升,運行成本和維護(hù)成本顯著增加。對動力電池的SOH 進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確評價,對延長動力電池使用壽命以及提高系統(tǒng)運行的安全性和可靠性具有重要意義。目前動力電池系統(tǒng)配置的電池管理系統(tǒng)大都具備SOH 估計功能,在明確動力電池系統(tǒng)SOH 定義的前提下,采用電池參數(shù)當(dāng)前值與初始值的比值,來衡量電池系統(tǒng)的健康程度。由于動力電池電化學(xué)體系的復(fù)雜性,僅選取單一參數(shù)無法正確地評價電池的SOH,因此在充分研究總結(jié)電池容量、能量等參數(shù)隨老化狀態(tài)的變化特性的基礎(chǔ)之上,提出五大參數(shù):放電容量保持率、放電能量保持率、能量效率保持率、峰值功率保持率、直流內(nèi)阻變化率。

5 結(jié)語

《新能源汽車電池與管理系統(tǒng)檢測與維修》一書系統(tǒng)介紹了新能源汽車動力電池類型、結(jié)構(gòu)原理、檢測和故障排除方法等,指導(dǎo)對動力電池管理系統(tǒng)的故障檢測及排除,對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行拆裝、檢測和故障排除,具有較高的參考價值。本書內(nèi)容豐富、理論結(jié)合實際、實用性強(qiáng)、可讀性強(qiáng),適用于全國技工院?；蚵殬I(yè)院校新能源汽車檢測與維修專業(yè)的教學(xué)使用,也可作為新能源汽車技術(shù)人員培訓(xùn)教材及參考用書。

書名:新能源汽車電池與管理系統(tǒng)檢測與維修

作者:人力資源社會保障部教材辦公室 編著

ISBN:9787516750186

出版社:中國勞動社會保障出版社

出版時間:2022-04

定價:￥40.00 元