车辆工程 新能源汽车动力电池检测与拆装

引言面临着全世界广大范围内电动汽车行业不断快速发展所面临带来的交通堵塞、资源供应缺乏和生态环境严重污染等复杂问题，已逐渐成为国家限制电动汽车行业健康发展的主要技术瓶颈，对此前全世界主要的电动汽车工业生产国都把加快发展新能源电动汽车作为不断提高产业的核心竞争力、保持我国经济社会稳定可持续发展的重大政策方略。并且各国政府都在为新能源汽车的发展提供了各种政策支持。目前，国内、外的商用新能源电动汽车主要类型有非可插式充电式电油混合能源动力纯电汽车、燃料利用电池动力汽车、纯动力电动汽车三种。新能源汽车不仅仅能够降低环境污染、节约资源而且还能够优化能源消耗结构。而复合动力电池则作为是目前新能源动力汽车的一个关键技术，以复合动力电池集成模块开发为技术重心，实现以超高能量型的柔性锂离子动力电池为技术侧重点的新型车用复合动力电池并可进行大中小规模的技术产业化应用拓展。以发展车用超级动力电池技术为主要产业发展战略方向，协同推进功率型车用动力电池与超级动力电容器的融合发展，全面提高车用动力电池系统输入与驱动输出特性、安全性、一致性、性价比和持久性等综合化动力电池管理应用技术，改进车用动力电池系统模块化应用技术；为了保证汽车更好的行驶，动力电池得到了不少人的正视和关注。因此公司引进海外最前沿的材料动力电池生产技术，深入研究展开下游下一代新型材料动力电池技术自主创新的技术研究，重点开发研究新型锂基铁离子材料动力电池的结构设计、性能变化预测、安全性能评价以及提高安全性能等新技术。相信在不久的将来，动力电池技术会环保并趋于完善。

第1章动力电池的概述动力电池也被广泛称为高压动力复合蓄电池、高压复合动力电池元件组或各种高压动力电池组，用来同时存储大量电能。对于使用动力电池的，还尚无统一的界说。其性能指标有电压、容量、内阻、能量、功率、输出输入功率、放电效率、使用寿命等。根据动力电池材料的类别不同，主要性能指标往往相差很大。目前我国市场上的纯氢能电动汽车的多种动力电池主要所采用的材料是多种锂电池，包括了多种磷酸铁基镍锂电池、三元基铁锂电池以及钴酸基铁锂电池，能够轻松实现动力电池的多次循环快速充放电。由于纯能源电动汽车往往需要比具有更大的体积储存电池容量的驱动电池，而按照目前的电动锂电池制造技术，储存电池容量大的是锂电池，则其本身体积也应该会得到相应的增大，因此目前大多数的纯能源电动汽车的锂电池组都主要是直接安装在电动汽车驾驶地底部，没有过多的电池占用乘客驾驶舱的空间容积。动力电池通常由多个小电池包按照串并联两种方式连接而成。1.1动力电池的历史动力电池的技术发展史主要是从电池到铅酸蓄电池带动电动汽车的出世，再到锂离子电池大放异彩等之间经历了大量的时间从1799年第一个电池伏特电池堆的制成开始干电池、碳锌电池等也陆续出现直至85年铅酸蓄电池的发明才开始应用在汽车身上，其实在这之前蓄电池就已经发明了只是鲜有人知。学过历史的都知道在第一次工业革命的时候交通领域的革新便随之展开，镍镉、镍铁电池也被发明出来，但随着时间的流逝电动汽车受到电池限制没有太大的发展，导致陷入了停滞使得燃油汽车得到发展。然而，随着人们环境保护意识的提高，铅、镉等有害金属的排放和使用日益受到国家限制，因此人们需要不断寻找新的能源来代替传统蓄电池和镍-镉电池的可充电蓄电池。直到1976年英国科学家提出了锂离子电池的概念并成功制造出可充放电的锂离子电池，随着时间的推移锂离子电池发展迅猛，自然而然地成为我国强大的市场候选者之一，到1991年索尼开发了一款商用锂离子电池，1995年丰田为普锐斯混合动力汽车引入了镍氢电池。