電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及檢測(cè)案例分析（下）

◆文/深圳　汪學(xué)慧　汪貴行

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及檢測(cè)案例分析（下）

◆文/深圳汪學(xué)慧汪貴行

汪貴行

(本刊編委會(huì)委員)

長(zhǎng)期在汽車運(yùn)用與檢測(cè)的第一線工作，1984年起被交通部門指派長(zhǎng)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(jí)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(píng)。2013年，由深圳市科技部門推薦，主要工作業(yè)績(jī)被選編在“特區(qū)人物志”中。

(接上期)

該車出現(xiàn)電池警告燈報(bào)警后，立即到專業(yè)4S店報(bào)修。憑借維修電動(dòng)汽車的經(jīng)驗(yàn)證明，一般使用5～6年、行駛里程達(dá)100 000km以上的車輛，電流互感器出現(xiàn)故障的頻率較高，故首先懷疑是霍爾式電流互感器出現(xiàn)了故障。同樣采取對(duì)比法來判斷，即用性能良好的電流互感器取代懷疑已出現(xiàn)故障的電流互感器。將電動(dòng)汽車上電后，動(dòng)力電池就可給驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常供電，再?zèng)]有出現(xiàn)電池警告燈，故障得以排除車輛恢復(fù)正常，表示此故障確為電流互感器損壞造成的。

該車使用的直流電流互感器是霍爾式的，利用霍爾片狀晶體按安培定律原理制成，是一種可直接檢測(cè)動(dòng)力電池工作電流的器件。檢測(cè)電流對(duì)高壓電池是極其重要的，電動(dòng)汽車上多采取“磁平衡補(bǔ)償式”霍爾電流傳感器(圖5)。通過對(duì)比法和具體檢測(cè)分析后，證實(shí)此傳感器的運(yùn)算放大器已損壞。這種傳感器采用非接觸式檢測(cè)主電流，檢測(cè)時(shí)不會(huì)影響被測(cè)電流的大小，也不消耗被測(cè)電源的功率，只需將被測(cè)的主電流導(dǎo)線空心穿過傳感器磁環(huán)即可進(jìn)行測(cè)量。

圖5　霍爾磁平衡式電流傳感器

“磁平衡補(bǔ)償式”霍爾電流傳感器的工作原理如圖6所示。傳感器有一個(gè)帶缺口的圓型磁心，所謂“磁平衡補(bǔ)償式”是被測(cè)的主電流穿過圓形磁心時(shí)會(huì)在磁環(huán)上產(chǎn)生磁場(chǎng)，圖上用紫色電流表示主電流Ip，在磁環(huán)上亦用帶箭頭的紫色虛線表示主電流磁場(chǎng)。再利用繞在磁心上的多匝線圈，圖上用紅色線圈表示補(bǔ)償線圈通電Is，當(dāng)Is電流通過時(shí)也會(huì)產(chǎn)生用紅色虛線表示的磁場(chǎng)。當(dāng)主電流磁場(chǎng)與補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)這兩個(gè)磁場(chǎng)大小相等方向相反時(shí)，在鐵心的缺口處形成的合成磁場(chǎng)將相互抵消，結(jié)果合成磁場(chǎng)為零，可見次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等的。這時(shí)補(bǔ)償繞組中的電流Is正比于被測(cè)主電流Ip，即可利用Is檢測(cè)Ip的大小。圖中的運(yùn)算放大器用于自動(dòng)調(diào)節(jié)Is大小。當(dāng)補(bǔ)償電流通過電阻R時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)電壓，這個(gè)信號(hào)電壓能檢測(cè)出主電流Ip的大小。

圖6　“磁平衡補(bǔ)償式”霍爾電流傳感器原理圖

霍爾電流傳感器能快速、精準(zhǔn)地檢測(cè)主電流的變化。電動(dòng)汽車的起步或運(yùn)行時(shí)，是依靠高壓電池提供電能，向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出電流以使汽車產(chǎn)生動(dòng)力。當(dāng)電動(dòng)汽車工況不同時(shí)，行駛阻力會(huì)發(fā)生變化，車輛行駛時(shí)的電流常為100～200A，起步瞬間可高達(dá)1 000A。與此同時(shí)，動(dòng)力電池輸出的主電流Ip也會(huì)快速變化，一旦“磁平衡補(bǔ)償式”霍爾電流傳感器的磁場(chǎng)平衡受到破壞，霍爾傳感器立即有信號(hào)輸出，會(huì)重新進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償，以達(dá)到新的平衡。這個(gè)平衡過程是極快的，從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間只需1μs，完全可滿足車輛行駛的快速變化對(duì)精準(zhǔn)檢測(cè)的要求。

