當(dāng)前在商業(yè)化運(yùn)行的純電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車上，實(shí)際使用的高壓動(dòng)力電池主要有兩類：一類是鎳氫電池，另一類是磷酸鐵鋰電池。如豐田車系的雷克薩斯、皇冠及普銳斯，以及別克君越、本田思域等混合動(dòng)力汽車，均使用鎳氫電池；如比亞迪e6、K9、秦和唐等純電或混動(dòng)車型，以及國(guó)內(nèi)其他電動(dòng)汽車大多采用磷酸鐵鋰電池。全球著名的特斯拉純電動(dòng)汽車，使用的也是一種鋰電池—鈷酸鋰電池，也被稱作三元電池。在深圳市商業(yè)運(yùn)行的電動(dòng)汽車中，行駛最早的如豐田普銳斯車型已有14年多，一般較普及的電動(dòng)公交大客車如五洲龍牌油電混合公交車，以及比亞迪純電動(dòng)出租車e6 和大客車K9 等，也有6年多的行駛年齡。這些車型上的高壓蓄電池及相關(guān)裝置，經(jīng)過長(zhǎng)期使用已逐步進(jìn)入維修期。我們?cè)趯?shí)際維修中，陸續(xù)遇到了高壓電池及其控制裝置的各類故障，對(duì)它們的維修獲得了一定的認(rèn)知。以下就鎳氫電池和鐵鋰電池這兩類高壓蓄電池的原理及特點(diǎn)，以及實(shí)際維修案例中遇到的檢測(cè)技術(shù)等問題，作具體的介紹分析。
一、高壓動(dòng)力電池的原理與特點(diǎn)
1.鎳氫電池
在美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的混合動(dòng)力汽車上，目前使用最多的是鎳氫電池。鎳氫電池的正極材料是氫氧化鎳(NiOH)，負(fù)極則是金屬氫化物，即為儲(chǔ)氫合金(MH)，電解液是30%的氫氧化鉀水溶液。這里所謂“儲(chǔ)氫合金”是指具有很強(qiáng)“吸收”氫氣能力的金屬鎳，其單位體積儲(chǔ)氫的密度可相當(dāng)于儲(chǔ)存1000個(gè)大氣壓的高壓氫氣。儲(chǔ)氫合金的關(guān)鍵在于能穩(wěn)定的儲(chǔ)氣和放氣，其工作原理是利用水的氫離子移動(dòng)反應(yīng)來獲得電流，這時(shí)氫氣在負(fù)極上被逐漸消耗掉。鎳氫電池的電極反應(yīng)為下式，式中e指帶電的電子。
正 極 ：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e
負(fù)極：M + H 2 O + e = M H a b + O H - Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab
鎳氫電池是在鎳鎘電池基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，但鎳鎘電池中有重金屬鎘，對(duì)環(huán)境有重度污染，所以鎳鎘電池在發(fā)達(dá)國(guó)家目前均已限制發(fā)展和使用。鎳氫電池則不存在重金屬污染問題，而且鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都優(yōu)于鎳鎘電池，故被稱之為“綠色”電池。其主要特點(diǎn)有：
(1) 電池的比能量較高，即單位質(zhì)量的能量密度較大，鎳氫單體電池的額定電壓為1.2V，通常由六個(gè)或十個(gè)單體電池構(gòu)成一塊電壓為7.2V 或 12V 的電池組，豐田普銳斯混合動(dòng)力車型上就用了這種7.2V 一節(jié)的電池( 圖1)，電容量為6.5Ah,實(shí)測(cè)每節(jié)外形尺寸為274×106×20mm3，質(zhì)量為1.1kg，有28節(jié)串聯(lián)共計(jì)201.6V。鎳氫電池的比能量超過70Wh/kg，車輛一次充電可續(xù)駛里程較長(zhǎng)，適合在電動(dòng)汽車上使用。同時(shí)其比功率可達(dá)200W/kg，在車輛加速或爬坡時(shí)輸出大電流，能平穩(wěn)持續(xù)放電來提供大功率。同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)快速放電和充電，電池耐過充和耐過放的能力均較強(qiáng)。
圖1 豐田電動(dòng)汽車上的Ni-MH鎳氫電池組
(2)鎳氫電池在放電和充電過程中，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，電解液不會(huì)出現(xiàn)增加或減少的現(xiàn)象，不需調(diào)節(jié)電解液的密度，故電池本身可以采取密封結(jié)構(gòu)，電池能實(shí)現(xiàn)免維護(hù)保護(hù)。
(3) 所謂電池的“記憶效應(yīng)”是指如果電池每次沒有放完電，如只放出40%，那么長(zhǎng)期使用后，剩下的60%容量就無法放出，這就大大縮小了電池的儲(chǔ)存電容量，直接影響電池的使用。但鎳氫電池基本上不存在記憶問題，不要求100%放完電后才允許充電，能做到隨放隨充，極大地方便了電動(dòng)汽車的充放電。即便鎳氫電池在空置狀態(tài)下放置一年，再充電時(shí)仍可恢復(fù)原容量97%以上電量，基本上與新電池一樣。如在較長(zhǎng)放置時(shí)有意讓電池內(nèi)部存有一部分電，則電池的恢復(fù)儲(chǔ)電能力可更快更高。