自从丰田最大限度地开发这款汽车以来，已经过去了20多年，锂离子电池已经开始商业化。到现在像特斯拉、比亚迪等等都是动力电池为主的对环境影响较小的纯电动汽车。1.2动力电池的类型动力电池不仅是目前新能源电动汽车的主要动力源，也是汽车能量综合储存重要装置，它的种类繁多外形差别也比较大，其分类方式如表1所示。表1动力电池分类新能源汽车动力电池按工作性质及使用的特点分类一次电池二次电池储备电池燃料电池按反应的原理分类化学电池物理电池生物电池动力电池主要类型有四种，在物理电池领域，超级电容已经应用于新能源汽车上。以氢为主要燃料的镍氢燃料电池也已经广泛应用于各种新能源电动汽车上。表2为几款主流的动力电池的技术参数对比的情况。由此就可以看出，锂离子电池具有工作电压高、使用寿命悠长、自放电率低、没有记忆效应、零污染等优点，必将成为新能源汽车厂家的主要选择。表2几款主流的动力电池的技术参数技术参数铅酸电池镍氢电池镍镉电池锂电池磷酸铁锂电池单体电压/V21.21.23.6-3.73.6电压工作范围/V1.7-2.21.0-1.41.0-1.43.0-4.23.0-3.3比能量/（W.h/kg）4050-8030-50100-125105-140能量密度/(W.h/L)70200150240-300300循环寿命40050050010001500高温特性差差好好好低温特性差好好好差自放电率/月5%25%-35%15%-30%5%-8%10%记忆效应有有有无无环保有毒略有污染有毒无毒无毒表3动力电池价格对比及发展趋势电池类型价格未来价格备注（不含BMS）镍氢电池10-13元/W.h目前价格的一半或更低混合动力汽车锂电池（混合动力汽车用）7-9元/W.h目前价格的一半或更低混合动力汽车锂电池（纯电动汽车用）3-5元/W.h目前价格的一半或更低纯电动汽车1.3动力电池国内外研究根据动力电池的使用要求、特点和应用范围的差异，国内外动力电池的研发大体经历了以下几个发育阶段。第一代动力电池：铅酸蓄电池，如图1所示。被广泛用在汽油车和一些低速纯电动汽车上。如图2所示。阀控型铅酸蓄电池是一种自动化免维护蓄电池，由于阀控型铅酸蓄电池可以防止在使用时不会发生极板短路、水分散失、活性物质脱落等问题，从而提升了使用寿命。其总体结构特征主要包括①免维护蓄电池正极板栅框架通常采用铅钙合金焊接，负极板栅框架全都是采用铅钙合金焊接的，以此方式来控制极板的短路及活性物质的脱落。②两种分离器通常由超细玻璃微纤维制成。③采用自动化的紧装配型结构。④正负极桩位于密封壳体的外面。⑤壳体的上部须设有气体收集室，以收集水蒸气、硫酸等热量，它将被转化为液体回归电解槽内。图1铅酸蓄电池图2阀控式密封铅酸蓄电池铅酸蓄电池历时近百年，是目前世界上唯一使用的汽车动力蓄电池。与其它动力电池产品相比，第一代电池具有性能好、可靠、技术成熟、价格低、大功率性能好、电压平衡、安全性强、维护方便、使用范围广、原材料多、自放电效率低，回收技术成熟等诸多优点，广泛应用于国内外第一代电动汽车上。目前，我国市场上许多专业公司正在开发研制各种新型铅酸蓄电池，使铅酸蓄电池的质量和性能得到了显著提升。但因其能量密度小、循环寿命短、质量大、过充或超负荷性能弱等缺陷。不符合环保和高效率的要求，将在今后逐步淘汰。第二代碱性动力电池：属于碱性电池，如镍镉蓄电池、镍氢蓄电池。镍镉蓄电池因其严重的环境污染已被欧盟以及世界其他国家地区法律禁止生产使用，而镍锌电池因其产品的质量价格优势已经远远超过了传统铅酸蓄电池，目前它仍然认为是基于HEV的一种主流混合动力电池。第三代动力电池：锂电池。1990年之后，日本成功研制的镍氢动力电池获得了国际社会的极大重视，应用量快速扩大。