霍爾式電流互感器與普通的傳感器不同，需要輸入一定的工作電壓才能反映出所檢測(cè)的工作電流值。所以霍爾式電流互感器上共有四條線：+VC和-VC分別為+15V及-15V，另有傳感信號(hào)輸出線和搭鐵線。

霍爾式電流互感器電路復(fù)雜，更換成本較高。比亞迪F3DM混合動(dòng)力汽車上使用的電流互感器原裝是英國的產(chǎn)品，型號(hào)為CSNK500M，在香港的市場(chǎng)價(jià)為每個(gè)200美元左右，折合人民幣1 300元。單獨(dú)檢測(cè)霍爾式電流互感器的性能好壞，需要模擬極大的直流電流負(fù)荷，檢測(cè)條件和設(shè)備都比較復(fù)雜且昂貴，當(dāng)前汽車維修廠根本不具備這些技術(shù)和條件。

2.動(dòng)力電池溫度傳感器維修案例

鎳氫電池或磷酸鐵鋰電池在充、放電的化學(xué)反應(yīng)過程中，均會(huì)產(chǎn)生熱量，造成動(dòng)力電池溫度上升和環(huán)境濕度變化的現(xiàn)象。在變化的溫度和濕度環(huán)境中，動(dòng)力電池的的實(shí)際容量、儲(chǔ)電能量、電功率和壽命等均有較大的影響，同時(shí)也影響電池組的自放電、漏電和儲(chǔ)電時(shí)間等參數(shù)，所以監(jiān)測(cè)電池組的溫度和濕度變化是保護(hù)電池的一項(xiàng)重要措施。但在當(dāng)前實(shí)際使用的電動(dòng)汽車上，為簡(jiǎn)化控制和檢測(cè)，只對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)而不檢測(cè)濕度的變化。因?yàn)橛绊憚?dòng)力電池壽命的最主要因素是工作環(huán)境的溫度，所以對(duì)電池壽命的測(cè)試要求標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度。有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超過了規(guī)定的工作溫度后，電池的放電能力雖可提高，但動(dòng)力電池的工作壽命卻會(huì)顯著縮短。若溫度每超過10%，壽命則縮短50%。但過低的環(huán)境溫度下，電池的放電能力卻也會(huì)大大降低，直接影響電動(dòng)汽車的使用。如比亞迪電動(dòng)汽車的使用說明就明確要求，磷酸鐵鋰電池不提倡用于-10℃的環(huán)境中。當(dāng)然還可通過給電池加溫的方法，達(dá)到動(dòng)力電池的工作溫度的要求。

在動(dòng)力電池上均裝有多個(gè)電池溫度傳感器。不同的動(dòng)力電池工作時(shí)的發(fā)熱量也不相同，有的動(dòng)力電池采取自然通風(fēng)即可滿足電池組的散熱需求，有的必須強(qiáng)制通風(fēng)來進(jìn)行冷卻。電池組箱中有多個(gè)電池溫度傳感器分散安裝，用于監(jiān)測(cè)多個(gè)單體電池的溫度。如豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車裝有四個(gè)電池溫度傳感器和一個(gè)電池進(jìn)氣溫度傳感器，別克君越混合動(dòng)力汽車上每個(gè)電池裝有兩個(gè)溫度傳感器。而比亞迪動(dòng)力電池組裝有更多的溫度傳感器，可檢測(cè)每節(jié)電池的溫度。圖7所示的是普銳斯動(dòng)力電池的溫度傳感器，每個(gè)溫度傳感器配雙線，共有4個(gè)溫度傳感器，分別采用藍(lán)色、黑色、白色和紅色導(dǎo)線。

圖7　普銳斯電池的溫度傳感器

溫度傳感器的安裝不牢或失效會(huì)造成電池保護(hù)誤判。深圳市公交大客車使用的五洲龍混合動(dòng)力汽車，其動(dòng)力電池分裝在九個(gè)箱體中，第九箱為半箱，每箱電壓為40V，總電壓為340V，每箱裝有三只溫度傳感器。其溫度傳感器安裝不夠牢固，由于車輛運(yùn)行的震動(dòng)，傳感器震松脫落，造成檢測(cè)誤判報(bào)警的現(xiàn)象。后用樹脂膠粘結(jié)傳感器及引線，消除了這種故障。

