比亚迪电动汽车电池故障与诊断.docx

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PAGE 2 随着汽车尾气污染、石油危机等问题的出现，进入21世纪以来世界各国新能源汽车的研发进入热潮，节能减排成为各汽车行业的共同目标。新能源汽车可以有效提高能源利用率，减少尾气排放污染，减少石油资源的使用。近年来，由于我国对新能源产业的大力扶持以及人们环保意识的增强，电动汽车产业发展迅速，我国新能源汽车产业已走在世界前列，新能源领域成为未来重点发展对象。动力电池作为电动汽车的动力源，是提高电动汽车新能源化的关键，其安全性问题一直是人们广泛关注的问题。一方面，电池组系统中各电池之间存在不一致性，工作过程中各电池之间的差异越来越大，最终导致电池系统性能的下降。 另一方面，在不同环境下使用时，使用过程中可能造成电池内部发生短路，产生的大量热量可能引发电池热失控，引发火灾、爆炸等安全事故。使用过程中电池内部发生短路针对以上问题，对电动汽车电池系统进行整体层面的故障诊断、故障诊断策略及维护方案。文章首先以电动汽车动力电池为研究对象，探究电池的失效机理，结果表明温度、漏液以及动力电池不均匀都会导致动力电池发生故障及异常变化。其次对动力电池故障进行判断，并根据电池故障本身的原因得到故障诊断方法。

最后针对电池组的故障，对动力电池进行改进和优化，提高动力电池的性能和实用性，减少电池故障，提高电池的安全性。 关键词：动力电池 电池故障诊断 故障维修 1引言 1.1研究背景 汽车在人们的生活中随处可见，家家都有车，它所起的作用也是非常重要的，影响着人们的工作和生活。传统汽车的核心是发动机，而电动汽车的核心就是电池。随着电动汽车的发展，使用电动汽车的人越来越多，检查电动汽车的故障与维修就成了检查电动汽车的重要项目之一。因为电池和电动机的不断发明和不断发展进步也促进了电动汽车的发展，所以电动汽车的发展经历了四个历史阶段。第一阶段是电动汽车的发明，十八世纪三十年代，发明家们成功地在马车上装上了电动机，1842年，世界上第一辆电动汽车诞生，它的动力来源于电池。 汽车上用的玻璃封装电池无法充电，从此开始了电动汽车的发展应用史。第二阶段是电动汽车的发展，1881年11月，发明家在巴黎展出了一辆时速12公里/小时的电动三轮车，到1900年，电动汽车行驶里程最长的世界纪录是充满电后行驶的里程。第三阶段是电动汽车的繁荣时期，电动汽车发展的巅峰期是19世纪末到1920年。

据当时统计，到1890年，全世界共有汽车4200辆，其中电动车占38%，蒸汽汽车占40%，内燃机汽车占22%。1912年，全世界约有数十万辆电动车，广泛应用于送货卡车、出租车、公交车等领域。1912年电动车产销量达到顶峰。第四阶段，电动车的衰落期，因为大量石油的发现，汽油价格暴跌，使用汽油车的成本大大降低。1890年至1920年期间，世界石油产量增长了10倍。1911年，科学家发明了内燃机自动启动技术；1908年，内燃机汽车成本大幅下降，开始大规模生产。汽油车的价格已经比电动车便宜很多。 电动汽车的黄金时代只持续了20多年，之后便走向了衰落。第一次世界大战后，随着内燃机制造技术和设计的发展，电动汽车逐渐被取代，20世纪20年代，电动汽车几乎消失在人们的视线中。第五阶段是电动汽车的复兴。第二次世界大战后，石油供应紧张，电动汽车出现复苏迹象。内燃机汽车的大规模使用导致了严重的空气污染，电动汽车重新引起了世界的关注。世界各地都在不断进行电动汽车的研究，并不断开发新型电池，以提高电动汽车的可用性[1]。电动汽车的核心部分是蓄电池，电动汽车蓄电池故障是常见故障之一。对蓄电池故障及检测方法进行分析，有利于汽车修理人员对故障的诊断和修复。

