◆文/深圳　汪學(xué)慧　汪貴行

電動汽車動力電池及檢測案例分析（下）

◆文/深圳汪學(xué)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(zé)機務(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(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。

(接上期)

該車出現(xiàn)電池警告燈報警后，立即到專業(yè)4S店報修。憑借維修電動汽車的經(jīng)驗證明，一般使用5～6年、行駛里程達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。將電動汽車上電后，動力電池就可給驅(qū)動電機正常供電，再沒有出現(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，是一種可直接檢測動力電池工作電流的器件。檢測電流對高壓電池是極其重要的，電動汽車上多采取“磁平衡補償式”霍爾電流傳感器(圖5)。通過對比法和具體檢測分析后，證實此傳感器的運算放大器已損壞。這種傳感器采用非接觸式檢測主電流，檢測時不會影響被測電流的大小，也不消耗被測電源的功率，只需將被測的主電流導(dǎo)線空心穿過傳感器磁環(huán)即可進行測量。

圖5　霍爾磁平衡式電流傳感器

“磁平衡補償式”霍爾電流傳感器的工作原理如圖6所示。傳感器有一個帶缺口的圓型磁心，所謂“磁平衡補償式”是被測的主電流穿過圓形磁心時會在磁環(huán)上產(chǎn)生磁場，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。再利用繞在磁心上的多匝線圈，圖上用紅色線圈表示補償線圈通電Is，當(dāng)Is電流通過時也會產(chǎn)生用紅色虛線表示的磁場。當(dāng)主電流磁場與補償線圈磁場這兩個磁場大小相等方向相反時，在鐵心的缺口處形成的合成磁場將相互抵消，結(jié)果合成磁場為零，可見次級的補償電流安匝數(shù)在任何時間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等的。這時補償繞組中的電流Is正比于被測主電流Ip，即可利用Is檢測Ip的大小。圖中的運算放大器用于自動調(diào)節(jié)Is大小。當(dāng)補償電流通過電阻R時，則會產(chǎn)生信號電壓，這個信號電壓能檢測出主電流Ip的大小。

圖6　“磁平衡補償式”霍爾電流傳感器原理圖

霍爾電流傳感器能快速、精準(zhǔn)地檢測主電流的變化。電動汽車的起步或運行時，是依靠高壓電池提供電能，向驅(qū)動電機輸出電流以使汽車產(chǎn)生動力。當(dāng)電動汽車工況不同時，行駛阻力會發(fā)生變化，車輛行駛時的電流常為100～200A，起步瞬間可高達1 000A。與此同時，動力電池輸出的主電流Ip也會快速變化，一旦“磁平衡補償式”霍爾電流傳感器的磁場平衡受到破壞，霍爾傳感器立即有信號輸出，會重新進行自動調(diào)節(jié)補償，以達到新的平衡。這個平衡過程是極快的，從磁場失衡到再次平衡，所需的時間只需1μs，完全可滿足車輛行駛的快速變化對精準(zhǔn)檢測的要求。

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混合動力汽車上使用的電流互感器原裝是英國的產(chǎn)品，型號為CSNK500M，在香港的市場價為每個200美元左右，折合人民幣1 300元。單獨檢測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荷，檢測條件和設(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，均會產(chǎn)生熱量，造成動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，動力電池的的實際容量、儲電能量、電功率和壽命等均有較大的影響，同時也影響電池組的自放電、漏電和儲電時間等參數(shù)，所以監(jiān)測電池組的溫度和濕度變化是保護電池的一項重要措施。但在當(dāng)前實際使用的電動汽車上，為簡化控制和檢測，只對溫度進行檢測而不檢測濕度的變化。因為影響動力電池壽命的最主要因素是工作環(huán)境的溫度，所以對電池壽命的測試要求標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度。有試驗數(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，但動力電池的工作壽命卻會顯著縮短。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大大降低，直接影響電動汽車的使用。如比亞迪電動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，達到動力電池的工作溫度的要求。

在動力電池上均裝有多個電池溫度傳感器。不同的動力電池工作時的發(fā)熱量也不相同，有的動力電池采取自然通風(fēng)即可滿足電池組的散熱需求，有的必須強制通風(fēng)來進行冷卻。電池組箱中有多個電池溫度傳感器分散安裝，用于監(jiān)測多個單體電池的溫度。如豐田普銳斯混合動力汽車裝有四個電池溫度傳感器和一個電池進氣溫度傳感器，別克君越混合動力汽車上每個電池裝有兩個溫度傳感器。而比亞迪動力電池組裝有更多的溫度傳感器，可檢測每節(jié)電池的溫度。圖7所示的是普銳斯動力電池的溫度傳感器，每個溫度傳感器配雙線，共有4個溫度傳感器，分別采用藍色、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造成電池保護誤判。深圳市公交大客車使用的五洲龍混合動力汽車，其動力電池分裝在九個箱體中，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，由于車輛運行的震動，傳感器震松脫落，造成檢測誤判報警的現(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，十分牢固不會脫落，能靈敏地感應(yīng)電池的溫度變化，在20℃常溫下實測電阻為9.5kΩ，溫度約40℃時降為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，顯示動力電池系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。按程序?qū)﹄姵亟M進行了檢修，動力電池沒發(fā)現(xiàn)接線或其他異常，萬用表檢測鎳氫電池組的電壓仍有200V，該車仍能起步和行駛?？紤]仍可行駛的狀況，檢修時重點懷疑對象轉(zhuǎn)為4個溫度傳感器。發(fā)現(xiàn)有3個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。

