新能源汽车结构与维修第3版最新章节_郑锦汤著

任务2
动力蓄电池故障警告灯亮的故障诊断与维修

任务接受

客户报修：比亚迪秦Pro EV纯电动汽车在行驶中突然组合仪表中动力蓄电池故障警告灯亮。

学习目标

1）能够描述动力蓄电池的主要性能指标与分类。

2）能够解释动力蓄电池的基本结构与工作原理。

3）学会动力蓄电池常见故障的分析与检测。

4）能够进行动力蓄电池的拆装与维修。

5）培养学生勤用脑、多动手的工匠精神和大胆想、求突破的创新精神与能力。

任务准备

2.1 电动汽车动力蓄电池系统的信息收集

1.动力蓄电池的作用与主要性能指标

动力蓄电池是为电动汽车动力系统提供能量的储能装置，是纯电动汽车行驶时的唯一驱动能源，对汽车运行起决定性作用。动力蓄电池的主要性能指标有以下几个。

（1）电压 电压是指动力蓄电池正负极间的电位差，单位是V。根据检测工况不同，分为如下5种：

1）标称电压：由厂家指定的用于标识电池的适宜的电压近似值。

2）开路电压：指蓄电池在开路条件下的端电压。随着电池放电程度的增加或电池性能的下降，开路电压会随之下降。

3）负载电压：是指蓄电池接上负载后处于放电状态下的端电压。放电电流越大，负载电压越低；随着蓄电池放电程度的增加，负载电压也会随之下降。

4）充电截止（终止）电压：是指蓄电池正常充电时允许达到的最高电压。

5）放电截止（终止）电压：是指蓄电池正常放电时允许达到的最低电压。

根据动力蓄电池检测对象不同，有单体蓄电池电压、蓄电池模块电压和动力蓄电池电压。

单体蓄电池是直接将化学能转换为电能的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电，也称为电芯。蓄电池模块是指一个以上单体蓄电池的串并联组合，也称作蓄电池组。动力蓄电池通常包括蓄电池组、蓄电池管理系统、蓄电池箱及相应附件，具有从外部获得电能并可以对外输出电能的单元。

（2）内阻 内阻是指蓄电池中电解质、正负极群、隔膜等电阻的总和。电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效率越低，在充电时发热越多。随着蓄电池使用次数增多，由于电解液的消耗及蓄电池内部化学物质活性降低，蓄电池的内阻会有不同程度的升高。

（3）容量 容量是指在一定放电条件下完全充电的蓄电池所能释放出的总容量，它是放电电流和放电时间的乘积，单位为A·h或mA·h（1A·h=1000mA·h）。

额定容量是指在规定条件下测得并由制造商标明的电池容量。根据测试条件不同，容量分为常温放电容量、常温倍率放电容量（能量型）、常温倍率放电容量（功率型）、常温倍率充电性能、低温（-20℃）放电容量、高温（55℃）放电容量、常温荷电保持与容量恢复能力等。国家标准GB/T 31486—2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》对动力蓄电池模块的测试方法和判定标准规定见表2-1。

表2-1 各种容量的测试方法和判定标准

①常温：指环境温度25℃±2℃。

② C：充放电倍率（=充放电电流/电池额定容量）。如额定容量100A·h的电池，1C表示充电或放电电流是100A（100A·h的1倍率）。

③能量型电池：室温下，最大允许持续输出电功率（W）和1C倍率放电能量（W·h）的比值低于10的蓄电池。它主要应用于纯电动汽车、插电式/增程式混合动力汽车，要求存储的能量多（比能量大），高低温性能好，循环寿命好。

④功率型电池：室温下，最大允许持续输出电功率（W）和1C倍率放电能量（W·h）的比值不低于10的蓄电池。它主要应用于混合动力汽车，起到能量回收和动力辅助输出的作用，要求倍率性能突出（比功率要大），内阻小，发热量低，循环寿命长。

（4）能量 在一定的放电条件下，蓄电池所输出的能量的单位是W·h或kW·h，主要有以下两种衡量方式：

1）额定能量：指室温下完全充电的蓄电池，以 I 电流放电，达到放电终止电压时所能放出的能量（单位是W·h）。

2）能量密度：指从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的电能，用W·h/kg（质量能量密度）、W·h/L（体积能量密度）来表示。

