普銳斯車動(dòng)力電池單元電壓偏差故障

常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司 高惠民

故障現(xiàn)象一輛行駛里程約為16萬km的2012年產(chǎn)豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車（車型為ZVW30L），搭載1.8 L阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)42 kW發(fā)電機(jī)（MG1）及60 kW驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（MG2）。客戶反映該車在行駛過程中，儀表盤上的主警告燈、發(fā)動(dòng)機(jī)警告燈、充電指示燈突然點(diǎn)亮，多信息顯示屏上提示“檢查混合動(dòng)力系統(tǒng)，請將車輛停在安全地點(diǎn)”。

故障診斷用故障檢測儀檢測，讀得故障代碼P0A80-123，含義為“更換混合型電池組”。查看故障代碼的定格數(shù)據(jù)（圖1、圖2、圖3和圖4），定格數(shù)據(jù)反映了故障代碼儲(chǔ)存時(shí)的車輛工況和混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的異常參數(shù)。車輛工況處在MG2純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)MG1發(fā)電供能。混合動(dòng)力蓄電池（HV蓄電池）的剩余電量（SOC）在電源開關(guān)接通后處于控制的下限范圍，為46%，而最大充電量為46%，最小充電量下降到24.5%。2號(hào)HV蓄電池溫度傳感器檢測到HV蓄電池組中間部位的最高工作溫度為41.8 ℃，而1號(hào)和3號(hào)HV蓄電池溫度傳感器檢測到HV蓄電池組的兩端工作溫度分別為37.1 ℃和34.9 ℃，HV蓄電池組兩端與中間部位的最大溫差達(dá)到6.9 ℃，正常情況下應(yīng)不超過5 ℃。HV蓄電池組冷卻進(jìn)氣口環(huán)境溫度為21.5 ℃，HV蓄電池組工作溫度與進(jìn)氣口環(huán)境溫度差超過了9 ℃的控制范圍。HV蓄電池第9單元電壓最小值為12.64 V，其他HV蓄電池單元電壓為14 V左右，說明HV蓄電池各單元電壓不一致，與HV蓄電池單元正常電壓（15 V～16 V）有偏差。HV蓄電池組冷卻風(fēng)扇處于1擋低速運(yùn)轉(zhuǎn)模式。

圖1 故障代碼P0A80-123的定格數(shù)據(jù)1（截屏）

圖2 故障代碼P0A80-123的定格數(shù)據(jù)2（截屏）

按照維修手冊要求，保存上述故障代碼定格數(shù)據(jù)后，清除故障代碼，進(jìn)行大約10 min的試車，重新確認(rèn)故障。試車中雖然故障燈沒有點(diǎn)亮，但是從記錄車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的HV蓄電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)流看，HV蓄電池SOC還是處于44%，因此在車輛停下來后發(fā)動(dòng)機(jī)仍然一直運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)MG1為HV蓄電池充電。而3個(gè)HV蓄電池溫度傳感器檢測到的HV蓄電池組工作溫度差及HV蓄電池組工作溫度與冷卻進(jìn)氣口環(huán)境溫度差仍然超出正常范圍。HV蓄電池第9單元電壓為13.06 V，與其他單元電壓偏差仍然很大。

既然車輛HV蓄電池系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)流還是異常，且與故障代碼P0A80-123產(chǎn)生條件相符合。P0A80—123故障代碼生成條件是，HV蓄電池智能單元（BMS）檢測到HV蓄電池組各單元之間電壓差大于0.3 V。需要說明的是，根據(jù)維修手冊規(guī)定，當(dāng)BMS內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，所有蓄電池的偶/奇單元電壓差也會(huì)大于0.3 V。因此接下來按照產(chǎn)生故障代碼P0A80-123的原因進(jìn)行分析檢查。

如圖5所示，普銳斯車采用的HV蓄電池為鎳氫電池，由28個(gè)模塊串聯(lián)組成，每個(gè)模塊由6個(gè)單格電池串聯(lián)而成（1個(gè)單格電池的標(biāo)稱電壓是1.2 V），共計(jì)168個(gè)單格電池，標(biāo)稱電壓為201.6 V，標(biāo)稱容量為6.5 Ah。BMS在14個(gè)位置上監(jiān)視蓄電池單元（1個(gè)蓄電池單元由2個(gè)模塊組成）的電壓。HV蓄電池組無需外部充電，車輛電源開關(guān)接通后，BMS將HV蓄電池組工作的狀況信息發(fā)送至混合動(dòng)力ECU，混合動(dòng)力ECU通過HV蓄電池的累計(jì)容量來計(jì)算蓄電池的SOC，然后將其控制在目標(biāo)值。HV蓄電池組的冷卻系統(tǒng)（圖6）采用并行風(fēng)道的的冷卻結(jié)構(gòu)，進(jìn)風(fēng)口安裝有空氣過濾網(wǎng)，依靠冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，保持HV蓄電池組在正常溫度下工作。

