吴 程

(1.江苏省江阴中等专业学校,江苏 无锡 214433;2.江阴中等专业学校科技协会,江苏 无锡 214433)

在汽车加速驶向智能化、电气化的时代,电池已经成为重要的储能设备。中国的新能源汽车总量已突破1 000 万辆,根据专业机构预测,2022 年中国新能源汽车销量相对2021 年将同比增长47%,未来会有更多动力电池应用于电动汽车。新能源汽车的发展势不可挡,但安全问题同样需要引起行业重视。目前,新能源汽车的故障主要体现在动力电池、驱动电机与电控系统方面,因此,需要重视新能源汽车电池与管理系统的检修。

人力资源社会保障部教材办公室组织编写的《新能源汽车电池与管理系统检测与维修》系统地阐述了动力电池管理系统的工作原理、故障检测和排除方法。全书一共分为4 个模块:模块一为动力电池与管理系统认知,含2 个课题;模块二为动力电池的检修,含4 个课题;模块三为动力电池管理系统的检修,含6 个课题;模块四为动力电池与管理系统故障诊断与评估,含3 个课题。

1 动力电池的电气化趋势及电池系统概述

新能源时代,电气化是必然趋势。当前新能源汽车的电动化来源于动力电池,而电动化是电气化的核心。整车级的电气化架构,使新能源汽车可实现更高级别的自动驾驶、智能化。无线电池管理系统技术、热管理技术、电池安全技术等都是动力电池电气化发展的方向。

新能源汽车的动力电池系统包括动力电池和管理系统两个部分。目前电动汽车上二次电池的主要类型有锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池等。锂离子电池具有体积小、轻量化和高电压化的特点,比传统的二次电池寿命更长,应用于现今大部分新能源车。镍氢动力电池也有一定的应用,混合动力汽车用的镍氢电池已开发出圆形和方形两种。铅酸电池是成熟的新能源电池系统,主要优点是电压较高(2.0 V)、制造成本低、高倍率放电性能好等;缺点是比能量低,质量和体积较大,充电耗时较长,使用寿命短,同时由于铅是重金属,存在污染。

动力电池管理系统主要是通过监控电池的状态进行对应的控制调整和策略执行,防止电池出现过充电和过放电,确保电池系统安全稳定运行,延长电池的使用寿命。电池管理系统能实时监控电池的电压、电流、温度等参数,实现对电池的热管理、均衡管理、高压及绝缘测试等,并能测试电池剩余容量、充放电功率、荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)。电池管理系统一般包含4 项功能:①监测功能;②电池状态计算功能;③系统辅助功能;④通信与诊断(在线诊断与预警)功能。状态管理主要包括电池状态的监测和评估。电池状态的监测包括电压、电流和温度的监测等;电池状态的评估包括剩余电量估算及电池老化评估等。

2 动力电池的检修

对新能源汽车的动力电池检修主要包括:动力电池的检测与更换、动力电池模组的更换、动力电池的检测与维护、动力电池高压维修开关的检测与更换。

动力电池的检测主要是检查电池外壳有无漏液和破裂等现象。对可以维修的进行补修,对损坏严重的进行更换,并且将电池表面清理干净。需要注意的是,电池在更换前,要保证点火开关、空调、灯光等都处于关闭状态,拆卸时先拆负极电缆,再拆正极电缆。

动力电池需要进行适当的日常维护,以确保持久耐用。①储存过程中严禁失电。当电池闲置时,应每月充一次电,以保持电池健康。②定期检查。如果电池组中的某只或某几只电池出现了极板软化、电池破损等短路现象,会直接影响电池的性能,应及时进行检查、维修。③避免大电流放电,使动力电池极板的物理性能下降。

动力电池模组是由多个电池模块或电池单体串联或并联组成的一个组合体。正确更换动力电池模组必须按步骤严格执行。①车辆初步检查。重点确认驻车制动,N 档状态;使发动机熄火,点火钥匙保持在ON 档,连接故障诊断仪,读取故障码;关闭点火开关,钥匙放在口袋内,避免他人误操作通电,发生电气事故。②高压系统断电及绝缘检测。断开电池负极;把负极极桩用胶带覆盖;断开电源分配单元(PDU)控制电路35 针插件,在PDU 端安装安全密封塞;检查低压控制线束插件外观并完成拆卸;检查低压控制线束动力电池端插件状况;检查动力电池高压线缆动力电池端插件外观,测量动力电池端插座母线正负输出端电压,判断继电器模组是否正常断开。③动力电池包拆卸。④安装动电池包。最后接上诊断仪进行诊断,如无故障,则说明更换正常。

高压维修开关在电动汽车的安装位置相对广泛,包括车厢中部或车厢后部的扶手箱内,以及储物箱内等等。不同品牌的车及车型位置各有不同,需按照车辆维修手册提示进行查找。任何时候需要断开高压维修开关时,必须先断开低压12 V 电池。维修开关是新能源汽车的关键部件,但部分新能源电动汽车无此开关。目前国内对于维修开关的研究还处在基础阶段。

3 动力电池管理系统的检修

动力电池管理系统作为新能源车动力电池的控制中枢,发挥着对动力电池保护、监测、电能有效输出作出指挥和决策的作用。动力电池管理系统的检修主要包括:信息采集器的检测与更换、管理控制器的更换、电池安全保护元件的检测与更换、热管理系统的检测与更换、均衡管理系统的检测与均衡、电池安全保护系统的检测。