豐田普銳斯電動(dòng)汽車的電池溫度傳感器是卡裝結(jié)構(gòu)，小巧的傳感器貼緊在電池表面，十分牢固不會(huì)脫落，能靈敏地感應(yīng)電池的溫度變化，在20℃常溫下實(shí)測(cè)電阻為9.5kΩ，溫度約40℃時(shí)降為6.5kΩ。但傳感器也有老化變質(zhì)的情況發(fā)生，筆者曾維修一輛1999年銷售的普銳斯混合動(dòng)力汽車，已正常行駛近300 000km，某日儀表板的左顯示屏右上角故障燈亮起，顯示動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。按程序?qū)﹄姵亟M進(jìn)行了檢修，動(dòng)力電池沒發(fā)現(xiàn)接線或其他異常，萬用表檢測(cè)鎳氫電池組的電壓仍有200V，該車仍能起步和行駛。考慮仍可行駛的狀況，檢修時(shí)重點(diǎn)懷疑對(duì)象轉(zhuǎn)為4個(gè)溫度傳感器。發(fā)現(xiàn)有3個(gè)溫度傳感器的電阻值為7.3kΩ，屬于正常值范圍，但其中白色導(dǎo)線的溫度傳感器的阻值已經(jīng)變成42kΩ，說明該傳感器已失效了，更換此電阻后故障得以排除。

進(jìn)氣溫度信號(hào)用于控制冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。比亞迪F3DM使用的動(dòng)力電池正常工作溫度范圍在20～80℃之間，適合在我國大部分地區(qū)使用，可不裝專用的散熱冷卻風(fēng)機(jī)。實(shí)際裝車使用證明，依靠車輛行駛途中的氣流，就可達(dá)到散熱的要求。但鎳氫電池對(duì)環(huán)境溫度的要求卻較嚴(yán)格，所以還有一套專用的風(fēng)機(jī)散熱裝置，圖8為這種風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。風(fēng)機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速高低由專門的電腦控制，其信號(hào)依據(jù)就是電池箱的進(jìn)氣溫度傳感器。普銳斯電動(dòng)汽車使用鎳氫電池，其進(jìn)氣冷卻溫度傳感器是安裝在電池鼓風(fēng)機(jī)到電池箱的底部管道上的，用于檢測(cè)進(jìn)入電池箱的進(jìn)氣溫度。限于電池在車架上的布置空間，絕大多數(shù)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池均采取水平安裝，散熱鼓風(fēng)機(jī)裝在進(jìn)風(fēng)管的前方,電池箱的底部是冷空氣的通道，上部則是向車外排熱風(fēng)的管道。

圖8　鎳氫電池的通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)

3.動(dòng)力電池電壓檢測(cè)及維修案例

如果動(dòng)力電池中的單體電池端電壓差異較大，或電池性能已經(jīng)嚴(yán)重下降時(shí)，也可能產(chǎn)生警告燈報(bào)警的現(xiàn)象。電動(dòng)汽車不論是采用鎳氫電池組或是磷酸鐵鋰電池組，對(duì)電壓的監(jiān)管都是很嚴(yán)格的。如比亞迪F3DM混合動(dòng)力汽車上的動(dòng)力電池由100節(jié)電池單元串聯(lián)組成，每節(jié)電池又由若干單體電池并聯(lián)，設(shè)置有100個(gè)跟蹤電壓檢測(cè)取樣點(diǎn)，電壓采樣線為紅色。一旦檢測(cè)到某節(jié)電池的端電壓差異過大時(shí)，在其儀表盤的顯示屏上就會(huì)出現(xiàn)電池報(bào)警。圖9為普銳斯的鎳氫電池組的電壓采樣圖。

圖9　每節(jié)單體電池的電壓檢測(cè)

維修經(jīng)驗(yàn)證明，動(dòng)力電池決不可新舊混用。筆者在檢修動(dòng)力電池時(shí)，多次遇到電池組的單體電池電壓性能不一致的現(xiàn)象?？紤]到整體更換電池組的費(fèi)用很高，曾嘗試將電壓性能尚好的單體電池留下，對(duì)部分電壓性能極差的舊電池用新單體電池進(jìn)行拼裝，試圖為車主節(jié)省整體更換電池的費(fèi)用。實(shí)踐證明這樣部分更換的新舊結(jié)合的組合方式是不可行的，同時(shí)也不允許采用不同容量的單體電池進(jìn)行串接來替代，因?yàn)檫@會(huì)造成新舊電池工作狀況的不平衡，影響包括新單體電池在內(nèi)的所有電池使用壽命及效能，是得不償失的做法。正確的做法是全部更換新動(dòng)力電池組。