但是自日本新力蓄电池公司引进来的锂离子电池，人们再次开始接受并认同了这种类型的锂离子电池，一些镍氢电池厂商纷纷将这种电池改造成生产锂电池的工厂。将锂电池细分为三类：锂离子动力电池和锂分子电池。锂电池的特点是它的体积较小、功率更大、电压也更高、安全性能更强、无污染和环保性能好等优点。锂电池的配置方式相对于镍氢电池与镍镉电池，充电时都是不需要先对其任何进行放电处理，给普通的使用者带来了很多的方便，同时也能减小电能的消耗。锂电池的内部电源自放电率为5%-10%，具备了外部电池自放电低的巨大优势，在不被广泛使用的正常状态下内部基本完全不会与其发生任何大的化学反应，十分的稳定。由于它本身并不是含有镉、汞和铅等任何重金属，因此锂电池被认为是一种极其环保的蓄电池，在未来的一段时间内它将是比较具有竞争力的动力电池。锂离子燃料电池一般属于二次离子电池，它依靠锂金属离子在二次电池的正极与负极之间快速移动。如图3所示，在电池的单次充放电操作中，锂离子被反复嵌入并反复从两个可充电电极之间取出。①锂离子在电池充电时，直接从正极内部分离出来，经过大量的电解质直接嵌入负极，使负极呈现富锂状态。②锂离子在电池放电时，从它的负极脱嵌，经过电解质直接嵌入正极，使正极呈现富锂状态。总之，锂电池渐渐开始得到发展完善，在我国电动汽车上已经大有可能实现替代传统铅酸燃料蓄电池、镍氢化镉蓄电池、镍氢电池等同类产品的发展趋势，它将继续伴随着我国电动汽车的广泛应用普及和快速发展而逐步快速成长发展壮大，并与其他各种燃料电池共同发展成为21世纪中国电动汽车的主要燃料蓄电池。图3锂电池的充放电过程第四代混合动力电池：燃料电池。燃料电池技术是一种新型的蓄电池，需要我们不断努力研究，目前各大公司主要集中研究甲醇改质氢燃料电池、汽油改质氢燃料电池和纯氢燃料电池，并对其测试结果进行检验。燃料电池典型的代表性蓄电池包括有质子交换膜燃料电池、镀锌空气蓄电池，其主要特点之一就是没有任何污染，而且它放电后的产物是H2O，这也是一种对环境健康有益的绿色电化学发电设备。目前这类燃料制造的电池能量转化效率仍然有些低，但它的工作原理仍然有着较为重要的发挥空间，已经从仅仅只能通过氢和氧结合来生成的电和水，拓展至利用甲烷等惰性气体进行氧化来生成电和水这类燃料电池在经过了改进之后还能够直接采用汽油和柴油。所以质子交换膜燃料电池技术的发展对我国目前市场上的应用非常重要。这种以工作为基础的燃料电池研发成功并且经过长时间不断完善之后，极有可能会成为新型燃料电池技术的主流，进而替代那些生产成本贵、使用费率高的新型氢燃料电池。

第2章动力电池检测目前，动力电池系统是电动汽车主要部件中的一种高压部件。该设计的优缺点将直接决定整车的安全性与可靠性。在动力蓄电池系统中，对动力蓄电池系统的故障进行诊断和处理是非常必要的。根据故障对影响可以分为三个等级。三级故障主要表现为动力电池性能恶化，电池监测管理系统减小了最大容量允许的充放电电流。二级故障主要表现为动力电池在这种工作状态下的功率已经消失，请求其它控制器暂时停机充电或再次放电；其他控制仪表也必须根据这些而原因在一定时间内进行停电充电或在线放电。第一级故障主要表现为第一级动力电池功能在第一级故障情况下完全消失，如果其他控制器在规定时间内不响应，则要求其他控制器立即停止充放电。电池管理系统在两秒钟后自动停止充电或放电，并立刻断开高压继电器。动力电池系统的故障根据其中故障所发生的部位不同划分为三种类型：即单体电池的故障、电池管理系统的故障、线路或者连接器的故障。如表4所示。