電動汽車動力電池及檢測案例分析（上）

◆文/深圳 汪學慧 汪貴行

電動汽車動力電池及檢測案例分析（上）

◆文/深圳 汪學慧 汪貴行

汪貴行

(本刊編委會委員)

長期在汽車運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、也門等多個阿拉伯國家工作，負責機務技術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工作，2009年退休后到深圳市通達汽車培訓學校工作，是深圳市現(xiàn)代汽車新技術及電動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交通臺、中央人民廣播電臺“華夏之聲”電臺的汽車節(jié)目聘為特約嘉賓。2014年3月，在“香港之聲”宣傳電動汽車的應用，得到廣大車友的積極關注與好評。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。

當前在商業(yè)化運行的純電動汽車或混合動力汽車上，實際使用的高壓動力電池主要有兩類：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車型，以及國內其他電動汽車大多采用磷酸鐵鋰電池。全球著名的特斯拉純電動汽車，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)運行的電動汽車中，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裝置，經過長期使用已逐步進入維修期。我們在實際維修中，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，以及實際維修案例中遇到的檢測技術等問題，作具體的介紹分析。

一、高壓動力電池的原理與特點

1.鎳氫電池

在美、日等發(fā)達國家的混合動力汽車上，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)，負極則是金屬氫化物，即為儲氫合金(MH)，電解液是30%的氫氧化鉀水溶液。這里所謂“儲氫合金”是指具有很強“吸收”氫氣能力的金屬鎳，其單位體積儲氫的密度可相當于儲存1 000個大氣壓的高壓氫氣。儲氫合金的關鍵在于能穩(wěn)定的儲氣和放氣，其工作原理是利用水的氫離子移動反應來獲得電流，這時氫氣在負極上被逐漸消耗掉。鎳氫電池的電極反應為下式，式中e指帶電的電子。

正 極 ：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e

負極：M+H2O+e=MHab+OHNi(OH)2+M=NiOOH+MHab

鎳氫電池是在鎳鎘電池基礎上開發(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。其主要特點有：

(1)電池的比能量較高，即單位質量的能量密度較大，鎳氫單體電池的額定電壓為1.2V，通常由六個或十個單體電池構成一塊電壓為7.2V或12V的電池組，豐田普銳斯混合動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,實測每節(jié)外形尺寸為274×106×20mm3，質量為1.1kg，有28節(jié)串聯(lián)共計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，適合在電動汽車上使用。同時其比功率可達200W/kg，在車輛加速或爬坡時輸出大電流，能平穩(wěn)持續(xù)放電來提供大功率。同時還可實現(xiàn)快速放電和充電，電池耐過充和耐過放的能力均較強。

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

(3)所謂電池的“記憶效應”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，再充電時仍可恢復原容量97%以上電量，基本上與新電池一樣。如在較長放置時有意讓電池內部存有一部分電，則電池的恢復儲電能力可更快更高。

(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3 000次以上，市場實際使用證明其壽命容易超過十年。

(5)鎳氫電池的缺點則是存儲的電壓較低，能量密度也偏低，當前的價格相對較高；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)實要求還有較大差距等問題，影響著氫鎳電池在電動汽車上的廣泛使用。

圖1 豐田電動汽車上的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，能存儲更多的電能量，而且具有循環(huán)壽命長、自放電率小、電池無記憶效應和不污染環(huán)境等多項優(yōu)點。其主要研究集中在大容量、長壽命和安全性三個方面，成為當前能量存儲技術的熱點。其中磷酸鐵鋰離子電池(LiFePO4)成熟應用在電動汽車上。正極是呈橄欖石結構的磷酸鐵鋰，電池負極是石墨，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電解質，外殼由金屬材料密封。隔膜板可把正極與負極隔開，同時還在電池異常高溫時，隔膜板上的細孔起阻斷鋰離子通道的作用，可中止充電或放電反應，有效防止電池外部短路電流過大時，反應過激產生溫度過高的現(xiàn)象。