圖3 故障代碼P0A80-123的定格數(shù)據(jù)3（截屏）

圖4 故障代碼P0A80-123的定格數(shù)據(jù)4（截屏）

從上述故障數(shù)據(jù)分析，HV蓄電池組第2個(gè)溫度傳感器檢測到的溫度過高和第9單元電壓偏低，都發(fā)生在HV蓄電池組的中間局部位置，其可能的故障原因有：HV蓄電池串聯(lián)連接線松動(dòng)，接觸電阻增大；電壓偏低單元的電池內(nèi)阻增大，產(chǎn)生熱量大；HV蓄電池冷卻風(fēng)道受阻；冷卻鼓風(fēng)機(jī)故障；外圍局部環(huán)境影響。

首先檢查HV蓄電池組冷卻鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。HV蓄電池冷卻系統(tǒng)的控制電路如圖7所示，HV蓄電池冷卻鼓風(fēng)機(jī)受控于動(dòng)力管理控制ECU，并通過BMS接收冷卻鼓風(fēng)機(jī)上的電壓反饋，實(shí)現(xiàn)冷卻鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1擋～6擋的調(diào)節(jié)（低、中、高速度）；蓄電池組溫度在35 ℃時(shí)，冷卻鼓風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，到33 ℃時(shí)冷卻鼓風(fēng)機(jī)關(guān)閉；蓄電池組溫度上升到41.5 ℃時(shí)冷卻鼓風(fēng)機(jī)中速運(yùn)轉(zhuǎn)，蓄電池組溫度超過50 ℃時(shí)，冷卻鼓風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。正常情況下蓄電池組在25 ℃時(shí)的工況循環(huán)溫度控制良好。用故障檢測儀（GTS）的主動(dòng)測試功能測試蓄電池冷卻鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，冷卻鼓風(fēng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

接著檢查HV蓄電池溫度傳感器。HV蓄電池組采用3個(gè)溫度傳感器（分別置于蓄電池組的兩端和中部）和1個(gè)冷卻進(jìn)風(fēng)口環(huán)境溫度傳感器（置于蓄電池組冷卻風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口）。溫度傳感器均采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。BMS將溫度傳感器檢測到的HV蓄電池溫度和冷卻進(jìn)風(fēng)口環(huán)境溫度發(fā)送給動(dòng)力管理控制ECU作對比，控制HV蓄電池冷卻鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的起動(dòng)和風(fēng)速。檢查蓄電池溫度傳感器屬于高壓電路檢查，要遵守“檢查前佩戴好絕緣手套，拆下維修塞把手并放在維修技師自己口袋中，斷開維修塞把手后，等待10 min，使高壓器件中的高壓電容放電完成，才進(jìn)行高壓電路檢查操作”的安全作業(yè)規(guī)定。根據(jù)HV蓄電池系統(tǒng)控制電路，找到BMS上蓄電池溫度傳感器連接器并進(jìn)行溫度傳感器的電阻檢測，檢測結(jié)果，4個(gè)溫度傳感器的電阻均為10.87 kΩ～11.14 kΩ（HV蓄電池系統(tǒng)沒有工作，冷卻進(jìn)風(fēng)口環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)），電阻正常。

然后檢查HV蓄電池單元電壓。找到HV蓄電池組第9單元，檢查HV蓄電池模塊連接線無松動(dòng)和腐蝕。測量其斷路電壓，為13.97 V（圖8），低于其他單元的電壓。

最后檢查HV蓄電池的冷卻通風(fēng)狀況。拆下HV蓄電池冷卻進(jìn)風(fēng)管道，檢查進(jìn)風(fēng)口空氣過濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)被灰塵堵塞，判斷其可能就是造成HV蓄電池溫度偏高的主要原因。

