电动汽车动力电池及检测案例分析（下）

◆文/深圳　汪学慧　汪贵行

电动汽车动力电池及检测案例分析（下）

◆文/深圳汪学慧汪贵行

汪贵行

(本刊编委会委员)

长期在汽车运用与检测的第一线工作，1984年起被交通部门指派长期在伊拉克、也门等多个阿拉伯国家工作，负责机务技术并兼高级电气工程师。1995年起在深圳市特发华日丰田汽车公司从事技术工作，2009年退休后到深圳市通达汽车培训学校工作，是深圳市现代汽车新技术及电动汽车的主要授课老师之一。从1998年起至今，连续十六年被深圳市广播电台交通台、中央人民广播电台“华夏之声”电台的汽车节目聘为特约嘉宾。2014年3月，在“香港之声”宣传电动汽车的应用，得到广大车友的积极关注与好评。2013年，由深圳市科技部门推荐，主要工作业绩被选编在“特区人物志”中。

(接上期)

该车出现电池警告灯报警后，立即到专业4S店报修。凭借维修电动汽车的经验证明，一般使用5～6年、行驶里程达100 000km以上的车辆，电流互感器出现故障的频率较高，故首先怀疑是霍尔式电流互感器出现了故障。同样采取对比法来判断，即用性能良好的电流互感器取代怀疑已出现故障的电流互感器。将电动汽车上电后，动力电池就可给驱动电机正常供电，再没有出现电池警告灯，故障得以排除车辆恢复正常，表示此故障确为电流互感器损坏造成的。

该车使用的直流电流互感器是霍尔式的，利用霍尔片状晶体按安培定律原理制成，是一种可直接检测动力电池工作电流的器件。检测电流对高压电池是极其重要的，电动汽车上多采取“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器(图5)。通过对比法和具体检测分析后，证实此传感器的运算放大器已损坏。这种传感器采用非接触式检测主电流，检测时不会影响被测电流的大小，也不消耗被测电源的功率，只需将被测的主电流导线空心穿过传感器磁环即可进行测量。

图5　霍尔磁平衡式电流传感器

“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器的工作原理如图6所示。传感器有一个带缺口的圆型磁心，所谓“磁平衡补偿式”是被测的主电流穿过圆形磁心时会在磁环上产生磁场，图上用紫色电流表示主电流Ip，在磁环上亦用带箭头的紫色虚线表示主电流磁场。再利用绕在磁心上的多匝线圈，图上用红色线圈表示补偿线圈通电Is，当Is电流通过时也会产生用红色虚线表示的磁场。当主电流磁场与补偿线圈磁场这两个磁场大小相等方向相反时，在铁心的缺口处形成的合成磁场将相互抵消，结果合成磁场为零，可见次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等的。这时补偿绕组中的电流Is正比于被测主电流Ip，即可利用Is检测Ip的大小。图中的运算放大器用于自动调节Is大小。当补偿电流通过电阻R时，则会产生信号电压，这个信号电压能检测出主电流Ip的大小。

图6　“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器原理图

霍尔电流传感器能快速、精准地检测主电流的变化。电动汽车的起步或运行时，是依靠高压电池提供电能，向驱动电机输出电流以使汽车产生动力。当电动汽车工况不同时，行驶阻力会发生变化，车辆行驶时的电流常为100～200A，起步瞬间可高达1 000A。与此同时，动力电池输出的主电流Ip也会快速变化，一旦“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器的磁场平衡受到破坏，霍尔传感器立即有信号输出，会重新进行自动调节补偿，以达到新的平衡。这个平衡过程是极快的，从磁场失衡到再次平衡，所需的时间只需1μs，完全可满足车辆行驶的快速变化对精准检测的要求。

霍尔式电流互感器与普通的传感器不同，需要输入一定的工作电压才能反映出所检测的工作电流值。所以霍尔式电流互感器上共有四条线：+VC和-VC分别为+15V及-15V，另有传感信号输出线和搭铁线。

霍尔式电流互感器电路复杂，更换成本较高。比亚迪F3DM混合动力汽车上使用的电流互感器原装是英国的产品，型号为CSNK500M，在香港的市场价为每个200美元左右，折合人民币1 300元。单独检测霍尔式电流互感器的性能好坏，需要模拟极大的直流电流负荷，检测条件和设备都比较复杂且昂贵，当前汽车维修厂根本不具备这些技术和条件。