表4动力电池故障分类及形式故障部件故障分类故障形式动力电池系统故障单体电池故障SOC偏低和SOC偏高容量不足和内阻偏大内部短路、外部短路电池管理系统故障失去对电池的监控，不能估计电池SOC，容易造成电池过充、过放、过负荷、过热和不一致性问题线路或连接件故障车辆的震动，电池之间的连接螺栓可能会出现松动，电池间接触电阻增大，电池间虚接故障对于车载动力电池的故障，车载仪表盘只能显示车载动力电池故障，动力电池绝缘故障和动力电池系统断开的三种故障数据，只能简单的判断出故障的大体部分和位置，而且又不能准确地进行定位。如图7所示。图4仪表故障显示2.1动力电池故障诊断及流程准备工具：诊断仪、万用表、常用工具、专用工具、绝缘用具等。动力电池可能出现的故障一般有线路、本身、电流电压、插接件针脚、搭铁点等。（1）故障现象：动力电池无法充电首先利用诊断器来读取动力电池系统中的内部数据流。在确定的动力电池系统中是否存在有无事故。动力电池系统如果出现有电压不均衡二级故障单体电池欠压二级故障等除了SOC的过低二级故障以外的故障时，动力电池均无法充电。在动力电池系统没有故障的情况下，要监测CAN线的数据流，然后采集CAN线的数据流然后在检查充电是否符合车载充电机与BMS连接。若不符合再根据实际情况分析是否是动力电池不符合还是车载充电机不符合充电逻辑。若逻辑正常，再检查车载充电机是否上报故障，若动力电池不符合逻辑通知，供应商检查程序是否有误，若车载充电机不符合逻辑，需要排查充电机。（2）故障现象：高压断电问题首先利用诊断仪器读取动力电池系统中的内部数据流。在确定的动力电池系统中是否存在有无事故。若动力电池系统发生任何二级或一级故障时，都会发生高压断电故障。如果动力电池系统不上报故障时，要监测CAN总线的数据流然后分析数据流，检查动力电池是否发送继电器断开的请求，如果是动力电池请求继电器断开。那么进一步确认动力电池是否上报故障，。如果VCU下发指令，就可以排除动力电池自身的故障。（3）故障现象：绝缘故障无论是动力电池本身还是动力电池外部电路上的高压电源绝缘故障，都会直接报告动力电池因高压电源断开而引起的断电事故。在检查过程中首先需要切断电源电池和其他通讯元件，然后使用绝缘表。一次检测各个零件的绝缘数值。先进行排查高压配电盒、电机控制器、空调压缩机、PTC要进行高压安全断电，逐段的进行绝缘检测。排除好故障后，要恢复所有的高压线束在重新启动车辆，确认车辆正常显示ready灯。（4）故障现象：动力电池电流过高首先使用诊断仪读取电流传感器的电流,检查电流传感器的供电线电压，再去检查电流传感器信号线电压或者BMS中控模块，根据检查的结果，进行维修。后再查一遍确认故障是否已排除。具体检测流程如图5所示。图5动力电池电流过高故障检测流程（5）故障现象：动力电池单体电池故障首先用诊断仪读取一个单体电池的工作电压，检查单体电池的工作电压是否正常。如果正常，检查一下单体电池电压和导线上的电阻。若正常，则BMS终端模块故障，若不正常，则线束故障。具体检查流程如图6所示。图6动力电池单体电池故障检测流程2.2动力电池安全防护电动汽车的一个重要关键组成部分便是动力电池，对于这种新型动力电池相关产品的使用安全性进行深入研究，这也是我们分析属于高压电类型的应用于纯电动汽车是否存在安全性问题的一个重要技术前提。近年来，锂离子动力电池已广泛应用于纯电动汽车和小型混合动力汽车，所以接下来我们将以往的离子动力电池汽车作为一个典型例子，来详细的介绍一下这种动力电池的使用安全性。锂离子电池在正常工作和使用过程中都是不可能因此而出现安全性问题的，但是当对动力电池进行过度滥用时，就会直接导致对动力电池产生的热效应增加。