(4)鎳氫電池與鎳鎘電池比較，不存在鎳鎘電池中的金屬鎘對(duì)環(huán)境有重度污染的問題。鎳氫電池還可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。電池安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)充放電的次數(shù)可達(dá)3000 次以上，市場(chǎng)實(shí)際使用證明其壽命容易超過十年。
(5)鎳氫電池的缺點(diǎn)則是存儲(chǔ)的電壓較低，能量密度也偏低，當(dāng)前的價(jià)格相對(duì)較高；電池的均勻性較差，特別是在高速率、深放電的狀況下，單體電池之間的容量和電壓的差別較大；電池的自放電率較高；鎳氫電池使用最重要的是要避免過充電和過放電，溫度特性差，在45℃以上的高溫環(huán)境，或在低于0℃ 以下環(huán)境下，鎳氫電池將無法正常工作，電池容量與現(xiàn)實(shí)要求還有較大差距等問題，影響著氫鎳電池在電動(dòng)汽車上的廣泛使用。
2.磷酸鐵鋰電池
鋰離子蓄電池是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電的電池，比鎳氫電池更晚。其比能量大于氫鎳電池，能存儲(chǔ)更多的電能量，而且具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、電池?zé)o記憶效應(yīng)和不污染環(huán)境等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。其主要研究集中在大容量、長(zhǎng)壽命和安全性三個(gè)方面，成為當(dāng)前能量存儲(chǔ)技術(shù)的熱點(diǎn)。其中磷酸鐵鋰離子電池(LiFePO4)成熟應(yīng)用在電動(dòng)汽車上。正極是呈橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰，電池負(fù)極是石墨，中間是聚乙烯或聚丙烯材料制成的隔膜板，電池中部的上下端間裝有有機(jī)電解質(zhì)，外殼由金屬材料密封。隔膜板可把正極與負(fù)極隔開，同時(shí)還在電池異常高溫時(shí)，隔膜板上的細(xì)孔起阻斷鋰離子通道的作用，可中止充電或放電反應(yīng)，有效防止電池外部短路電流過大時(shí)，反應(yīng)過激產(chǎn)生溫度過高的現(xiàn)象。
磷酸鐵鋰離子蓄電池其結(jié)構(gòu)如圖2所示，電池正極與鋁箔連接，負(fù)極則用銅箔相接，可直接與外電路連接。電池內(nèi)部鋰離子在正負(fù)極材料晶格中可自由擴(kuò)散，當(dāng)電池在放電時(shí)，鋰離子從石墨負(fù)極板層狀結(jié)構(gòu)中析出，通過隔膜板到達(dá)正極板，鋰離子的移動(dòng)就產(chǎn)生了電流；反之在充電時(shí)，鋰離子在電勢(shì)作用下從正極中脫出嵌入到石墨負(fù)極中。在電池充放電循環(huán)過程中，借助于電解液的作用，鋰離子在電池的兩極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鐵鋰電池的單體電池標(biāo)稱電壓是3.2V，充電終止時(shí)的最高電壓為3.6V，最大放電的電壓為2.0V。磷酸鐵鋰電池通常采用圓形卷繞式的“18650”型電池結(jié)構(gòu)，即電池直徑為18mm 高度為65mm，目前最大容量為3100mAh。圖3 是18650 型電池構(gòu)成的五洲龍電動(dòng)大巴的電池箱。
圖2 鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)
圖3 用圓形卷繞式單體電池構(gòu)成電池組
磷酸鐵鋰離子蓄電池的特點(diǎn)主要有：
(1) 可實(shí)現(xiàn)高功率輸出，能量密度大，適合電動(dòng)大客車上使用。單體電池標(biāo)稱電壓為3.6V 是鎳氫電池的3倍，容量和體積比鎳氫電池小得多。其充放電流的特性是大而快，按電池的容量安時(shí)數(shù)“C”值計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)充放電流為2 ～ 5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，10s的瞬間脈沖放電可達(dá)20C，可為車輛起步和加速瞬間提供足夠大的電流和驅(qū)動(dòng)功率，為電動(dòng)汽車的普及推廣使用帶來極大的方便。