2.动力电池温度传感器维修案例

镍氢电池或磷酸铁锂电池在充、放电的化学反应过程中，均会产生热量，造成动力电池温度上升和环境湿度变化的现象。在变化的温度和湿度环境中，动力电池的的实际容量、储电能量、电功率和寿命等均有较大的影响，同时也影响电池组的自放电、漏电和储电时间等参数，所以监测电池组的温度和湿度变化是保护电池的一项重要措施。但在当前实际使用的电动汽车上，为简化控制和检测，只对温度进行检测而不检测湿度的变化。因为影响动力电池寿命的最主要因素是工作环境的温度，所以对电池寿命的测试要求标准的环境温度。有试验数据表明，超过了规定的工作温度后，电池的放电能力虽可提高，但动力电池的工作寿命却会显著缩短。若温度每超过10%，寿命则缩短50%。但过低的环境温度下，电池的放电能力却也会大大降低，直接影响电动汽车的使用。如比亚迪电动汽车的使用说明就明确要求，磷酸铁锂电池不提倡用于-10℃的环境中。当然还可通过给电池加温的方法，达到动力电池的工作温度的要求。

在动力电池上均装有多个电池温度传感器。不同的动力电池工作时的发热量也不相同，有的动力电池采取自然通风即可满足电池组的散热需求，有的必须强制通风来进行冷却。电池组箱中有多个电池温度传感器分散安装，用于监测多个单体电池的温度。如丰田普锐斯混合动力汽车装有四个电池温度传感器和一个电池进气温度传感器，别克君越混合动力汽车上每个电池装有两个温度传感器。而比亚迪动力电池组装有更多的温度传感器，可检测每节电池的温度。图7所示的是普锐斯动力电池的温度传感器，每个温度传感器配双线，共有4个温度传感器，分别采用蓝色、黑色、白色和红色导线。

图7　普锐斯电池的温度传感器

温度传感器的安装不牢或失效会造成电池保护误判。深圳市公交大客车使用的五洲龙混合动力汽车，其动力电池分装在九个箱体中，第九箱为半箱，每箱电压为40V，总电压为340V，每箱装有三只温度传感器。其温度传感器安装不够牢固，由于车辆运行的震动，传感器震松脱落，造成检测误判报警的现象。后用树脂胶粘结传感器及引线，消除了这种故障。

丰田普锐斯电动汽车的电池温度传感器是卡装结构，小巧的传感器贴紧在电池表面，十分牢固不会脱落，能灵敏地感应电池的温度变化，在20℃常温下实测电阻为9.5kΩ，温度约40℃时降为6.5kΩ。但传感器也有老化变质的情况发生，笔者曾维修一辆1999年销售的普锐斯混合动力汽车，已正常行驶近300 000km，某日仪表板的左显示屏右上角故障灯亮起，显示动力电池系统出现了故障。按程序对电池组进行了检修，动力电池没发现接线或其他异常，万用表检测镍氢电池组的电压仍有200V，该车仍能起步和行驶。考虑仍可行驶的状况，检修时重点怀疑对象转为4个温度传感器。发现有3个温度传感器的电阻值为7.3kΩ，属于正常值范围，但其中白色导线的温度传感器的阻值已经变成42kΩ，说明该传感器已失效了，更换此电阻后故障得以排除。

进气温度信号用于控制冷却风机的运转。比亚迪F3DM使用的动力电池正常工作温度范围在20～80℃之间，适合在我国大部分地区使用，可不装专用的散热冷却风机。实际装车使用证明，依靠车辆行驶途中的气流，就可达到散热的要求。但镍氢电池对环境温度的要求却较严格，所以还有一套专用的风机散热装置，图8为这种风机系统结构图。风机是否运转与转速高低由专门的电脑控制，其信号依据就是电池箱的进气温度传感器。普锐斯电动汽车使用镍氢电池，其进气冷却温度传感器是安装在电池鼓风机到电池箱的底部管道上的，用于检测进入电池箱的进气温度。限于电池在车架上的布置空间，绝大多数电动汽车的动力电池均采取水平安装，散热鼓风机装在进风管的前方,电池箱的底部是冷空气的通道，上部则是向车外排热风的管道。

图8　镍氢电池的通风管道结构

3.动力电池电压检测及维修案例

如果动力电池中的单体电池端电压差异较大，或电池性能已经严重下降时，也可能产生警告灯报警的现象。电动汽车不论是采用镍氢电池组或是磷酸铁锂电池组，对电压的监管都是很严格的。如比亚迪F3DM混合动力汽车上的动力电池由100节电池单元串联组成，每节电池又由若干单体电池并联，设置有100个跟踪电压检测取样点，电压采样线为红色。一旦检测到某节电池的端电压差异过大时，在其仪表盘的显示屏上就会出现电池报警。图9为普锐斯的镍氢电池组的电压采样图。