進氣溫度信號用于控制冷卻風(fēng)機的運轉(zhuǎn)。比亞迪F3DM使用的動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。實際裝車使用證明，依靠車輛行駛途中的氣流，就可達到散熱的要求。但鎳氫電池對環(huán)境溫度的要求卻較嚴(yán)格，所以還有一套專用的風(fēng)機散熱裝置，圖8為這種風(fēng)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。風(fēng)機是否運轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速高低由專門的電腦控制，其信號依據(jù)就是電池箱的進氣溫度傳感器。普銳斯電動汽車使用鎳氫電池，其進氣冷卻溫度傳感器是安裝在電池鼓風(fēng)機到電池箱的底部管道上的，用于檢測進入電池箱的進氣溫度。限于電池在車架上的布置空間，絕大多數(shù)電動汽車的動力電池均采取水平安裝，散熱鼓風(fēng)機裝在進風(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.動力電池電壓檢測及維修案例

如果動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，也可能產(chǎn)生警告燈報警的現(xiàn)象。電動汽車不論是采用鎳氫電池組或是磷酸鐵鋰電池組，對電壓的監(jiān)管都是很嚴(yán)格的。如比亞迪F3DM混合動力汽車上的動力電池由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個跟蹤電壓檢測取樣點，電壓采樣線為紅色。一旦檢測到某節(jié)電池的端電壓差異過大時，在其儀表盤的顯示屏上就會出現(xiàn)電池報警。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

維修經(jīng)驗證明，動力電池決不可新舊混用。筆者在檢修動力電池時，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用很高，曾嘗試將電壓性能尚好的單體電池留下，對部分電壓性能極差的舊電池用新單體電池進行拼裝，試圖為車主節(jié)省整體更換電池的費用。實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，同時也不允許采用不同容量的單體電池進行串接來替代，因為這會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力電池組。

此外，還應(yīng)重視對電池的SOC檢測。SOC是動力電池荷電狀況的指標(biāo)，通過專用檢測儀能調(diào)取SOC指標(biāo)，或在部分電動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)報動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，同時發(fā)現(xiàn)某單體電池的溫度傳感器信號不正常時，這時電池報警燈即刻亮起，預(yù)報動力電池組出現(xiàn)故障，能及早避免電池組早期的損壞擴大。如比亞迪F3DM混合動力汽車的電池組，每個單體電池的標(biāo)稱電壓為3.3V，動力電池組總標(biāo)稱電壓為330V，滿電總電壓可能升到380V，電量較少的時候會降至220V左右。圖10顯示充電及放電狀態(tài)的SOC曲線，是指動力電池電量的變化，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，一旦藍線低于下限值時即應(yīng)充電，否則電池會由于過度放電而提前損壞；或當(dāng)圖中藍線超過上限值時，應(yīng)立即停止充電，特別應(yīng)防止過大電流充電。應(yīng)避免電動汽車長期不用或長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)過度放電時會產(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。同時注意應(yīng)避免動力電池的長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

電動汽車在高速制動狀況回收電能量時，有時電池警告燈會亮起，應(yīng)注意檢測動力電池組的狀態(tài)。如果電動汽車在正常充電、起動或行駛時電池警告燈無異常，而當(dāng)高速制動時電池警告燈卻亮起，這時應(yīng)警惕是否某些單體電池性能已接近損壞。電動汽車有能量再生功能，在高速制動過程中，主驅(qū)動電機會轉(zhuǎn)為發(fā)電運行，回收動能轉(zhuǎn)為電能給動力電池充電。在車輛中速制動時瞬間反充的電流可達300～400A，若高速制動則電流將超過500A。如果這時動力電池性能已下降，單體電池的端電壓嚴(yán)重不足時，瞬間的大電流將會使端電壓迅速上升，就會出現(xiàn)電池故障燈報警。為判斷動力電池性能是否下降，點擊車載顯示屏上的自診系統(tǒng)進行查詢，或?qū)嶋H檢測動力電池的單體電壓，以判斷動力電池性能。如充電時檢測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

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

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

(2)打開后備箱，穿戴絕緣手套拔出紅色動力電池組的維修手柄。一般打開電動轎車后備箱蓋后，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，拆除其負極端電纜，保證車上沒有低壓電，這時可細心聽到有動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放完電，再用萬用表電壓檔檢驗證明，動力電池組高壓線端確實沒有電壓；

(5)再次分別檢查動力電池的正負端，對地?zé)o電壓或電壓小于3V，這時方可進行動力電池組的相關(guān)檢測和修理。

圖11　維修動力電池組前的安全斷電程序

(全文完)