（5）功率 功率指在一定的放电条件下，蓄电池在单位时间所输出的电能（W或kW）。

功率密度：从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的输出功率，用W·h/kg（质量功率密度）、W·h/L（体积功率密度）来表示。

（6）循环寿命 循环寿命指电池在保持电池性能前提下，在指定的充放电终止条件下，以特定的充放电制度进行充放电，动力蓄电池在不能满足寿命终止标准前所能进行的循环数。

根据试验条件不同，循环寿命分标准循环寿命和工况循环寿命。GB/T 31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》对这两种循环寿命的测试方法和判定标准的规定见表2-2。

表2-2 循环寿命的测试方法和判定标准

（7）安全防护 安全防护包括各种安全要求（振动、机械冲击、跌落、翻滚、碰撞、挤压、温度冲击、湿热循环、海水浸泡、外部火烧、盐雾腐蚀、高海拔安全、过温保护、短路保护、过充电保护、过放电保护）以及各种操作安全要求等。

目前常见动力蓄电池的主要性能比较见表2-3。

表2-3 常见动力蓄电池性能比较

2.电动汽车动力蓄电池分类

动力蓄电池分类见表2-4。

表2-4 动力蓄电池分类

3.常用动力蓄电池的结构原理

电动汽车目前广泛应用的动力蓄电池有锂离子蓄电池和镍氢蓄电池等。

（1）锂离子蓄电池 锂是世界最轻的金属，锂离子蓄电池是指锂离子嵌入化合物为正负极的二次电池。1990年，锂离子蓄电池由索尼公司首先推向市场。相对于传统的铅酸蓄电池与镍氢蓄电池，其性能最为优越，号称“终极电池”，受到市场的广泛青睐。它具有以下优点：

1）工作电压高：单体标称电压高达3.6V，是镍氢蓄电池的3倍、铅酸蓄电池的近2倍）。

2）比能量大：高达150W·h/kg，是镍氢蓄电池的2倍、铅酸蓄电池的4倍，因此重量轻，是相同能量的铅酸蓄电池的1/3～1/4。

3）循环寿命长：循环次数可达2000次，寿命约为铅酸蓄电池的2～3倍，使用年限可达5～8年。

4）自放电率低：每月不到5%，是镍氢蓄电池的1/6。

5）允许工作温度宽：-20～55℃。

此外，它无记忆性，不存在有毒物质，对环境无污染，能够制造成任意形状，而且电池主要材料锂（Li）、锰（Mn）、铁（Fe）、钒（V）等，在我国都是富产资源，特别适合我国发展。锂离子蓄电池目前主要问题是成本较高，安全性能有待进一步完善。

锂离子蓄电池的基本结构如图2-1所示。它的负极一般是可大量储锂的碳素材料，正极是含锂的过渡金属氧化物或磷化物，电解质是锂盐的有机溶液。

正极一般选择相对锂而言电位高于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物，如钴酸锂（LiCoO ₂ ）、磷酸铁锂（LiFePO ₄ ）、镍钴锰三元锂（LiNi _x Co _y Mn _z O ₂ ）、镍酸锂（LiNiO ₂ ）、锰酸锂（LiMn ₂ O ₄ ）等。

负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料（包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等）和金属氧化物等。

电解质采用LiPF ₆ 的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低黏度二乙基碳酸酯（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们的复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。

外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

图2-1 锂离子电池结构

a）方形锂离子蓄电池 b）圆柱形锂离子蓄电池

锂离子蓄电池的工作原理如图2-2所示。当蓄电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。Li ⁺ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象地称为“摇椅电池”。

图2-2 锂离子蓄电池工作原理

温馨提示： 锂离子蓄电池工作原理视频可扫二维码资源2.1观看。

（2）镍氢蓄电池（Ni-MH） 镍氢蓄电池是早期的镍镉蓄电池的替代产品，它是目前最环保的电池之一，以能吸收氢的金属代替镉，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢蓄电池相比于铅酸蓄电池和镍镉蓄电池有着较大的能量密度，能有效地延长车辆的行驶时间，同时镍氢蓄电池的记忆效应比镍镉蓄电池小得多，这使得镍氢蓄电池在电动汽车中得到大量使用，如丰田卡罗拉双擎汽车用的就是镍氢蓄电池。