(2)電池的溫度特性寬廣。鐵鋰電池可在環(huán)境為-20℃～75℃溫度下均能正常工作，電熱峰值可達(dá)350℃以上。由于電池內(nèi)部進(jìn)行充放電的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，外部環(huán)境溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則可達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時(shí)溫度甚至可達(dá)160℃！只要電池有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)降熱裝置，即可保證電池的正常使用。但實(shí)踐證明，在比亞迪或五洲龍電動(dòng)汽車上，高壓蓄電池箱沒有設(shè)置專門的風(fēng)扇降溫裝置，只依靠車輛行駛帶來的散熱效果，電池仍能正常使用。
(3) 磷酸鐵鋰電池使用安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。鐵鋰電池的正極材料具有良好的電化學(xué)性能，有十分平穩(wěn)的充放電平臺(tái)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即使放電電壓到0時(shí)也絕對(duì)安全，電池安全性好。這種電池提倡使用恒壓恒流充電，當(dāng)3.2V 電壓升到3.6V 時(shí)應(yīng)停止充電，或者維持很小的充電電流；但當(dāng)鋰電池的電壓很低如2V以下時(shí)，也不宜大電流急充電，應(yīng)采用極小的涓流充電，這可有效地延長(zhǎng)電池壽命。這里要指出的是，當(dāng)磷酸鐵鋰電池用過大電流充放電時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)持續(xù)升溫，活化過程中所產(chǎn)生的氣體會(huì)膨脹，當(dāng)電池內(nèi)壓力過大到一定程度時(shí)，會(huì)造成電池的密封鋁塑外殼出現(xiàn)鼓脹或破裂。由于電池管理系統(tǒng)有極可靠的保護(hù)措施，如對(duì)電流、溫度和電壓等參數(shù)監(jiān)測(cè)，對(duì)鐵鋰電池進(jìn)行極有效的保護(hù)，所以在使用過程中，甚至發(fā)生碰撞穿刺的極端情況下，幾乎都沒有爆炸的危險(xiǎn)。
2013 年深圳市曾發(fā)生一輛比亞迪e6電動(dòng)出租車遭遇嚴(yán)重碰撞后，起火燃燒當(dāng)場(chǎng)死亡三人的惡性事故，后經(jīng)組織專家到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，電池只產(chǎn)生變形而造成電池短路引發(fā)起火，但電池的結(jié)構(gòu)仍完整，實(shí)踐證明磷酸鐵鋰電池確實(shí)不會(huì)爆炸。
(4) 電池有較長(zhǎng)的循環(huán)充放電壽命。按國(guó)標(biāo)規(guī)定，可充電電池的循環(huán)壽命測(cè)試，是以深充深放方式進(jìn)行的，即電池以恒流放電到電池額定容量1C值后，再以恒流恒壓方式充電到額定電壓，這個(gè)放電與充電過程稱為一個(gè)“循環(huán)”。磷酸鐵鋰電池在常溫下以1C 電流充放電，單體電池經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%。經(jīng)2 000 次循環(huán)后容量仍大于80% ；其綜合循環(huán)可近2400 ～ 3000次，如果電動(dòng)車每天充電一次，電池連續(xù)使用可達(dá)8 年。
(5) 電池內(nèi)部只有膠態(tài)電解質(zhì)，不存在漏液現(xiàn)象。鐵鋰電池可設(shè)計(jì)成多種形狀，如可制成0.5mm超薄型的，甚至電池還可呈彎曲形狀，可用單顆電池采取多層組合形式，來輸出高電壓的組合電池，這可大大節(jié)省電池的體積。
(6) 磷酸鐵鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)。當(dāng)電動(dòng)汽車在使用過程中，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)電量較少時(shí)，不論電量還存有多少，均可找就近的充電站進(jìn)行補(bǔ)充，能做到隨放隨充，不影響電池的性能，不要求100%放完電后才允許充電，極大地方便了駕駛者的使用。而像鎳鎘電池則嚴(yán)格要求第一次使用時(shí)，一定要用完電必須待充滿了電之后方能使用，這就是由于電池有記憶效應(yīng)而要求的。
