電池的電氣化趨勢及系統檢修
——評《新能源汽車電池與管理系統檢測與維修》

吳 程

(1.江蘇省江陰中等專業學校,江蘇 無錫 214433;2.江陰中等專業學?？萍紖f會,江蘇 無錫 214433)

在汽車加速駛向智能化、電氣化的時代,電池已經成為重要的儲能設備。中國的新能源汽車總量已突破1 000 萬輛,根據專業機構預測,2022 年中國新能源汽車銷量相對2021 年將同比增長47%,未來會有更多動力電池應用于電動汽車。新能源汽車的發展勢不可擋,但安全問題同樣需要引起行業重視。目前,新能源汽車的故障主要體現在動力電池、驅動電機與電控系統方面,因此,需要重視新能源汽車電池與管理系統的檢修。

人力資源社會保障部教材辦公室組織編寫的《新能源汽車電池與管理系統檢測與維修》系統地闡述了動力電池管理系統的工作原理、故障檢測和排除方法。全書一共分為4 個模塊:模塊一為動力電池與管理系統認知,含2 個課題;模塊二為動力電池的檢修,含4 個課題;模塊三為動力電池管理系統的檢修,含6 個課題;模塊四為動力電池與管理系統故障診斷與評估,含3 個課題。

1 動力電池的電氣化趨勢及電池系統概述

新能源時代,電氣化是必然趨勢。當前新能源汽車的電動化來源于動力電池,而電動化是電氣化的核心。整車級的電氣化架構,使新能源汽車可實現更高級別的自動駕駛、智能化。無線電池管理系統技術、熱管理技術、電池安全技術等都是動力電池電氣化發展的方向。

新能源汽車的動力電池系統包括動力電池和管理系統兩個部分。目前電動汽車上二次電池的主要類型有鋰離子電池、鎳氫電池和鉛酸電池等。鋰離子電池具有體積小、輕量化和高電壓化的特點,比傳統的二次電池壽命更長,應用于現今大部分新能源車。鎳氫動力電池也有一定的應用,混合動力汽車用的鎳氫電池已開發出圓形和方形兩種。鉛酸電池是成熟的新能源電池系統,主要優點是電壓較高(2.0 V)、制造成本低、高倍率放電性能好等;缺點是比能量低,質量和體積較大,充電耗時較長,使用壽命短,同時由于鉛是重金屬,存在污染。

動力電池管理系統主要是通過監控電池的狀態進行對應的控制調整和策略執行,防止電池出現過充電和過放電,確保電池系統安全穩定運行,延長電池的使用壽命。電池管理系統能實時監控電池的電壓、電流、溫度等參數,實現對電池的熱管理、均衡管理、高壓及絕緣測試等,并能測試電池剩余容量、充放電功率、荷電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)。電池管理系統一般包含4 項功能:①監測功能;②電池狀態計算功能;③系統輔助功能;④通信與診斷(在線診斷與預警)功能。狀態管理主要包括電池狀態的監測和評估。電池狀態的監測包括電壓、電流和溫度的監測等;電池狀態的評估包括剩余電量估算及電池老化評估等。

2 動力電池的檢修

對新能源汽車的動力電池檢修主要包括:動力電池的檢測與更換、動力電池模組的更換、動力電池的檢測與維護、動力電池高壓維修開關的檢測與更換。

動力電池的檢測主要是檢查電池外殼有無漏液和破裂等現象。對可以維修的進行補修,對損壞嚴重的進行更換,并且將電池表面清理干凈。需要注意的是,電池在更換前,要保證點火開關、空調、燈光等都處于關閉狀態,拆卸時先拆負極電纜,再拆正極電纜。

動力電池需要進行適當的日常維護,以確保持久耐用。①儲存過程中嚴禁失電。當電池閑置時,應每月充一次電,以保持電池健康。②定期檢查。如果電池組中的某只或某幾只電池出現了極板軟化、電池破損等短路現象,會直接影響電池的性能,應及時進行檢查、維修。③避免大電流放電,使動力電池極板的物理性能下降。

動力電池模組是由多個電池模塊或電池單體串聯或并聯組成的一個組合體。正確更換動力電池模組必須按步驟嚴格執行。①車輛初步檢查。重點確認駐車制動,N 檔狀態;使發動機熄火,點火鑰匙保持在ON 檔,連接故障診斷儀,讀取故障碼;關閉點火開關,鑰匙放在口袋內,避免他人誤操作通電,發生電氣事故。②高壓系統斷電及絕緣檢測。斷開電池負極;把負極極樁用膠帶覆蓋;斷開電源分配單元(PDU)控制電路35 針插件,在PDU 端安裝安全密封塞;檢查低壓控制線束插件外觀并完成拆卸;檢查低壓控制線束動力電池端插件狀況;檢查動力電池高壓線纜動力電池端插件外觀,測量動力電池端插座母線正負輸出端電壓,判斷繼電器模組是否正常斷開。③動力電池包拆卸。④安裝動電池包。最后接上診斷儀進行診斷,如無故障,則說明更換正常。

高壓維修開關在電動汽車的安裝位置相對廣泛,包括車廂中部或車廂后部的扶手箱內,以及儲物箱內等等。不同品牌的車及車型位置各有不同,需按照車輛維修手冊提示進行查找。任何時候需要斷開高壓維修開關時,必須先斷開低壓12 V 電池。維修開關是新能源汽車的關鍵部件,但部分新能源電動汽車無此開關。目前國內對于維修開關的研究還處在基礎階段。