磷酸鐵鋰離子蓄電池其結構如圖2所示，電池正極與鋁箔連接，負極則用銅箔相接，可直接與外電路連接。電池內部鋰離子在正負極材料晶格中可自由擴散，當電池在放電時，鋰離子從石墨負極板層狀結構中析出，通過隔膜板到達正極板，鋰離子的移動就產生了電流；反之在充電時，鋰離子在電勢作用下從正極中脫出嵌入到石墨負極中。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運動。鐵鋰電池的單體電池標稱電壓是3.2V，充電終止時的最高電壓為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”型電池結構，即電池直徑為18mm高度為65mm，目前最大容量為3 100mAh。圖3是18650型電池構成的五洲龍電動大巴的電池箱。

圖2 鐵鋰電池的結構

圖3 用圓形卷繞式單體電池構成電池組

磷酸鐵鋰離子蓄電池的特點主要有：

(1)可實現(xiàn)高功率輸出，能量密度大，適合電動大客車上使用。單體電池標稱電壓為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，按電池的容量安時數(shù)“C”值計算，標準充放電流為2～5C、連續(xù)高電流放電可達10C，10s的瞬間脈沖放電可達20C，可為車輛起步和加速瞬間提供足夠大的電流和驅動功率，為電動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350℃以上。由于電池內部進行充放電的化學反應會產生熱量，外部環(huán)境溫度65℃時內部溫度則可達95℃，電池放電結束時溫度甚至可達160℃！只要電池有適當?shù)耐L降熱裝置，即可保證電池的正常使用。但實踐證明，在比亞迪或五洲龍電動汽車上，高壓蓄電池箱沒有設置專門的風扇降溫裝置，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性能，有十分平穩(wěn)的充放電平臺，充放電過程中結構穩(wěn)定，即使放電電壓到0時也絕對安全，電池安全性好。這種電池提倡使用恒壓恒流充電，當3.2V電壓升到3.6V時應停止充電，或者維持很小的充電電流；但當鋰電池的電壓很低如2V以下時，也不宜大電流急充電，應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，當磷酸鐵鋰電池用過大電流充放電時，電池內部化學反應會持續(xù)升溫，活化過程中所產生的氣體會膨脹，當電池內壓力過大到一定程度時，會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)有極可靠的保護措施，如對電流、溫度和電壓等參數(shù)監(jiān)測，對鐵鋰電池進行極有效的保護，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。

2013年深圳市曾發(fā)生一輛比亞迪e6電動出租車遭遇嚴重碰撞后，起火燃燒當場死亡三人的惡性事故，后經組織專家到現(xiàn)場檢測分析，電池只產生變形而造成電池短路引發(fā)起火，但電池的結構仍完整，實踐證明磷酸鐵鋰電池確實不會爆炸。

(4)電池有較長的循環(huán)充放電壽命。按國標規(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，這個放電與充電過程稱為一個“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500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%。經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，如果電動車每天充電一次，電池連續(xù)使用可達8年。

(5)電池內部只有膠態(tài)電解質，不存在漏液現(xiàn)象。鐵鋰電池可設計成多種形狀，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)磷酸鐵鋰電池無記憶效應。當電動汽車在使用過程中，發(fā)現(xiàn)儲電量較少時，不論電量還存有多少，均可找就近的充電站進行補充，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。而像鎳鎘電池則嚴格要求第一次使用時，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而要求的。

(7)磷酸鐵鋰電池的主要缺點其一是生產過程中不可避免仍有鉛、砷、鎘、汞、鉻等重金屬污染的問題，集中報廢堆放后，仍會對周圍環(huán)境構成較嚴重的污染，當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是一個復雜的多相化學反應，特別是正、負極和電解質材料的質量及工藝不同，其性能上會有差異，會造成電池容量出現(xiàn)10%～20%的較大差異。其三是電池中含有鐵的成分，單質鐵會引起電池的微短路，從而造成電池中最忌諱的放電反應，使電池容量下降。其四是磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，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。其五是當前這種電池的價格相對較昂貴，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、電流和電功率均遠遠不能滿足電動汽車對動力電源的使用要求，故實際使用的動力電池均是成組集合應用，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，導致電池的使用和維護成本大幅度增加。所以在各種電動汽車上，對電池的檢測顯得特別重要，并已向模塊化、標準化和智能化方向發(fā)展。當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)電壓和多點溫度等的監(jiān)測方面。

1. 動力電池電流維修案例

一輛2010年購買的比亞迪F3DM混合動力汽車，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燈(圖4)。

圖4 比亞迪電池報警燈