故障排除（1）本車輛故障只是第9個(gè)蓄電池單元電壓小于其他蓄電池單元電壓，按要求應(yīng)該更換HV蓄電池組總成，但是更換HV蓄電組總成價(jià)格很高，而如果采用對第9個(gè)蓄電池單元進(jìn)行單獨(dú)充電，能提高蓄電池第9單元的電壓，恢復(fù)其容量，這樣可以節(jié)約維修成本。如圖9所示，把HV蓄電池組從車輛上拆下，用恒流快速充電模式（充電電壓選用24 V擋位）對第9個(gè)蓄電池單元充電。鎳氫蓄電池1個(gè)單格的充電終止電壓根據(jù)充電倍率的不同可高達(dá)1.3 V～1.5 V，所以普銳斯車HV蓄電池1個(gè)單元的充電終止電壓可高達(dá)15.6 V～18 V。通過電阻器調(diào)節(jié)充電電流為0.5C（3 A），并用溫度表監(jiān)控蓄電池充電溫升，把蓄電池充電溫度控制在30 ℃左右。經(jīng)過3 h的充電，第9單元蓄電池電壓上升到16.96 V不再升高，并開始略有回落時(shí)停止充電。放置1 h，測量蓄電池電壓回落至16.05 V。對其他HV蓄電池單元也采用相同方法進(jìn)行充電均衡。

圖5 HV蓄電池組

圖6 HV蓄電池冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（2）拆下HV蓄電池冷卻風(fēng)管，用壓縮空氣吹凈進(jìn)風(fēng)口空氣過濾網(wǎng)，然后遵照HV蓄電池系統(tǒng)安裝要求裝復(fù)蓄電池組和控制系統(tǒng)。

（3）接通電源開關(guān)，READY燈點(diǎn)亮，62 s后發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)，驅(qū)動(dòng)MG1運(yùn)行發(fā)電，向HV蓄電池充電，當(dāng)蓄電池組的SOC接近60%目標(biāo)值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為94 s。再經(jīng)過10 min路試，HV蓄電池組溫度和各單元電壓都在正常值范圍內(nèi)。車輛交付客戶使用后，故障未再出現(xiàn)，確認(rèn)故障排除。

故障總結(jié)鎳氫蓄電池的熱管理主要是針對高溫充電效率問題。蓄電池在常溫狀態(tài)下充電，高溫放電，對其容量和特性基本無影響。隨著溫度升高，蓄電池的充電接受能力逐漸下降，這是因?yàn)殒嚉湫铍姵爻潆娺^程中有析氧的副反應(yīng)作用。所以鎳氫蓄電池在混合動(dòng)力汽車上使用，都進(jìn)行了強(qiáng)制通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)。但是要使各蓄電池模塊能得到可靠的冷卻，因此必須要保證冷卻風(fēng)道的暢通無阻，否則HV蓄電池工作得不到散熱，結(jié)果導(dǎo)致熱失控，使蓄電池的充電效率和SOC容量迅速下降，影響蓄電池的循環(huán)壽命，甚至出現(xiàn)運(yùn)行安全問題。

鎳氫蓄電池各個(gè)模塊（或單格）電壓的均衡問題直接影響蓄電池的SOC。由于蓄電池的制造和使用問題導(dǎo)致了蓄電池單格電壓的偏差，而幾百個(gè)單格電池串聯(lián)成動(dòng)力蓄電池組總成，對每一個(gè)單格電池電壓保持一致性尤為重要，它是動(dòng)力蓄電池組正常工作的必要保證。所以大多數(shù)的電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車在動(dòng)力蓄電池控制中有電壓均衡電路一項(xiàng)設(shè)計(jì)。普銳斯車HV蓄電池組SOC要求控制在60%的目標(biāo)值，放電下限控制在40%，充電上限也不超過80%，所以沒有配備蓄電池電壓的均衡控制。但是一旦由于蓄電池的個(gè)別模塊（或單格）電壓出現(xiàn)偏差（溫度影響，連接導(dǎo)線電阻影響，蓄電池內(nèi)阻影響和記憶效應(yīng)影響等），不能在車輛上得到電壓均衡調(diào)節(jié)，可采用拆下蓄電池，對蓄電池電壓偏低的模塊進(jìn)行單獨(dú)充電，使各模塊（或單格）電壓趨向一致，是人工均衡的好方法，它能延長蓄電池的循環(huán)使用壽命，節(jié)約維修成本。

圖7 HV蓄電池冷卻系統(tǒng)控制電路

圖8 HV蓄電池單元的電壓檢測

圖9 對HV蓄電池單元充電