(7)磷酸鐵鋰電池的主要缺點(diǎn)其一是生產(chǎn)過程中不可避免仍有鉛、砷、鎘、汞、鉻等重金屬污染的問題，集中報(bào)廢堆放后，仍會(huì)對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成較嚴(yán)重的污染，當(dāng)前仍以桶裝密封深埋為主。其二是電池的均勻一致性較差，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多相化學(xué)反應(yīng)，特別是正、負(fù)極和電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會(huì)有差異，會(huì)造成電池容量出現(xiàn)10% ～20%的較大差異。其三是電池中含有鐵的成分，單質(zhì)鐵會(huì)引起電池的微短路，從而造成電池中最忌諱的放電反應(yīng)，使電池容量下降。其四是磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度較小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積較大，所以這種電池不適宜用于手機(jī)。其五是當(dāng)前這種電池的價(jià)格相對(duì)較昂貴，循環(huán)充放電次數(shù)也有待于提高，即期望的電池壽命超過十年或更長(zhǎng)。
二、高壓動(dòng)力電池檢測(cè)維修案例
不論鎳氫電池或磷酸鐵鋰電池，其單體電池的能量和功率等性能，即電壓、電流和電功率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電源的使用要求，故實(shí)際使用的動(dòng)力電池均是成組集合應(yīng)用，通過串、并聯(lián)的方式，將單體電池組成電池組。但由于單體電池的原有性能差異，以及連接方式的一致性和環(huán)境溫度的差別，造成電池成組后達(dá)不到原有單體電池的性能水平，尤其是使用壽命甚至能縮短數(shù)倍，導(dǎo)致電池的使用和維護(hù)成本大幅度增加。所以在各種電動(dòng)汽車上，對(duì)電池的檢測(cè)顯得特別重要，并已向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化方向發(fā)展。當(dāng)前對(duì)每電池組的檢測(cè)，主要集中在對(duì)組合電池的工作電流、分節(jié)電壓和多點(diǎn)溫度等的監(jiān)測(cè)方面。
1.動(dòng)力電池電流維修案例
一輛2010 年購(gòu)買的比亞迪F3DM 混合動(dòng)力汽車，已正常行駛5 年，超過100000km，在一次高速公路行駛途中，突然發(fā)現(xiàn)該車儀表盤的顯示屏有紅色警報(bào)燈( 圖4)。
圖4 比亞迪電池報(bào)警燈
該車出現(xiàn)電池警告燈報(bào)警后，立即到專業(yè)4S 店報(bào)修。憑借維修電動(dòng)汽車的經(jīng)驗(yàn)證明，一般使用5 ～ 6 年、行駛里程達(dá)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(duì)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(dòng)汽車上電后，動(dòng)力電池就可給驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常供電，再?zèng)]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(cè)動(dòng)力電池工作電流的器件。檢測(cè)電流對(duì)高壓電池是極其重要的，電動(dòng)汽車上多采取“磁平衡補(bǔ)償式”霍爾電流傳感器(圖5)。通過對(duì)比法和具體檢測(cè)分析后，證實(shí)此傳感器的運(yùn)算放大器已損壞。這種傳感器采用非接觸式檢測(cè)主電流，檢測(cè)時(shí)不會(huì)影響被測(cè)電流的大小，也不消耗被測(cè)電源的功率，只需將被測(cè)的主電流導(dǎo)線空心穿過傳感器磁環(huán)即可進(jìn)行測(cè)量。
圖5 霍爾磁平衡式電流傳感器
“磁平衡補(bǔ)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(gè)帶缺口的圓型磁心，所謂“磁平衡補(bǔ)償式”是被測(cè)的主電流穿過圓形磁心時(shí)會(huì)在磁環(huán)上產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(chǎng)。再利用繞在磁心上的多匝線圈，圖上用紅色線圈表示補(bǔ)償線圈通電Is，當(dāng)Is電流通過時(shí)也會(huì)產(chǎn)生用紅色虛線表示的磁場(chǎng)。當(dāng)主電流磁場(chǎng)與補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)這兩個(gè)磁場(chǎng)大小相等方向相反時(shí)，在鐵心的缺口處形成的合成磁場(chǎng)將相互抵消，結(jié)果合成磁場(chǎng)為零，可見次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等的。這時(shí)補(bǔ)償繞組中的電流Is正比于被測(cè)主電流Ip，即可利用Is 檢測(cè)Ip 的大小。圖中的運(yùn)算放大器用于自動(dòng)調(diào)節(jié)Is 大小。當(dāng)補(bǔ)償電流通過電阻R時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)電壓，這個(gè)信號(hào)電壓能檢測(cè)出主電流Ip 的大小。