电池信息采集器主要是对电池的电压、温度采样,以及电池均衡、采样线异常检测等。

电池管理控制器的功能主要是充/放电管理、接触器控制、功率控制、电池异常状态报警和保护、SOC/SOH 计算、自检和通讯等。引起电池管理控制器故障的原因主要是电源供电异常、控制器自身损坏或搭接不良等。确认故障后,需要进行更换,更换时需重新标定电池容量和SOC。

常见的安全保护元件有正温度系数(PTC)过流保护器、负温度系数(NTC)热敏开关、保险丝(FUSE)。PTC 元器件主要是过大电流保护,当电流或温度升高到一定限制时,使电流降至毫安级。NTC 元器件主要是对电路中的电流异常和温度变化异常进行快速感应,并通过对开关内双金属片的跳脱控制,实现对电池的保护,在锂离子电池电路保护应用中较为常见。NTC 热敏开关金属片跳脱后可能无法复位,导致电池组电压无法工作。当电池的温度上升到额定值或者电路中电流超过额定值时,FUSE 熔断,通过断开电路来保护电池组。

动力电池热管理系统的功能主要是准确测量和监测动力电池的温度。当电池温度高于限值时,要能及时有效地进行散热降温,保持理想工作温度;低温条件下要能快速加热,使电池处于能正常运行的温度范围内;确保动力电池系统温度分布均匀,降低单体电池间的温差,温差不得大于5 ℃。对热管理系统的检测主要有:①冷却风扇低速档不运转的检修;②PTC 加热水泵不工作的检修;③三通电磁阀的检修。

动力电池均衡管理系统的作用主要是克服电芯的不一致性,即电化学反应的不一致性。均衡方式分为被动和主动两种。被动均衡主要是能量消耗型,把能量多的电芯通过一个小电阻给耗散掉。主动均衡的种类很多,本质是能量的转移。主动均衡分为集中式与分散式,集中式首先从整组的电池中获取能量,然后通过电能转化装置向能量少的电池补充能量;分散式是在相邻的电池之间布置一个储能环节,采用电感或电容,使能量在相邻电池间流动,实现能量从多到少的传递。主动均衡的优点是均衡电流大,能量耗散少,缺点是电路复杂,成本高,热风险较大。

电池安全保护系统主要是在硬件设计过程中,选择高分子聚合物正系数温度电阻(PPTC)、FUSE 等被动保护器件,保护电子电路在各类复杂环境中的功能完整和安全,确保安全可靠地运行。

4 动力电池与管理系统故障诊断与评估

纯电动汽车电池系统故障诊断的基本思路:①故障诊断仪器读取数据。通过对读取的电池组数据进行判断,确认故障类型。如单只电池电压是否异常:电压过高会导致无法充电;电压过低会开启断电保护。充电过程中,单只电池最高电压应低于3.8 V;行车过程中,单只电池电压低于2.2 V 会断电保护,低于2.4 V 系统会报警。此外,还有单只电池温度是否异常,温度过高会导致无法充电(高于65 ℃有充电保护)。②外观及漏电检测。检查电池组外观是否损坏、漏液,以及电池对外绝缘电阻检测。③上电流程。确认动力电池系统工作是否正常。

混合动力汽车由于设计有电力和内燃机的双重动力结构,在故障诊断过程中,既要检查内燃机的动力系统,又要检查电力驱动系统。常见的故障主要包括因电力系统导致内燃机不能驱动,或电力驱动系统失效的故障症状。驱动电机系统常见的故障有:①变频器本身故障;②变频器温度传感器故障或控制电机温度过高;③控制电机角度传感器故障等。

新能源汽车用动力电池性能衰退将导致电池系统性能的下降、故障率提升,运行成本和维护成本显著增加。对动力电池的SOH 进行科学准确评价,对延长动力电池使用寿命以及提高系统运行的安全性和可靠性具有重要意义。目前动力电池系统配置的电池管理系统大都具备SOH 估计功能,在明确动力电池系统SOH 定义的前提下,采用电池参数当前值与初始值的比值,来衡量电池系统的健康程度。由于动力电池电化学体系的复杂性,仅选取单一参数无法正确地评价电池的SOH,因此在充分研究总结电池容量、能量等参数随老化状态的变化特性的基础之上,提出五大参数:放电容量保持率、放电能量保持率、能量效率保持率、峰值功率保持率、直流内阻变化率。

5 结语

《新能源汽车电池与管理系统检测与维修》一书系统介绍了新能源汽车动力电池类型、结构原理、检测和故障排除方法等,指导对动力电池管理系统的故障检测及排除,对动力电池系统进行拆装、检测和故障排除,具有较高的参考价值。本书内容丰富、理论结合实际、实用性强、可读性强,适用于全国技工院校或职业院校新能源汽车检测与维修专业的教学使用,也可作为新能源汽车技术人员培训教材及参考用书。

书名:新能源汽车电池与管理系统检测与维修

作者:人力资源社会保障部教材办公室 编著

ISBN:9787516750186

出版社:中国劳动社会保障出版社

出版时间:2022-04

定价:¥40.00 元