新能源汽車動力電池壓差故障診斷與維修技術分析

摘 要：本文系統地探討了新能源汽車動力電池壓差故障的定義、影響、成因及其維修技術。首先，詳細闡述了動力電池壓差故障的定義和影響，指出其對新能源汽車的性能、安全性和壽命都具有顯著影響。接著，分析了導致動力電池壓差故障的主要原因，包括電池組不平衡、溫度差異、充放電不均等。在此基礎上，本文提出了針對這些因素的維修技術，包括電池均衡技術、溫度控制策略和充放電管理方法。最后，展望了動力電池壓差故障維修技術的發展趨勢，強調了其對于提高新能源汽車的性能、安全性和用戶體驗的重要性。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池 故障診斷 維修技術

新能源汽車在全球范圍內迅速發展，動力電池作為其核心部件，其性能和安全性備受關注。鋰離子電池雖為主流，但長期使用易出現壓差故障，影響性能和安全。本文系統分析動力電池壓差故障的成因及影響，探討維修技術，旨在提升新能源汽車可靠性和安全性，為行業技術進步和可持續發展提供理論及實踐指導。

1 動力電池壓差故障概述

1.1 動力電池壓差故障的定義

動力電池壓差故障是新能源汽車行業中一個常見且重要的技術問題。它指的是在動力電池組中，各個單體電池或電池模塊之間的電壓出現顯著差異的現象。電池組中最高單體電壓與最低單體電壓之間的差值超過了預設的閾值，這個閾值的具體數值會因電池類型、容量和應用場景的不同而有所差異。例如，對于某些鋰離子電池系統，當單體電壓差異超過100mV時，就可能被認為出現了壓差故障。

1.2 動力電池壓差故障的影響

動力電池壓差故障對新能源汽車的性能、安全性和壽命都有顯著影響，是亟須解決的技術問題。首先，從性能角度來看，壓差故障會直接影響電池組的輸出功率和能量效率。當電池組中存在壓差時，整體性能會被限制在最弱電池的水平，導致電動汽車的續航里程減少、加速性能下降。

壓差故障還會影響電池的充電效率。在充電過程中，由于單體電池之間的電壓不一致，可能導致某些電池過早達到充電截止電壓，而其他電池尚未充滿。這不僅降低了充電效率，還可能造成電池組容量的實際利用率下降。

從安全性角度考慮，壓差故障可能引發更嚴重的安全隱患。當某些單體電池的電壓過高時，可能導致過充現象，增加熱失控和起火的風險。相反，電壓過低的電池可能發生過放，造成不可逆的損害。此外，壓差過大還可能引起電池內部材料的結構變化，進一步加劇安全風險。

壓差故障會顯著縮短動力電池的使用壽命。不均衡的充放電會加速某些單體電池的老化速度，導致電池組整體容量的快速衰減。

壓差故障還會對電池管理系統（BMS）的正常運行造成影響。BMS可能無法準確估算電池的剩余容量和健康狀態，從而影響電動汽車的能量管理策略和續航里程預測的準確性。[2]

動力電池壓差故障的影響是全方位的，涉及性能、安全、壽命和用戶體驗等多個方面。因此，深入研究壓差故障的成因和解決方案，對于提升新能源汽車的整體性能和可靠性具有重要意義。

2 動力電池壓差故障的原因分析

2.1 電池組不平衡

電池組不平衡是導致動力電池壓差故障的主要原因之一。在理想狀態下，動力電池組中的每個單體電池應具有相同的容量、內阻和充放電特性。然而，由于制造工藝、材料質量和使用條件等因素的差異，實際應用中很難保證所有單體電池的完全一致性。

電池組不平衡主要表現在以下幾個方面。

容量不一致。由于制造過程中的誤差，不同單體電池的實際容量可能存在差異。這種差異會導致在相同的充放電條件下，某些電池比其他電池更快達到充滿或放空狀態。[1]

內阻差異。內阻是影響電池性能的關鍵參數。內阻較大的電池在充放電過程中會產生更多的熱量，并且其電壓變化更劇烈，容易導致壓差的產生。

自放電率不同。不同單體電池的自放電率可能存在差異，這會導致長期存儲或閑置時電池組出現不平衡。

老化速度不一致。隨著使用時間的增加，不同單體電池的老化速度可能不同，進一步加劇了電池組的不平衡狀態。

電池組不平衡不僅直接導致壓差故障的產生，還會引發一系列連鎖反應。例如，容量較小或內阻較大的電池在充放電過程中更容易達到極限狀態，可能發生過充或過放。這不僅會加速該電池的老化，還可能影響整個電池組的性能和安全性。

2.2 溫度差異

溫度差異是導致動力電池壓差故障的另一個重要因素。在新能源汽車運行過程中，動力電池組內部和外部的溫度分布往往是不均勻的，這種溫度差異會直接影響電池的電化學性能，進而導致壓差故障的產生。