1.2 研究项目意义与目的近几年，我国电动汽车保有量大幅增长，消费者对电动汽车各方面的要求越来越高，因此电动汽车电池行业发展迅速，电池不断加强，汽车电池各方面的检测诊断行业越来越突出和重要。发展新能源汽车产业是适应经济发展方向转变，促进经济增长的战略目的。汽油车的发动机就如同人的心脏一样重要，一旦发生故障，关系到汽车的动力性、可靠性、经济性和安全性。同样，电动汽车的电池就好比发动机。电池是电动汽车最关键的技术之一，所以当电池出现故障时，必须懂得如何诊断和修复。因此，在电池检测诊断方面，对维修人员的专业知识水平和能力要求要更高。我国的故障诊断技术和维修人员的诊断技术水平与国外相比还存在一定的差距。 要缩小差距，就要让汽车维修人员学习更多的知识和技术，提高诊断水平，不断积累经验。电动汽车的电子系统越来越复杂，有些电池故障诊断起来比较困难，会出现诊断错误。研究动力电池的目的是掌握核心技术，提高动力电池的性能，降低电池的故障率。虽然我国电动汽车这几年发展很快，数量也越来越大，但是我们还是没有掌握电池的核心技术，所以要掌握动力电池的核心技术，创造核心技术。

电池技术正处于快速发展时期，已经成为国家竞争力的关键点，我们面临着巨大的挑战，近年来，电动汽车电池的安全性成为人们关注的问题，需要对电动汽车电池系统进行故障诊断，制定故障诊断策略，设计维护方案。1.3研究课题的发展在电动汽车发展的同时，动力电池故障诊断技术与维护也在逐步发展，国外对故障诊断技术进行了深入的研究，一些研究成果已经广泛应用于生活中，在降低运营和使用成本，节约排放，保护环境等方面带来了非常显著的经济效益和社会效益。德国开发的系统将电池在近期放电周期内的数据进行存储，可以判断电池的性能，快速发现故障，还可以通过相关的软件和硬件对不同类型的动力电池组进行管理。故障诊断技术最近也在进行深入的研究。我国动力电池的能量密度还远远没有达到目标值，但对于国外电池的发展来说，是完全可以实现的。 我国电池故障诊断与维修技术与国外存在一定的差距，在故障诊断方面，需要借助国外的诊断仪器；在维修方面，新型动力电池的诊断都是依据维修人员的工作经验，有些新型故障突破了维修人员的知识和理论，因此维修人员需要学习更多的新知识和理论，提高维修人员的水平。由于我们缺乏足够的核心技术，因此我们以动力电池为研究对象，探究电池故障的原因，提出电池故障的诊断与维修方法。

掌握动力电池核心技术，对动力电池进行改造优化，提高动力电池的性能和实用性，减少电池故障，提高电池的安全性。还要掌握诊断仪器的技术，减少对国外仪器的依赖。1.4比亚迪动力电池现状以前大部分汽车采用的是三元锂电池，三元锂电池比磷酸铁锂电池能量密度更大，电压也更高。但是三元锂电池热稳定性差，高温下容易爆炸，有起火隐患。比亚迪目前的电池本身就是磷酸铁锂材料构成的，在安全性上有非常明显的优势，续航能力也不逊色于三元锂电池，差不多。磷酸铁锂电池的成本相对要便宜很多，未来还有很大的提升空间。磷酸铁锂电池总电压大概在500V-600V左右，由13个模组串联，196个单体磷酸铁锂电池组成，每个电池的额定电压为3.2V。 磷酸铁锂电池的特点是能量密度高、安全性能好、循环寿命长。磷酸铁锂电池正极为磷酸铁锂，负极为碳，单体电芯额定电压为3.2V，充电截止电压为3.6V~3.65V。电动车动力电池基础知识2.1电池的基本参数1.容量参数电池在一定条件下所能放出的电量称为电池容量，用符号C表示，其单位通常为A·h或mA·h。2.内阻参数电流通过电池时遇到阻力，使电池的工作电压下降，这个阻力叫做电池的内阻。由于电池内阻的存在，导致电池放电时的电动势和开路电压高于端电压。

在充电时，电动势和开路电压均低于端电压。电池内阻是化学电源一个很重要的参数，会直接影响电池的输出能量、功率、工作电压、工作电流，相当于一个实用的化学电源，内阻越小越好。 3、能量与能量密度 电池能量是指在一定的条件下，电池放电时所能放出的能量，可分为理论能量和实际能量。理论能量，若电池在放电时，保持平衡状态不变，其放电电压保持电动势的值，活性物质的利用率保持100%，即放电容量称为理论容量。实际能量，电池在放电时，实际输出的能量。由电池的实际放电电压、放电电流、放电综合而成。 4、功率与功率密度 功率，在一定的放电条件下，电池在一定的时间内输出的能量，以瓦（W）或千瓦（kW）为单位，称为电池的功率。 理论上，电池的功率可用以下公式来表示：功率密度，电池单位质量或单位体积输出的功率称为功率密度，又称比功率，其计算单位为kW/kg或W/g。功率密度表示电池能承受的工作电流，功率密度高说明电池能承受大电流放电。比功率可用来评价电池及电池组是否满足电动汽车的加速、爬坡能力。对于电化学电池来说，电压、功率、比功率与电池的放电深度（DOD）息息相关，因此，在标明电池功率和比功率时，也应写明电池的放电深度。