圖6 “磁平衡補(bǔ)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(cè)主電流的變化。電動(dòng)汽車的起步或運(yùn)行時(shí)，是依靠高壓電池提供電能，向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出電流以使汽車產(chǎn)生動(dòng)力。當(dāng)電動(dòng)汽車工況不同時(shí)，行駛阻力會(huì)發(fā)生變化，車輛行駛時(shí)的電流常為100～ 200A，起步瞬間可高達(dá)1000A。與此同時(shí)，動(dòng)力電池輸出的主電流Ip 也會(huì)快速變化，一旦“磁平衡補(bǔ)償式” 霍爾電流傳感器的磁場(chǎng)平衡受到破壞，霍爾傳感器立即有信號(hào)輸出，會(huì)重新進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償，以達(dá)到新的平衡。這個(gè)平衡過程是極快的，從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間只需1μs，完全可滿足車輛行駛的快速變化對(duì)精準(zhǔn)檢測(cè)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(cè)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(hào)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(dòng)力汽車上使用的電流互感器原裝是英國(guó)的產(chǎn)品，型號(hào)為CSNK500M，在香港的市場(chǎng)價(jià)為每個(gè)200 美元左右，折合人民幣1300元。單獨(dú)檢測(cè)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(fù)荷，檢測(cè)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生熱量，造成動(dòng)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(dòng)力電池的的實(shí)際容量、儲(chǔ)電能量、電功率和壽命等均有較大的影響，同時(shí)也影響電池組的自放電、漏電和儲(chǔ)電時(shí)間等參數(shù)，所以監(jiān)測(cè)電池組的溫度和濕度變化是保護(hù)電池的一項(xiàng)重要措施。但在當(dāng)前實(shí)際使用的電動(dòng)汽車上，為簡(jiǎn)化控制和檢測(cè)，只對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)而不檢測(cè)濕度的變化。因?yàn)橛绊憚?dòng)力電池壽命的最主要因素是工作環(huán)境的溫度，所以對(duì)電池壽命的測(cè)試要求標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度。有試驗(yàn)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(dòng)力電池的工作壽命卻會(huì)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(huì)大大降低，直接影響電動(dòng)汽車的使用。如比亞迪電動(dòng)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(dá)到動(dòng)力電池的工作溫度的要求。
在動(dòng)力電池上均裝有多個(gè)電池溫度傳感器。不同的動(dòng)力電池工作時(shí)的發(fā)熱量也不相同，有的動(dòng)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(qiáng)制通風(fēng)來進(jìn)行冷卻。電池組箱中有多個(gè)電池溫度傳感器分散安裝，用于監(jiān)測(cè)多個(gè)單體電池的溫度。如豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車裝有四個(gè)電池溫度傳感器和一個(gè)電池進(jìn)氣溫度傳感器，別克君越混合動(dòng)力汽車上每個(gè)電池裝有兩個(gè)溫度傳感器。而比亞迪動(dòng)力電池組裝有更多的溫度傳感器，可檢測(cè)每節(jié)電池的溫度。