此外，還應(yīng)重視對(duì)電池的SOC檢測(cè)。SOC是動(dòng)力電池荷電狀況的指標(biāo)，通過專用檢測(cè)儀能調(diào)取SOC指標(biāo)，或在部分電動(dòng)汽車的儀表盤上便有SOC指示圖案。SOC指標(biāo)能有效地反映電池的荷電情況，再通過故障診斷系統(tǒng)，可早期預(yù)報(bào)動(dòng)力電池組的故障和隱患。電池管理系統(tǒng)反饋單體電池的在線響應(yīng)信息，如發(fā)現(xiàn)電池組的SOC指示異常，同時(shí)發(fā)現(xiàn)某單體電池的溫度傳感器信號(hào)不正常時(shí)，這時(shí)電池報(bào)警燈即刻亮起，預(yù)報(bào)動(dòng)力電池組出現(xiàn)故障，能及早避免電池組早期的損壞擴(kuò)大。如比亞迪F3DM混合動(dòng)力汽車的電池組，每個(gè)單體電池的標(biāo)稱電壓為3.3V，動(dòng)力電池組總標(biāo)稱電壓為330V，滿電總電壓可能升到380V，電量較少的時(shí)候會(huì)降至220V左右。圖10顯示充電及放電狀態(tài)的SOC曲線，是指動(dòng)力電池電量的變化，SOC=1或100%即表示電池為充滿電的狀態(tài)，顯然SOC曲線應(yīng)在上限值與下限值之間變化，一旦藍(lán)線低于下限值時(shí)即應(yīng)充電，否則電池會(huì)由于過度放電而提前損壞；或當(dāng)圖中藍(lán)線超過上限值時(shí)，應(yīng)立即停止充電，特別應(yīng)防止過大電流充電。應(yīng)避免電動(dòng)汽車長(zhǎng)期不用或長(zhǎng)期處于浮充而不放電的狀況，電池均不可回避有自放電，或當(dāng)過度放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生的“硫化”現(xiàn)象，使電池的內(nèi)阻增加而影響之后的放電性能。同時(shí)注意應(yīng)避免動(dòng)力電池的長(zhǎng)期小電流放電的做法，這易使電池深度放電或發(fā)生過度放電現(xiàn)象，容易造成電池使用壽命的嚴(yán)重下降。

圖10　充放電SOC曲線

電動(dòng)汽車在高速制動(dòng)狀況回收電能量時(shí)，有時(shí)電池警告燈會(huì)亮起，應(yīng)注意檢測(cè)動(dòng)力電池組的狀態(tài)。如果電動(dòng)汽車在正常充電、起動(dòng)或行駛時(shí)電池警告燈無異常，而當(dāng)高速制動(dòng)時(shí)電池警告燈卻亮起，這時(shí)應(yīng)警惕是否某些單體電池性能已接近損壞。電動(dòng)汽車有能量再生功能，在高速制動(dòng)過程中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)為發(fā)電運(yùn)行，回收動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能給動(dòng)力電池充電。在車輛中速制動(dòng)時(shí)瞬間反充的電流可達(dá)300～400A，若高速制動(dòng)則電流將超過500A。如果這時(shí)動(dòng)力電池性能已下降，單體電池的端電壓嚴(yán)重不足時(shí)，瞬間的大電流將會(huì)使端電壓迅速上升，就會(huì)出現(xiàn)電池故障燈報(bào)警。為判斷動(dòng)力電池性能是否下降，點(diǎn)擊車載顯示屏上的自診系統(tǒng)進(jìn)行查詢，或?qū)嶋H檢測(cè)動(dòng)力電池的單體電壓，以判斷動(dòng)力電池性能。如充電時(shí)檢測(cè)磷酸鐵鋰電池的單體電壓應(yīng)為3.30～3.45V之間，若電壓超過3.60V，說明電池的性能已接近損壞。

4.維修安全注意事項(xiàng)

應(yīng)特別重視維修動(dòng)力電池的安全事項(xiàng)，首先應(yīng)在保證人身安全的前提下，切斷動(dòng)力電池的高壓電，必須遵循下列程序，如圖11所示。

(1)關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，取下鑰匙并將其放置妥當(dāng)，以避免意外啟動(dòng)；

(2)打開后備箱，穿戴絕緣手套拔出紅色動(dòng)力電池組的維修手柄。一般打開電動(dòng)轎車后備箱蓋后，就能發(fā)現(xiàn)很醒目的紅色手柄，依要求按壓維修手柄鎖扣用力拔出此維修手柄；

(3)切斷車輛12V低壓蓄電池的線路，拆除其負(fù)極端電纜，保證車上沒有低壓電，這時(shí)可細(xì)心聽到有動(dòng)力電池高壓繼電器的釋放聲音；

(4)等待約10min后，讓變頻器中的高壓電容自動(dòng)放完電，再用萬用表電壓檔檢驗(yàn)證明，動(dòng)力電池組高壓線端確實(shí)沒有電壓；

(5)再次分別檢查動(dòng)力電池的正負(fù)端，對(duì)地?zé)o電壓或電壓小于3V，這時(shí)方可進(jìn)行動(dòng)力電池組的相關(guān)檢測(cè)和修理。

圖11　維修動(dòng)力電池組前的安全斷電程序

(全文完)