图9　每节单体电池的电压检测

维修经验证明，动力电池决不可新旧混用。笔者在检修动力电池时，多次遇到电池组的单体电池电压性能不一致的现象。考虑到整体更换电池组的费用很高，曾尝试将电压性能尚好的单体电池留下，对部分电压性能极差的旧电池用新单体电池进行拼装，试图为车主节省整体更换电池的费用。实践证明这样部分更换的新旧结合的组合方式是不可行的，同时也不允许采用不同容量的单体电池进行串接来替代，因为这会造成新旧电池工作状况的不平衡，影响包括新单体电池在内的所有电池使用寿命及效能，是得不偿失的做法。正确的做法是全部更换新动力电池组。

此外，还应重视对电池的SOC检测。SOC是动力电池荷电状况的指标，通过专用检测仪能调取SOC指标，或在部分电动汽车的仪表盘上便有SOC指示图案。SOC指标能有效地反映电池的荷电情况，再通过故障诊断系统，可早期预报动力电池组的故障和隐患。电池管理系统反馈单体电池的在线响应信息，如发现电池组的SOC指示异常，同时发现某单体电池的温度传感器信号不正常时，这时电池报警灯即刻亮起，预报动力电池组出现故障，能及早避免电池组早期的损坏扩大。如比亚迪F3DM混合动力汽车的电池组，每个单体电池的标称电压为3.3V，动力电池组总标称电压为330V，满电总电压可能升到380V，电量较少的时候会降至220V左右。图10显示充电及放电状态的SOC曲线，是指动力电池电量的变化，SOC=1或100%即表示电池为充满电的状态，显然SOC曲线应在上限值与下限值之间变化，一旦蓝线低于下限值时即应充电，否则电池会由于过度放电而提前损坏；或当图中蓝线超过上限值时，应立即停止充电，特别应防止过大电流充电。应避免电动汽车长期不用或长期处于浮充而不放电的状况，电池均不可回避有自放电，或当过度放电时会产生的“硫化”现象，使电池的内阻增加而影响之后的放电性能。同时注意应避免动力电池的长期小电流放电的做法，这易使电池深度放电或发生过度放电现象，容易造成电池使用寿命的严重下降。

图10　充放电SOC曲线

电动汽车在高速制动状况回收电能量时，有时电池警告灯会亮起，应注意检测动力电池组的状态。如果电动汽车在正常充电、起动或行驶时电池警告灯无异常，而当高速制动时电池警告灯却亮起，这时应警惕是否某些单体电池性能已接近损坏。电动汽车有能量再生功能，在高速制动过程中，主驱动电机会转为发电运行，回收动能转为电能给动力电池充电。在车辆中速制动时瞬间反充的电流可达300～400A，若高速制动则电流将超过500A。如果这时动力电池性能已下降，单体电池的端电压严重不足时，瞬间的大电流将会使端电压迅速上升，就会出现电池故障灯报警。为判断动力电池性能是否下降，点击车载显示屏上的自诊系统进行查询，或实际检测动力电池的单体电压，以判断动力电池性能。如充电时检测磷酸铁锂电池的单体电压应为3.30～3.45V之间，若电压超过3.60V，说明电池的性能已接近损坏。

4.维修安全注意事项

应特别重视维修动力电池的安全事项，首先应在保证人身安全的前提下，切断动力电池的高压电，必须遵循下列程序，如图11所示。

(1)关闭点火开关，取下钥匙并将其放置妥当，以避免意外启动；

(2)打开后备箱，穿戴绝缘手套拔出红色动力电池组的维修手柄。一般打开电动轿车后备箱盖后，就能发现很醒目的红色手柄，依要求按压维修手柄锁扣用力拔出此维修手柄；

(3)切断车辆12V低压蓄电池的线路，拆除其负极端电缆，保证车上没有低压电，这时可细心听到有动力电池高压继电器的释放声音；

(4)等待约10min后，让变频器中的高压电容自动放完电，再用万用表电压档检验证明，动力电池组高压线端确实没有电压；

(5)再次分别检查动力电池的正负端，对地无电压或电压小于3V，这时方可进行动力电池组的相关检测和修理。

图11　维修动力电池组前的安全断电程序

(全文完)