溫度對電池的內部電化學反應速率有顯著影響。通常，溫度越高，電化學反應速率越快，電池的內阻就越小。這意味著，在同一電池組中，溫度較高的電池單體可能比溫度較低的電池單體具有更低的內阻，從而在充放電過程中表現出不同的電壓特性。[3]

溫度差異會影響電池的充放電效率。在充電過程中，溫度較高的電池單體可能會更快地達到充電截止電壓，而溫度較低的電池單體可能還未充滿。同樣，在放電過程中，溫度較低的電池單體可能會更快地達到放電截止電壓。這種不一致性會導致電池組中出現明顯的電壓差異。

長期的溫度差異還會加速某些電池單體的老化速度。一般來說，高溫環境會加速電池的副反應，如電解液分解、SEI膜生長等，從而加速電池容量的衰減。這意味著，電池組中長期處于較高溫度的單體可能會比其他單體更快地出現性能退化，進一步加劇壓差問題。

溫度差異的產生有多種原因，包括但不限于：電池組的結構設計不合理，導致散熱不均勻；外部環境溫度的變化，如陽光直射或極端天氣；充放電過程中的焦耳熱分布不均；電池管理系統的溫度控制策略不當。

2.3 充放電不均

充放電不均是導致動力電池壓差故障的又一重要原因。在理想情況下，電池組中的每個單體電池應該同時進行相同程度的充放電。然而，由于各種因素的影響，實際使用中很難實現完全均衡的充放電過程，這就導致了壓差故障的產生。

充放電不均主要表現在以下幾個方面。

電流分布不均。由于電池組內部連接電阻的差異，可能導致某些電池承受更大的電流，而其他電池則承受較小的電流。這種電流分布的不均勻性會直接影響各個電池的充放電狀態。

充電深度不一致。在充電過程中，由于各單體電池的初始狀態、內阻和容量等參數的差異，可能導致某些電池更快地達到充滿狀態，而其他電池仍處于未充滿狀態。

放電深度不一致。類似地，在放電過程中，某些電池可能比其他電池更快地達到放電截止電壓，導致整個電池組的放電過程提前終止。

均衡充電不足。雖然現代電池管理系統通常包含均衡充電功能，但如果均衡策略不當或均衡時間不足，仍可能無法完全消除充電過程中的不均衡性。

充放電不均會導致電池組中各單體電池的SOC（荷電狀態）和SOH（健康狀態）逐漸產生差異。長期來看，這種差異會不斷累積，最終導致明顯的壓差故障。

2.4 其他因素

除了前面提到的電池組不平衡、溫度差異和充放電不均外，還有一些其他因素可能導致動力電池壓差故障的產生。

制造工藝和材料質量。例如，電極材料的成分和結構的微小變化、隔膜的厚度和孔隙率的差異、電解液的浸潤程度等，都可能影響電池的初始性能，為后續壓差故障的產生埋下隱患。

機械應力和振動。新能源汽車在行駛過程中會經歷各種機械振動和沖擊。這些外部應力可能導致電池內部結構的微小變化，如電極材料的脫落、隔膜的變形等。長期累積的機械應力可能使某些單體電池的性能比其他電池更快地退化，從而導致壓差的產生。

環境因素。除了溫度外，濕度、海拔等環境因素也可能影響電池的性能。例如，在高濕度環境下，電池封裝如果不夠嚴密，可能導致水分滲入，影響電池的性能。高海拔地區的低氣壓環境可能影響電池內部氣體的平衡，進而影響電化學反應。

電磁干擾。電動汽車的高功率電機和電力電子設備可能產生強烈的電磁場。盡管現代電池管理系統通常具有良好的電磁兼容性，但在某些極端情況下，強電磁干擾仍可能影響電池管理系統的正常工作，導致電壓測量或均衡控制的誤差。

軟件和算法問題。電池管理系統的軟件bug或算法缺陷可能導致對電池狀態的錯誤判斷或不當控制。例如，SOC估算算法的偏差可能導致充放電控制不當，進而加劇壓差問題。

使用模式。用戶的使用習慣和充電模式也可能影響壓差故障的產生。例如，頻繁的快充或經常性的深度放電可能加速某些單體電池的老化，導致電池組內部性能差異的加劇。

3 動力電池壓差故障的維修技術

3.1 電池均衡技術

動力電池壓差故障是新能源汽車行業面臨的重要挑戰之一，其中電池均衡技術是解決這一問題的關鍵方法。電池均衡技術旨在消除或減少電池組內各單體電池之間的電壓差異，從而提高整個電池組的性能和壽命。

電池均衡技術主要分為被動均衡和主動均衡兩種方式。被動均衡通過在高電壓電池上并聯電阻進行放電，將多余的能量以熱量形式消耗掉，從而實現電池組的均衡。這種方法實現簡單，成本較低，但效率不高，且會造成能量浪費。主動均衡則通過電路設計，將高電壓電池的能量轉移到低電壓電池，實現能量的有效利用。主動均衡效率更高，但電路相對復雜，成本也較高。