3 動力電池管理系統的檢修

動力電池管理系統作為新能源車動力電池的控制中樞,發揮著對動力電池保護、監測、電能有效輸出作出指揮和決策的作用。動力電池管理系統的檢修主要包括:信息采集器的檢測與更換、管理控制器的更換、電池安全保護元件的檢測與更換、熱管理系統的檢測與更換、均衡管理系統的檢測與均衡、電池安全保護系統的檢測。

電池信息采集器主要是對電池的電壓、溫度采樣,以及電池均衡、采樣線異常檢測等。

電池管理控制器的功能主要是充/放電管理、接觸器控制、功率控制、電池異常狀態報警和保護、SOC/SOH 計算、自檢和通訊等。引起電池管理控制器故障的原因主要是電源供電異常、控制器自身損壞或搭接不良等。確認故障后,需要進行更換,更換時需重新標定電池容量和SOC。

常見的安全保護元件有正溫度系數(PTC)過流保護器、負溫度系數(NTC)熱敏開關、保險絲(FUSE)。PTC 元器件主要是過大電流保護,當電流或溫度升高到一定限制時,使電流降至毫安級。NTC 元器件主要是對電路中的電流異常和溫度變化異常進行快速感應,并通過對開關內雙金屬片的跳脫控制,實現對電池的保護,在鋰離子電池電路保護應用中較為常見。NTC 熱敏開關金屬片跳脫后可能無法復位,導致電池組電壓無法工作。當電池的溫度上升到額定值或者電路中電流超過額定值時,FUSE 熔斷,通過斷開電路來保護電池組。

動力電池熱管理系統的功能主要是準確測量和監測動力電池的溫度。當電池溫度高于限值時,要能及時有效地進行散熱降溫,保持理想工作溫度;低溫條件下要能快速加熱,使電池處于能正常運行的溫度范圍內;確保動力電池系統溫度分布均勻,降低單體電池間的溫差,溫差不得大于5 ℃。對熱管理系統的檢測主要有:①冷卻風扇低速檔不運轉的檢修;②PTC 加熱水泵不工作的檢修;③三通電磁閥的檢修。

動力電池均衡管理系統的作用主要是克服電芯的不一致性,即電化學反應的不一致性。均衡方式分為被動和主動兩種。被動均衡主要是能量消耗型,把能量多的電芯通過一個小電阻給耗散掉。主動均衡的種類很多,本質是能量的轉移。主動均衡分為集中式與分散式,集中式首先從整組的電池中獲取能量,然后通過電能轉化裝置向能量少的電池補充能量;分散式是在相鄰的電池之間布置一個儲能環節,采用電感或電容,使能量在相鄰電池間流動,實現能量從多到少的傳遞。主動均衡的優點是均衡電流大,能量耗散少,缺點是電路復雜,成本高,熱風險較大。

電池安全保護系統主要是在硬件設計過程中,選擇高分子聚合物正系數溫度電阻(PPTC)、FUSE 等被動保護器件,保護電子電路在各類復雜環境中的功能完整和安全,確保安全可靠地運行。

4 動力電池與管理系統故障診斷與評估

純電動汽車電池系統故障診斷的基本思路:①故障診斷儀器讀取數據。通過對讀取的電池組數據進行判斷,確認故障類型。如單只電池電壓是否異常:電壓過高會導致無法充電;電壓過低會開啟斷電保護。充電過程中,單只電池最高電壓應低于3.8 V;行車過程中,單只電池電壓低于2.2 V 會斷電保護,低于2.4 V 系統會報警。此外,還有單只電池溫度是否異常,溫度過高會導致無法充電(高于65 ℃有充電保護)。②外觀及漏電檢測。檢查電池組外觀是否損壞、漏液,以及電池對外絕緣電阻檢測。③上電流程。確認動力電池系統工作是否正常。

混合動力汽車由于設計有電力和內燃機的雙重動力結構,在故障診斷過程中,既要檢查內燃機的動力系統,又要檢查電力驅動系統。常見的故障主要包括因電力系統導致內燃機不能驅動,或電力驅動系統失效的故障癥狀。驅動電機系統常見的故障有:①變頻器本身故障;②變頻器溫度傳感器故障或控制電機溫度過高;③控制電機角度傳感器故障等。

新能源汽車用動力電池性能衰退將導致電池系統性能的下降、故障率提升,運行成本和維護成本顯著增加。對動力電池的SOH 進行科學準確評價,對延長動力電池使用壽命以及提高系統運行的安全性和可靠性具有重要意義。目前動力電池系統配置的電池管理系統大都具備SOH 估計功能,在明確動力電池系統SOH 定義的前提下,采用電池參數當前值與初始值的比值,來衡量電池系統的健康程度。由于動力電池電化學體系的復雜性,僅選取單一參數無法正確地評價電池的SOH,因此在充分研究總結電池容量、能量等參數隨老化狀態的變化特性的基礎之上,提出五大參數:放電容量保持率、放電能量保持率、能量效率保持率、峰值功率保持率、直流內阻變化率。

5 結語

《新能源汽車電池與管理系統檢測與維修》一書系統介紹了新能源汽車動力電池類型、結構原理、檢測和故障排除方法等,指導對動力電池管理系統的故障檢測及排除,對動力電池系統進行拆裝、檢測和故障排除,具有較高的參考價值。本書內容豐富、理論結合實際、實用性強、可讀性強,適用于全國技工院?；蚵殬I院校新能源汽車檢測與維修專業的教學使用,也可作為新能源汽車技術人員培訓教材及參考用書。

書名:新能源汽車電池與管理系統檢測與維修

作者:人力資源社會保障部教材辦公室 編著

ISBN:9787516750186

出版社:中國勞動社會保障出版社

出版時間:2022-04

定價:￥40.00 元