5、荷电状态电池的荷电状态表示电池的剩余电量，是电池使用时的一个重要参数，此参数与电池的充放电次数、充放电时的电流有关。 6、使用寿命动力电池在充放电过程中，由于一些不可避免的不良副反应，电池的可用活性物质会越来越少，性能会逐渐劣化，性能下降的程度随着电池充放电次数的增加而增大。性能下降与动力电池单体的工作环境和充放电过程密切相关。 7、电压参数电动势是电池理论输出能量的量度之一，在其他条件相同的情况下，电动势越大，理论输出能量越大。电池的电动势是两个热力学平衡电极之间的电位差。 其实，从表征上来说，电池的开路电压在数值上与电池的电动势接近。因此，在实际应用中，一般认为电池开路时正负极之间的平衡电位差称为电池的电动势。开路电压是指电池在电路开路时（无电流通过时）两极之间的电位差，通常用C open 表示。影响电池开路电压的主要因素是电池两极材料、电解质的活性和温度，与电池的形状、结构和尺寸关系不大。例如，无论铅酸电池的尺寸如何变化，其单电池开路电压是大致相同的。在正常情况下，电池的开路电压小于其电动势。额定电压又称标称电压，是电池在一定条件下能正常工作的标准电压。

额定电压可用来辨别电池的化学体系。 工作电压又称放电电压或负载电压，是指电池在工作过程中接上负载时，电池所显示的放电电压。放电开始时的电压叫起始电压。 放电终止电压，所有二次电池的重要指标。电池放电时允许的最低电压。若继续下降则影响寿命。又叫放电截止电压[1]。 2.2 电池的分类 1.按电解液种类，电池可分为以下几类： （1）碱性电池。碱性电池电解液的主要成分是氢氧化钾水溶液，如碱锰电池或碱性电池、镉镍电池、氢镍电池等[1]。 （2）酸性电池。酸性电池的主要成分是硫酸水溶液，如铅酸电池等。 （3）中性电池。中性电池的主要成分是盐溶液，如锌锰干电池。 (4)有机电解质电池。有机电解质电池主要成分是有机溶液，例如锂离子电池等。 2.根据电池正负极材料的不同，可分为以下几种： （1）锌材料电池，例如锌银电池、锌锰电池等。 （2）镍材料电池，例如镍氢电池、镍镉电池等。 （3）铅材料电池，例如铅酸电池。 （4）锂材料电池，例如锂离子电池、锂硫电池和锂聚合物电池。 （5）二氧化锰系列电池，例如碱锰电池、锌锰电池等。 （6）空气（氧气）系列电池，例如锌空气电池、铝空气电池等。 2.3动力电池的组成 动力电池由电池单体、电池模块、电池单元、CSC采集系统、电池控制单元、电池高压配电单元及维护开关等组成。

电池单体：电池系统中最小的部件，由正极、负极、电解液组成。 电池模组：由模组控制器和电池单体组成，是电池系统结构中的一个小模块。 动力电池的组成必须由以下几个基本物质组成： 正极活性物质，具有较高的电极电位，在电池放电时发生阴极过程或还原反应。为区分电解池的阴极和阳极，在电池中称为正极。 负极活性物质，具有较低的电极电位，在电池工作时发生阳极过程或氧化反应。为区分电解池的阳极和阴极，在电池中称为负极。 电解液，具有较高的选择离子电导率，为电池内部离子传导提供介质。电解质大部分是无机电解质水溶液，也有部分是熔盐电解质、固体电解质、非水电解质和有机电解质。 在电极反应中，部分电解质也会参与反应并被消耗[1]。动力电池的串并联：并联是指两个电芯之间的正极接正极，负极接负极，这样模块电压就等于单片电压，容量增加一倍。串联是指一个电芯的正极接另一个电芯的负极，形成的模块容量与单片电芯相同，但电压增加一倍。电池的串并联结合了两者的优点，应用于电芯容量小，系统容量要求大的系统中。电池是能将化学反应产生的能量直接转换成直流电的物体，化学能转换成电能时，必须满足以下条件：化学反应中负极失去电子的氧化过程和正极获得电子的还原过程必须在两个独立的区域进行，与一般的氧化还原反应不同。