在實際應用中，選擇合適的均衡策略對于提高電池組性能至關重要。例如，對于輕度不平衡的電池組，可以采用簡單的被動均衡方法；而對于嚴重不平衡或高端動力電池系統，則可以考慮采用主動均衡技術。此外，結合電池管理系統（BMS）的實時監測，可以實現更加精準和高效的均衡控制，進一步提升電池組的整體性能和壽命。

3.2 溫度控制策略

溫度控制是動力電池壓差故障維修技術中的另一個重要方面。溫度對電池性能和壽命有顯著影響，不均勻的溫度分布可能導致電池組內部出現壓差，進而影響整體性能和安全性。因此，有效的溫度控制策略對于解決和預防壓差故障至關重要。

溫度控制策略主要包括以下幾個方面。

優化電池包的結構設計。通過合理布局冷卻通道，提高散熱效率，減少熱點的產生。例如，采用液冷系統可以更均勻地控制電池組溫度，有效降低溫度梯度。

實施智能溫度管理。利用溫度傳感器實時監測電池組各部位溫度，結合電池管理系統（BMS）進行智能調控。當檢測到溫度異常時，系統可以自動啟動冷卻或加熱裝置，維持電池組在最佳工作溫度范圍內。

優化充放電策略。根據環境溫度和電池溫度，動態調整充放電電流和功率，避免在極端溫度下進行高功率充放電，減少溫度波動對電池的影響。[4]

開發高效的熱管理材料。例如，使用相變材料（PCM）可以吸收或釋放潛熱，有效緩解溫度波動，保持電池組溫度的穩定性。

通過綜合應用這些溫度控制策略，可以有效減少電池組內部的溫度差異，降低壓差故障的發生概率，提高動力電池的性能和壽命。

3.3 充放電管理方法

充放電管理是動力電池壓差故障維修技術中的關鍵環節。合理的充放電管理不僅可以預防壓差故障的發生，還能延長電池壽命，提高整體性能。在新能源汽車產業快速發展的背景下，充放電管理的重要性日益凸顯。

充放電管理方法主要包括以下幾個方面。

實施智能充電策略。采用分段充電法，即在不同荷電狀態（SOC）下使用不同的充電電流。例如，在SOC較低時使用恒流充電，而在SOC較高時逐步降低充電電流，這樣可以有效減少電池內部壓力差異，降低壓差故障的風險。

優化放電管理。通過電池管理系統（BMS）實時監控每個電池單元的電壓和溫度，動態調整放電策略。當檢測到某些電池單元電壓過低時，可以及時限制放電電流或進行均衡充電，防止過度放電導致的壓差故障。[6]

實施預充電和預放電技術。在正式充放電之前，先進行小電流的預充電或預放電，可以減少電池內部的突變應力，降低壓差故障的發生概率。

開發智能電池管理算法。利用機器學習等人工智能技術，根據電池的使用歷史和當前狀態，預測未來的性能變化，從而制定最優的充放電策略。例如，可以根據預測的電池壽命曲線，動態調整充放電深度，平衡性能需求和電池壽命。

通過綜合應用這些充放電管理方法，可以有效控制電池組內部的電壓差異，降低壓差故障的發生概率，同時提高動力電池的使用效率和壽命。

4 結論

本研究針對新能源汽車動力電池壓差故障及其維修技術進行了深入探討，得出電池均衡技術、溫度控制策略和充放電管理方法是提升電池可靠性與安全性的關鍵。隨著新能源汽車產業的快速發展，未來研究將聚焦于智能BMS開發、AI優化充放電策略及大數據預測性維護，動力電池壓差故障的問題將得到更好的解決，從而推動新能源汽車產業的可持續發展。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目《汽車剎車油門一體化系統的設計與研究》（2024KY1397）。廣西電力職業技術學院2023年度科研提升項目《一種智能汽車充電裝置的設計和研究》（2023ZKY12）。

參考文獻：

[1]覃星云.新能源汽車動力電池壓差故障及維修技術[J].中國高新科技，2024（19）：143-145.

[2]溫蓉蓉.新能源汽車動力電池系統故障診斷分析[J].時代汽車，2024（19）：116-118.

[3]施海鳳，劉瓊瓊，費孝濤，等.2018款比亞迪E5車動力電池溫度采集異常故障分析[J].汽車維護與修理，2024（19）：27-29.

[4]李永偉.新能源汽車動力電池系統故障診斷研究綜述[J].時代汽車，2023（05）：184-186.

[5]樊凱，楊麗杰.新能源汽車動力電池故障的診斷與維護分析[J].時代汽車，2023（11）：144-146.

[6]黃順，何佳偉，鄭望曉．基于神經網絡的動力電池單體電壓差預測方法[J].電源學報，2023，21（1）：151-158．