保時捷2018新款卡宴鋰蓄電池使用與維護

陳琨　劉春梅

摘 要：本文介紹了保時捷2018新款卡宴車用鋰蓄電池的特點，敘述了鋰蓄電池的結構與組成，介紹了鋰蓄電池的充放電特性以及存放的要求，總結了通過檢測對鋰蓄電池進行分類的方法，并強調了在對鋰蓄電池進行檢測與維修時需要進行高電壓的知識與實操的培訓。

關鍵詞：保時捷；新款卡宴；鋰蓄電池；使用；維護

隨著鋰電池技術的發展，鋰電池已逐漸運用到傳統燃油車中。保時捷2018新款卡宴為了減輕整車重量，減少蓄電池的體積，已不再使用鉛酸蓄電池，而改用鋰電池單體的蓄電池。新款卡宴鋰蓄電池中的電池單體是磷酸鐵鋰（LiFePO4）。采用磷酸鐵鋰的優勢首先是安全性高，在充電過程中既不會析出金屬鋰，也不會釋放出氧氣，不會發生熱逸散；其次是循環壽命長。但是也有低溫性能較差，放電電壓低等缺點。

鋰蓄電池相對鉛酸電池具有體積小、重量輕、循環壽命長、安全性高、綠色無污染等特點，同等規格容量的鋰蓄電池的體積大約是鉛酸電池的2/3，而重量僅約為鉛酸電池的1/3，理論循環壽命超過2000次。而且冷起動和起停能力更強，重新起動車輛更快，尺寸單一、變型數量少，不含對環境有污染的鉛。

新款卡宴鋰蓄電池安裝在乘客側座椅前方的乘客腳下凹槽內，凹槽焊接在車身殼體上。目前有“LG Chem”和“A123 Systems”兩家公司制造商供應和安裝蓄電池。這兩個品牌磷酸鐵鋰蓄電池的技術數據如表1所示。

1 鋰蓄電池的構造

鋰蓄電池是包含磷酸鐵鋰電池單體、BCM（Battery Control Module：電池控制模塊）、蓄電池傳感器、接觸器等組成的總成，具體結構如圖1所示。

鋰蓄電池共有4組鋰電池模塊，每組由4個碳酸鐵鋰薄膜電池單體串聯而成，放置于整體式鋁制保護框架內。在鋰蓄電池的外部殼體上粘合一個帶棱角的防撞板，保護蓄電池免遭側面撞擊。在更換蓄電池時，必須將防撞板固定到新蓄電池上。蓄電池傳感器集成在蓄電池內部，通過正極端子和負極端子進行內部供電，此蓄電池傳感器無法更換。在負極端子側有一個LIN線單極連接器，該連接器通過一條線路連接到網關控制單元。另外，負極端子旁還有一個排氣管路，用于蓄電池單元電池發生故障時產生的有毒氣體從車底排入大氣的保護裝置。殼蓋中整合了一個提手。

BCM用于監測單元電池電壓、充電狀態和溫度。如果蓄電池電壓降到特定的充電狀態之下，BCM將打開接觸器式繼電器，該雙穩態隔離繼電器會將整個12V電氣系統從正極端子上斷開，以防止蓄電池深度放電。通過跨接起動點對車輛蓄電池充電后，該繼電器會在約2分鐘后關閉，并為12V車輛電氣系統供電。

2 鋰蓄電池的充放電

對鋰蓄電池的車輛進行充電時遵循相關的充放電特性（圖2）。常規的磷酸鐵鋰電池單體的標稱電壓約為3.2-3.3V，充電結束電壓約為4.3V，放電結束電壓約為2.5V。過度放電會造成不可逆的損壞，并導致電池單體容量減少。當鋰蓄電池達到充電結束電壓時，將維持該電壓。當鋰蓄電池的開路電壓小于12.5V或電量小于15%時，蓄電池中的保護繼電器將打開。因此要在車輛的跨接起動端子處對耗盡電量的鋰蓄電池進行充電。使用救援蓄電池持續供應11V-14.8V的電壓至少30秒，或在救援模式下連接充電器。鋰蓄電池中發出短促的咔嗒聲，表明保護繼電器已關閉。