正负极都要有离子导电材料，化学反应时电子的转移要经过外电路。2.4 电池性能评价2.4.1 动力电池测试动力电池应用具有高能量、高功率、长寿命、低成本、安全性好、对工作温度适应性强、可回收性好七大特点，其中高功率、高能量是其重要特性，因此动力电池在出厂前需要进行测试。动力电池测试是电池制造、出厂检验、产品评价等的必要条件。作为电动汽车的动力源，从保证交通运输车辆的安全和性能角度出发，汽车行业相关管理部门对动力电池、动力电池组、动力电池系统的测试也制定了详细的试验规则和检验标准。虽然电动汽车行业还处于起步阶段，标准会随着动力电池的应用和认识而逐步修改完善，但性能和安全测试的基本方法和要求应该是相对稳定的。 化学电源的基本电化学性能包括容量、电压、内阻、自放电、高低温性能等。动力电池作为典型的二次化学电源，还包括充放电性能、循环性能、内压等。因此对于动力电池单体，主要的性能测试包括：充电性能测试、放电性能测试、放电容量测试、高低温性能测试、能量及比能量测试、功率及比功率测试、自放电测试、寿命测试、内阻测试、内压测试和安全测试[1]。动力电池的基本测试内容包括：（1）静态容量测试（2）动态容量测试（3）静态测试（4）启动功率测试（5）快充能力（6）循环寿命测试（7）安全测试（8）电池振动测试。动力电池测试设备包括：（1）充放电性能测试台，该测试台包括充放电设备、内阻检测设备和测温设备等。

(2)环境模拟测试系统。 (3)电池安全性能试验设备。 2.5动力电池的充放电方法 电池充电应完成三个功能： （1）使电池尽快达到额定容量，充电时间越快越好； （2）消除电池在放电过程中的不良反应，恢复电池性能； （3）给电池补充电量，克服电池自放电带来的不良影响。 典型的动力电池充电方法通常有常规充电方法和快速充电方法。 PAGE 8 PAGE 8 常规充电方法： 1 恒流充电法 图 2-1 恒流充电图 通过调节充电装置的输出电压或改变串联在电池上的电阻来保持充电电流强度恒定。 2 恒压充电法 图 2-2 恒压充电图 充电初期，电池电动势较小，故电流较大，充电中后期，电动势变大，充电电流变小。 频繁这样充电会影响电池的使用寿命。 3阶段充电法 图2-3 阶段充电图 这其中包括多种充电组合，先恒流后恒压，多阶段恒流充电法，先恒流后恒压最后恒流。 快速充电法： 1脉冲充电法 图2-4脉冲充电图 间歇期间，电池化学反应产生的氧气和氢气重新发生反应吸收，降低了电池内压，让下一轮恒流充电更顺利地进行。 2可变电流间歇充电法 图2-5可变电流间歇充电图 恒流段改为限压可变电流间歇充电段，充电后期采用恒压充电段。 3可变电压间歇充电法 图2-6可变电压间歇充电 第一阶段为间歇性恒压充电，充电后期为恒压充电。

4 变电压、变电流波间歇正负零脉冲快速充电法 图2-7 变电压、变电流波间歇正负零脉冲快速充电示意图将多种充电方式相结合，pwn信号和脉冲电流幅值固定，pwn占空比可调，此方法增加了间歇停止阶段。 动力电池组充电法，根据使用方式不同，电动汽车动力电池组可分为地面充电和车载充电两种充电方式。 1、地面充电法，将拆下的电池在地面进行补充充电。将需要充电的电池从车辆上拆下进行充电，充电完毕后将电池安装回车上，车辆即可继续使用。采用地面充电方式有利于电池维护，提高电池寿命和车辆效率，但在更换车辆和电池时比较复杂，要求较高，操作难度较大。 2、车载充电法，充电车辆通过充电插头与充电机连接。 车辆补充电时，可直接对电池进行充电，而不必将电池从车辆上拆下来。其优点是操作比地面充电简单，无需更换电池、电池存放等。但对车辆进行充电的时间占用了使用车辆的时间，降低了车辆的利用率。也不利于电池组的维护，降低电池组的使用寿命。本章小结本章介绍了动力电池的基础知识。动力电池种类繁多，但基本结构组成和充放电的化学原理大同小异，相关评定参数也基本相同。动力电池是为电动汽车提供动力的动力源。

想要了解电动汽车，首先就要了解它的核心——电池。我们需要知道电池的基本知识，电池的结构和分类。每块动力电池在出厂前都要经过一系列严格的测试，以降低电池的故障率，提高汽车的可用性。动力电池分为地面充电和车载充电，快速充电可以减少充电时间，让汽车更加高效。通过学习本章内容，您将对动力电池的参数，动力电池的结构，评价方法，动力电池的充放电方法有一个基本的了解，为后续文章的学习奠定基础。 电动车电池故障诊断与维修 3.1 故障原因 3.1.1 温度故障 加热故障。充电时，当温度低于正常值时，加热不启动。 故障原因： 1 加热继电器或BMU故障； 2 加热板或继电器供电电路故障。 散热故障。超过一定温度后，风扇仍不启动。