圖7所示的是普銳斯動(dòng)力電池的溫度傳感器，每個(gè)溫度傳感器配雙線，共有4 個(gè)溫度傳感器，分別采用藍(lán)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(huì)造成電池保護(hù)誤判。深圳市公交大客車使用的五洲龍混合動(dòng)力汽車，其動(dòng)力電池分裝在九個(gè)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(yùn)行的震動(dòng)，傳感器震松脫落，造成檢測(cè)誤判報(bào)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(dòng)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(huì)脫落，能靈敏地感應(yīng)電池的溫度變化，在20℃常溫下實(shí)測(cè)電阻為9.5kΩ，溫度約40℃時(shí)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(dòng)力汽車，已正常行駛近300000km，某日儀表板的左顯示屏右上角故障燈亮起，顯示動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。按程序?qū)﹄姵亟M進(jìn)行了檢修，動(dòng)力電池沒發(fā)現(xiàn)接線或其他異常，萬用表檢測(cè)鎳氫電池組的電壓仍有200V，該車仍能起步和行駛。考慮仍可行駛的狀況，檢修時(shí)重點(diǎn)懷疑對(duì)象轉(zhuǎn)為4個(gè)溫度傳感器。發(fā)現(xiàn)有3個(gè)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(jìn)氣溫度信號(hào)用于控制冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。比亞迪F3DM使用的動(dòng)力電池正常工作溫度范圍在20 ～ 80℃之間，適合在我國(guó)大部分地區(qū)使用，可不裝專用的散熱冷卻風(fēng)機(jī)。實(shí)際裝車使用證明，依靠車輛行駛途中的氣流，就可達(dá)到散熱的要求。但鎳氫電池對(duì)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(jī)散熱裝置，圖8為這種風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。風(fēng)機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速高低由專門的電腦控制，其信號(hào)依據(jù)就是電池箱的進(jìn)氣溫度傳感器。普銳斯電動(dòng)汽車使用鎳氫電池，其進(jìn)氣冷卻溫度傳感器是安裝在電池鼓風(fēng)機(jī)到電池箱的底部管道上的，用于檢測(cè)進(jìn)入電池箱的進(jìn)氣溫度。限于電池在車架上的布置空間，絕大多數(shù)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池均采取水平安裝，散熱鼓風(fēng)機(jī)裝在進(jìn)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(dòng)力電池電壓檢測(cè)及維修案例
如果動(dòng)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(shí)，也可能產(chǎn)生警告燈報(bào)警的現(xiàn)象。電動(dòng)汽車不論是采用鎳氫電池組或是磷酸鐵鋰電池組，對(duì)電壓的監(jiān)管都是很嚴(yán)格的。如比亞迪F3DM混合動(dòng)力汽車上的動(dòng)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(gè)跟蹤電壓檢測(cè)取樣點(diǎn)，電壓采樣線為紅色。一旦檢測(cè)到某節(jié)電池的端電壓差異過大時(shí)，在其儀表盤的顯示屏上就會(huì)出現(xiàn)電池報(bào)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(cè)
維修經(jīng)驗(yàn)證明，動(dòng)力電池決不可新舊混用。筆者在檢修動(dòng)力電池時(shí)，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(fèi)用很高，曾嘗試將電壓性能尚好的單體電池留下，對(duì)部分電壓性能極差的舊電池用新單體電池進(jìn)行拼裝，試圖為車主節(jié)省整體更換電池的費(fèi)用。實(shí)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(shí)也不允許采用不同容量的單體電池進(jìn)行串接來替代，因?yàn)檫@會(huì)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(dòng)力電池組。