镍氢蓄电池的基本结构如图2-3所示，正极活性物质为氢氧化镍（电极称氧化镍电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液为氢氧化钾溶液。由活性物质构成电极极片的工艺方式主要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式、嵌渗式等。其单体电池的电压为1.2V。

镍氢蓄电池中的金属氢化物的“金属”部分实际上是金属互化物（在一定条件下，金属相互化合而形成的化合物）。许多种类的金属互化物都已被运用，它们主要分为两大类：最常见的是AB5一类，A是稀土元素的混合物，或者再加上钛（Ti），B则是镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）等；而一些高容量电池“含多种成分”的电极则主要由AB2构成，这里的A是钛（Ti）或者钒（V），B则是锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）等。所有这些化合物扮演的都是相同的角色即可逆地形成金属氢化物。当电池充电时，氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H ⁺ ）会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气（H ₂ ），以保持蓄电池内部的压力和体积。当蓄电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程回到原来的地方。

图2-3 镍氢蓄电池的结构

镍氢蓄电池的工作原理如图2-4所示。充电时，负极为储氢合金M析出H ₂ ，储存在容器中，正极由Ni（OH） ₂ 变成NiOOH和H ₂ O；放电时，H ₂ 在负极上被消耗掉，正极由NiOOH变成Ni（OH） ₂ 。

图2-4 镍氢蓄电池工作原理

a）负极（储氢合金载体） b）正极（镍）

正极

负极

总反应

除上面介绍的两种电池外，还有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍锌蓄电池、钠硫蓄电池、钠氯蓄电池、锌空气电池、铝空气电池等，在电动汽车上应用相对较少，限于篇幅，在此不做介绍。

4.比亚迪秦Pro EV纯电动汽车动力蓄电池

（1）镍钴锰三元电池 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车采用了自主研发的镍钴锰三元电池，其材料通常可以表示为：LiNi _x Co _y Mn _z O ₂ （ x + y + z =1），可简写为LiMO ₂ 。依据3种元素的摩尔比（ x : y : z 比值）的不同，分别将其称为不同的体系，如组成中镍钴锰摩尔比（ x : y : z ）为1:1:1的三元材料，简称为333型；摩尔比为5:2:3的体系，称之为523体系。其中，333型、523型和811型等三元材料均属于六方晶系的α-NaFeO ₂ 型层状岩盐结构，如图2-5所示。

镍钴锰三元材料中，3种元素的主要价态分别是+2价、+3价和+4价，Ni为主要活性元素。其充电时的反应及电荷转移如图2-6所示。

图2-5 α -NaFeO ₂ 型镍钴锰三元材料的结构

图2-6 三元材料充放电原理示意图

正极反应：

负极反应：

电池总反应：

比亚迪秦Pro EV纯电动汽车动力蓄电池由11个模块119个单体蓄电池组成（图2-7），每个单体3.65V，总电压434.35V，电池容量达130A·h，一次充电56.4kW·h，NEDC工况续驶里程达到420km。

温馨提示： 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车动力蓄电池结构视频可扫二维码资源2.2观看。

图2-7 动力蓄电池组成

（2）磷酸铁锂刀片电池 秦PLUS EV作为秦Pro EV的升级款，搭载了自主研发的新一代磷酸铁锂电池，因单体形似刀片，也称为刀片电池，如图2-8所示。刀片电池在结构上做了较大的改进，基于无模组理念开发而来，对电池单体进行了改进，利用形似刀片的硬盒长电池单体作为结构件，减少拼装模组的步骤，直接将电池单体安装在电池包内，电池阵列不设置端板和侧板等结构，减少了模组框架的使用，减少了元件数量和组装工序。通过独特的结构设计，刀片电池的空间利用率比普通电池包提升50%，体积比能量密度从251W·h/L提升至332W·h/L。