鋰蓄電池的特性，充電也是有要求的。如果電池嚴重過放，電壓很低，只能以小電流給電池充電，慢慢激活電池，否則影響電池的使用壽命。同時大電流、高倍率給電池充電或放電都對電池有傷害。對鋰蓄電池的充電過程分為三段：涓流、恒流、恒壓。 電池電壓過低時采用先涓流充電，當電池電壓達到正常電壓后，再使用恒流快速充電，當電池快充滿時又轉為小電流恒壓充電，給電池慢慢補充電量。

充電時間主要取決于充電功率和溫度。較短的充電時間會對電極材料造成不良影響，并因此導致使用壽命縮短。

保時捷推薦使用制造商“Deutronic”生產的可提供90A電流的充電器，并使用14.8V的充電電壓。規定不得將充電器用于進行不符合充電特性的電流和電壓的充電操作。

在放電期間，鋰蓄電池的電壓在開始時非常迅速地從充電結束電壓下降至額定電壓（每個電池單體約為2.9到3.1V），但之后很長一段時間幾乎不再下降。只有在即將放完電之前，電池電壓才會開始再次急速下降，放電結束電壓約為2.1-2.3V。電壓不得降至該值以下，否則不可逆的化學反應會造成單元電池損壞。為安全起見，防止鋰蓄電池過放電，BCM在單體電池電壓2.5 V左右時，關閉接觸器，不再向電氣系統供電。

3 鋰蓄電池的存放

單體電池的電壓越高，蓄電池的使用壽命越短，因此，務必不要讓LiFePO4蓄電池保持在充滿電的狀態。充電狀態應保持在55-75%，并且最好將蓄電池存放在陰涼處。在5-25°C時，每月的自放電量約為0.5-0.75%。制造商建議的存放溫度為15°C，充電量為60%—加速老化與自放電之間的折衷方案。應每6個月將蓄電池充電至55-75%的電量。即使在存放期間，也不得使LiFePO4蓄電池放電至每個單元電池的電壓低于2.5 V。單元電池內的液態或膠態電解質不得凍結，也就是說最低溫度為-25°C。

4 鋰蓄電池的處理

首先需要對鋰蓄電池在外觀、功能和溫度等方面進行檢查。正常鋰蓄電池無機械損壞，無液體溢出；可對鋰蓄電池進行診斷，故障記憶中不存在嚴重故障；溫度在正常范圍內。警告鋰蓄電池可能會導致嚴重的人身傷害，存在機械損壞，有刺激性氣味；無法對鋰蓄電池進行診斷，或存在嚴重故障的故障記憶；溫度不在正常范圍內或低于80℃。這種狀態的鋰蓄電池要立即移出并隔離，包裝處于嚴重狀態的蓄電池時，需要使用金屬容器和中空玻璃顆粒（連苯三酚玻璃球）。危險鋰蓄電池也可能導致嚴重的人身傷害，存在液體溢出、冒煙或蒸汽和起火等現象，溫度超過正常范圍，高于80℃。這種狀態的鋰蓄電池要保持安全距離，用警戒線隔離，如果起火，要立即致電消防隊。

對鋰蓄電池使用PIWIS進行檢測時，要由HVT（High Voltage Technician：高壓電技師）執行。對鋰蓄電池進行維修，要由HVE（High Voltage Experts：高壓電專家）執行。

5 結語

保時捷2018新款卡宴為了減輕車輛的重量，減少蓄電池的安裝空間，使用了磷酸鐵鋰蓄電池。這種鋰蓄電池包含有16個磷酸鐵鋰電池單體，以及蓄電池傳感器、BCM、接觸器等元件。鋰蓄電池充電要按照充電特性來進行，不規范的操作將影響電池的使用壽命。

鋰蓄電池的檢測與維修人員要經過高壓電知識和實操的培訓，也可以在HVT或HVE的指導下進行操作。

參考文獻：

[1]Cayenne 2018（9YA）技術服務信息[R].保時捷股份公司：2018.02.

[2]Cayenne 2018（9YA）車間信息[R].保時捷股份公司：2018.06.

[3]陳亦可.鋰離子蓄電池正極材料LiFePO_4的研究進展[J].電源技術.2003，5（27）：488-489.