此外，還應(yīng)重視對(duì)電池的SOC檢測(cè)。SOC 是動(dòng)力電池荷電狀況的指標(biāo)，通過專用檢測(cè)儀能調(diào)取SOC 指標(biāo)，或在部分電動(dòng)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(bào)動(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)某單體電池的溫度傳感器信號(hào)不正常時(shí)，這時(shí)電池報(bào)警燈即刻亮起，預(yù)報(bào)動(dòng)力電池組出現(xiàn)故障，能及早避免電池組早期的損壞擴(kuò)大。如比亞迪F3DM混合動(dòng)力汽車的電池組，每個(gè)單體電池的標(biāo)稱電壓為3.3V，動(dòng)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(shí)候會(huì)降至220V 左右。圖10顯示充電及放電狀態(tài)的SOC 曲線，是指動(dòng)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(lán)線低于下限值時(shí)即應(yīng)充電，否則電池會(huì)由于過度放電而提前損壞；或當(dāng)圖中藍(lán)線超過上限值時(shí)，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(dòng)汽車長(zhǎng)期不用或長(zhǎng)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(shí)會(huì)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(shí)注意應(yīng)避免動(dòng)力電池的長(zhǎng)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(dòng)汽車在高速制動(dòng)狀況回收電能量時(shí)，有時(shí)電池警告燈會(huì)亮起，應(yīng)注意檢測(cè)動(dòng)力電池組的狀態(tài)。如果電動(dòng)汽車在正常充電、起動(dòng)或行駛時(shí)電池警告燈無異常，而當(dāng)高速制動(dòng)時(shí)電池警告燈卻亮起，這時(shí)應(yīng)警惕是否某些單體電池性能已接近損壞。電動(dòng)汽車有能量再生功能，在高速制動(dòng)過程中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)為發(fā)電運(yùn)行，回收動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能給動(dòng)力電池充電。在車輛中速制動(dòng)時(shí)瞬間反充的電流可達(dá)300 ～ 400A，若高速制動(dòng)則電流將超過500A。如果這時(shí)動(dòng)力電池性能已下降，單體電池的端電壓嚴(yán)重不足時(shí)，瞬間的大電流將會(huì)使端電壓迅速上升，就會(huì)出現(xiàn)電池故障燈報(bào)警。為判斷動(dòng)力電池性能是否下降，點(diǎn)擊車載顯示屏上的自診系統(tǒng)進(jìn)行查詢，或?qū)嶋H檢測(cè)動(dòng)力電池的單體電壓，以判斷動(dòng)力電池性能。如充電時(shí)檢測(cè)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(xiàng)
應(yīng)特別重視維修動(dòng)力電池的安全事項(xiàng)，首先應(yīng)在保證人身安全的前提下，切斷動(dòng)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(diǎn)火開關(guān)，取下鑰匙并將其放置妥當(dāng)，以避免意外啟動(dòng)；
(2) 打開后備箱，穿戴絕緣手套拔出紅色動(dòng)力電池組的維修手柄。一般打開電動(dòng)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(fù)極端電纜，保證車上沒有低壓電，這時(shí)可細(xì)心聽到有動(dòng)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(dòng)放完電，再用萬用表電壓檔檢驗(yàn)證明，動(dòng)力電池組高壓線端確實(shí)沒有電壓；
(5) 再次分別檢查動(dòng)力電池的正負(fù)端，對(duì)地?zé)o電壓或電壓小于3V，這時(shí)方可進(jìn)行動(dòng)力電池組的相關(guān)檢測(cè)和修理。
圖11 維修動(dòng)力電池組前的安全斷電程序
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