这样就有可能成为锂离子电池发生安全事故问题的引擎和导火线，最后就会呈现出对动力电池产生的热量失控，从而诱发事故安全。造成热失控有以下几个情况。（1）过度充电与过度放电。（2）过电流。①在低温条件下进行充放电。②动力电池的老化和动力电池的性能下降。③动力电池并联为一个小组。④动力电池的内外部短路。（3）动力电池过热。①电池热管理系统故障。②电池的温度取样地点有限。③温度取样地点受到限制。④正常工作条件下环境气候温度较高。在对电动汽车高压部件进行检修，维护前必须先准备基本的绝缘安全工具如验电笔、绝缘隔板、绝缘罩等和辅助安全工具如绝缘手套、绝缘鞋、绝缘胶垫等以及安全围栏和高压警示牌。在日常进行高压供电系统的维护检修时必须严格采用各种电工行业专用绝缘工具，主要产品包括工具有警示牌、绝缘手套、皮手套、绝缘鞋、护目镜绝缘表及绝缘工具等。绝缘工具名称及用途如表5所示。表5工具名称及用途工具名称用途警示牌在地面或汽车附近明显位置放置绝缘手套（绝缘手套等级为1000V/300A以上）防止触电皮手套保护绝缘手套绝缘鞋与地面绝缘触，防止触电护目镜短路发生时保护眼睛不被电火花灼伤绝缘帽防止头部受伤绝缘表这是高压部件绝缘阻值绝缘工具拆除及安装高压部件时使用使用安全专用用具时的安全注意事项：①使用安全用具应该注意日常维修，防止遭到潮湿、损伤和脏污。②在使用绝缘手套之前应认真进行检查，防止出现破损及漏气等情况的发生。③辅助安全工作用具应该是不可以直接接触1000伏以上的电气设施等。

第3章动力电池的拆装3.1动力电池的安装位置及构造（1）动力电池安装的位置：一般来说，电动汽车中的动力电池通常都是直接安装在汽车底部的前后大桥和两侧横向纵梁之间，确保所需要安装的这些位置既能够让动力电池拥有较高的防火和碰撞安全性，还因为它们可以减轻车辆重心、让车辆的可靠性和操控精度更佳。电动汽车的驱动动力电池直接安装在驾驶室后面纵梁上的支架上，使得拆装更加容易，同时也防止了动力电池的安装过于分散，从而减少了动力电池之间所需的高压连接线的次数，避免了连接过多的现象，还大大节约了费用。如北汽EV450纯电动汽车的动力电池一般都是采用磷酸铁锂电池直接安装在汽车底部、比亚迪E6动力电池使用的是自己的自主知识产权下的磷酸铁锂电池，动力电池组和外壳通常直接安装在汽车底部，并用螺栓牢固地固定，如图7所示。以及丰田普锐斯混合动力汽车的动力电池安装在汽车的后部等。图7E6动力电池包安装位置（2）动力电池结构：①动力电池单元（Cell）：是将化学能转化为电能的基本单位和基本装置。这是混合动力电池的基础组成部分。它由正极、负极、隔膜电解质和外壳组成，通常被成为电池。②锂离子电池（Battery）：指由多个单体锂离子电池组成的装置，它们并联或串联地连接在一起，密封在电池壳体之中，具有独立的正负极输出。③电池组（BatteryPack）：该电池组由多个电池串联或并联组成，用来储存电能或输出单个元件的其他能量。在一般意义上，电池组还包括动力电池管理系统、电池盒等组成部分。不包含全电池管理系统功能的电池组。④电池系统(BatterySystem)：它一般是指由若干电池组通过串联或并联形成的一种组合，还应该是具备完备的电能供给系统。3.2动力电池的拆卸与安装（1）拆装前准备：操作前先穿好防护服，戴好绝缘手套和护目镜，穿好绝缘鞋。把车辆移到绝缘垫上，断开电源。铺设汽车三件套，打开机舱盖板，铺设翼子板布。装饰高压警示牌。设置隔离带。（2）拆装：选好与螺母所匹配的相关工具。切断电源后，取下低压电池的负极，断开整车的低压控制电源。然后用举升机将车辆升降到合适位置，并用专门工具把螺母拆下。然后两个人配合把挡板