刀片电池出鞘 · 安天下——刀片电池结构创新 、 突破自我

当电动汽车行业都在无限追求三元锂电池带来的高密度、高续航时，比亚迪却始终把安全放在首位，二十年沉淀孕育稳定性更高的磷酸铁锂刀片电池，征服动力蓄电池测试领域“珠穆朗玛峰”，走出一条突破自我的新能源开创之路。2020年3月29日，比亚迪刀片电池发布会上，中国科学院院士欧阳明高、比亚迪董事长兼总裁王传福、比亚迪副总裁、弗迪电池董事长何龙重磅解析了里程碑式的新能源汽车电池技术，不仅能推动动力蓄电池技术的发展，也将助力全球新能源出行产业的再次提速。

创新不仅仅限于电化学体系上，电芯结构设计、系统集成同样重要，甚至有可能有更多潜力可挖掘。

单体蓄电池内部结构如图2-9所示，左边是橄榄石结构的LiFePO ₄ 作为蓄电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子（Li ⁺ ）可以通过，而电子（e-）不能通过，右边是由碳（石墨）组成的蓄电池负极，由铝箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是蓄电池的电解质，蓄电池由金属外壳密闭封装，在使用过程中不用添加电解液，实现真正的免维护。

图2-8 秦PLUS EV汽车磷酸铁锂“刀片电池”

图2-9 磷酸铁锂电池的单体蓄电池内部结构

磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li ⁺ 通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子（Li ⁺ ）通过隔膜向正极迁移。电池标称电压3.2V，终止充电电压为3.75V，终止放电电压为2.0V。化学反应方程式如下：

正极反应：

负极反应：

总反应：

5.比亚迪秦Pro EV纯电动汽车维修开关

为了动力蓄电池等高压部件维修安全，比亚迪秦Pro EV纯电动汽车设置了手动维修开关（图2-10），它安装在中控台盖板下。在进行高压零部件维修时，务必先拔下维修开关。

图2-10 维修开关

2.2 动力蓄电池故障警告灯亮的故障分析

根据比亚迪秦Pro EV纯电动汽车结构原理，动力蓄电池方面的故障可能原因的分析过程如图2-11所示。

图2-11 故障可能原因分析

2.3 动力蓄电池系统维修准备

动力蓄电池系统维修设备与材料准备见表2-5。

表2-5 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车维修设备与材料

任务实施

2.4 动力蓄电池系统故障检查

1.外部直观检查

直观检查动力蓄电池紧固螺栓是否有松动，接头是否脱落、松动，极桩是否氧化，表面是否脏污，各高压导线有无损坏等现象，如有应予排除。目测检查电池包壳体是否有破损、变形、裂纹，高压插接件的密封圈是否完整，外部有无漏液，如有应更换壳体或动力蓄电池模块。

2.故障诊断仪检查

故障诊断仪是快速准确诊断汽车故障的设备，有通用型（如元征X-431故障诊断仪等）和专用型（如比亚迪VDS 2100诊断仪，如图2-12所示）。下面以元征X-431故障诊断仪为例，介绍故障诊断步骤。

元征X-431 PRO 3S故障诊断仪是一款高性价比的汽车故障诊断设备，如图2-13所示。该诊断仪覆盖市场上98%以上的车型，可对车辆进行全系统诊断（支持智能诊断、远程诊断），支持读码、清码、读数据流、动作测试，并支持大部分车型常用特殊功能。

图2-12 比亚迪VDS 2100诊断仪外观

图2-13 元征X-431 PRO 3S故障诊断仪外观

用元征X-431故障诊断仪进行故障诊断步骤如下：

1）将诊断仪连接DLC3诊断口。

2）整车上ON档电，进入电池管理器代码诊断（表2-6）。

3）针对故障进行调整、维修或更换。

4）确认测试，结束。

表2-6 故障代码

（续）

温馨提示： 采用故障诊断仪检测动力蓄电池的视频可扫二维码资源2.3观看。

3.绝缘电阻测试仪终端检测

（1）动力蓄电池绝缘电阻检测 将红色测试线插入“LINE”输入端口，黑色测试线插入“EARTH”输入端口。将黑鳄鱼夹接入动力蓄电池壳体，红鳄鱼夹分别接入动力蓄电池“+”极与“-”极。功能旋钮选择500V测试电压档，按下“TEST”键后，输出绝缘电阻，同时测试灯发出红色警告，如图2-14所示。测试完毕以后，按压旋转TEST键，解除自锁停止测量。