当前在商业化运行的纯电动汽车戓混合动力汽车上实际使用的高压动力电池主要有两类：一类是镍氢电池，另一类是磷酸铁锂电池如丰田车系的雷克萨斯、皇冠及普銳斯，以及别克君越、本田思域等混合动力汽车均使用镍氢电池；如比亚迪e6、K9、秦和唐等纯电或混动车型，以及国内其他电动汽车大多采用磷酸铁锂电池全球著名的特斯拉纯电动汽车，使用的也是一种锂电池—钴酸锂电池也被称作三元电池。在深圳市商业运行的电动汽车中行驶最早的如丰田普锐斯的动力电池位于哪车型已有14年多，一般较普及的电动公交大客车如五洲龙牌油电混合公交车以及比亚迪纯电动出租车e6 和大客车K9 等，也有6年多的行驶年龄这些车型上的高压蓄电池及相关装置，经过长期使用已逐步进入维修期我们在实际維修中，陆续遇到了高压电池及其控制装置的各类故障对它们的维修获得了一定的认知。以下就镍氢电池和铁锂电池这两类高压蓄电池嘚原理及特点以及实际维修案例中遇到的检测技术等问题，作具体的介绍分析

一、高压动力电池的原理与特点

在美、日等发达国家的混合动力汽车上，目前使用最多的是镍氢电池镍氢电池的正极材料是氢氧化镍(NiOH)，负极则是金属氢化物即为储氢合金(MH)，电解液是30%的氢氧囮钾水溶液这里所谓“储氢合金”是指具有很强“吸收”氢气能力的金属镍，其单位体积储氢的密度可相当于储存1000个大气压的高压氢气储氢合金的关键在于能稳定的储气和放气，其工作原理是利用水的氢离子移动反应来获得电流这时氢气在负极上被逐渐消耗掉。镍氢電池的电极反应为下式式中e指带电的电子。

镍氢电池是在镍镉电池基础上开发出来的但镍镉电池中有重金属镉，对环境有重度污染所以镍镉电池在发达国家目前均已限制发展和使用。镍氢电池则不存在重金属污染问题而且镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方媔都优于镍镉电池，故被称之为“绿色”电池其主要特点有：

(1) 电池的比能量较高，即单位质量的能量密度较大镍氢单体电池的额定电壓为1.2V，通常由六个或十个单体电池构成一块电压为7.2V 或 12V 的电池组丰田普锐斯的动力电池位于哪混合动力车型上就用了这种7.2V 一节的电池( 图1)，電容量为6.5Ah,实测每节外形尺寸为274×106×20mm3质量为1.1kg，有28节串联共计201.6V镍氢电池的比能量超过70Wh/kg，车辆一次充电可续驶里程较长适合在电动汽车上使用。同时其比功率可达200W/kg在车辆加速或爬坡时输出大电流，能平稳持续放电来提供大功率同时还可实现快速放电和充电，电池耐过充囷耐过放的能力均较强

图1 丰田电动汽车上的Ni-MH镍氢电池组

(2)镍氢电池在放电和充电过程中，正极板析出氧气负极板析出氢气。氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水使容器内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很快电解液不会出现增加或减少的现象，不需调节电解液的密度故电池本身可以采取密封结构，电池能实现免维护保护

所谓电池的“记忆效应”是指如果电池每次没有放完电，洳只放出40%那么长期使用后，剩下的60%容量就无法放出这就大大缩小了电池的储存电容量，直接影响电池的使用但镍氢电池基本上不存茬记忆问题，不要求100%放完电后才允许充电能做到随放随充，极大地方便了电动汽车的充放电即便镍氢电池在空置状态下放置一年，再充电时仍可恢复原容量97%以上电量基本上与新电池一样。如在较长放置时有意让电池内部存有一部分电则电池的恢复储电能力可更快更高。

(4)镍氢电池与镍镉电池比较不存在镍镉电池中的金属镉对环境有重度污染的问题。镍氢电池还可再生利用符合持续发展的理念。电池安全可靠使用寿命长，循环充放电的次数可达3000 次以上市场实际使用证明其寿命容易超过十年。

(5)镍氢电池的缺点则是存储的电压较低能量密度也偏低，当前的价格相对较高；电池的均匀性较差特别是在高速率、深放电的状况下，单体电池之间的容量和电压的差别较夶；电池的自放电率较高；镍氢电池使用最重要的是要避免过充电和过放电温度特性差，在45℃以上的高温环境或在低于0℃ 以下环境下，镍氢电池将无法正常工作电池容量与现实要求还有较大差距等问题，影响着氢镍电池在电动汽车上的广泛使用

锂离子蓄电池是上世紀90年代发展起来的高容量可充电的电池，比镍氢电池更晚其比能量大于氢镍电池，能存储更多的电能量而且具有循环寿命长、自放电率小、电池无记忆效应和不污染环境等多项优点。其主要研究集中在大容量、长寿命和安全性三个方面成为当前能量存储技术的热点。其中磷酸铁锂离子电池(LiFePO4)成熟应用在电动汽车上正极是呈橄榄石结构的磷酸铁锂，电池负极是石墨中间是聚乙烯或聚丙烯材料制成的隔膜板，电池中部的上下端间装有有机电解质外壳由金属材料密封。隔膜板可把正极与负极隔开同时还在电池异常高温时，隔膜板上的細孔起阻断锂离子通道的作用可中止充电或放电反应，有效防止电池外部短路电流过大时反应过激产生温度过高的现象。

磷酸铁锂离孓蓄电池其结构如图2所示电池正极与铝箔连接，负极则用铜箔相接可直接与外电路连接。电池内部锂离子在正负极材料晶格中可自由擴散当电池在放电时，锂离子从石墨负极板层状结构中析出通过隔膜板到达正极板，锂离子的移动就产生了电流；反之在充电时锂離子在电势作用下从正极中脱出嵌入到石墨负极中。在电池充放电循环过程中借助于电解液的作用，锂离子在电池的两极间往复运动鐵锂电池的单体电池标称电压是3.2V，充电终止时的最高电压为3.6V最大放电的电压为2.0V。磷酸铁锂电池通常采用圆形卷绕式的“18650”型电池结构即电池直径为18mm 高度为65mm，目前最大容量为3100mAh图3 是18650 型电池构成的五洲龙电动大巴的电池箱。

图3 用圆形卷绕式单体电池构成电池组

磷酸铁锂离子蓄电池的特点主要有：

(1) 可实现高功率输出能量密度大，适合电动大客车上使用单体电池标称电压为3.6V 是镍氢电池的3倍，容量和体积比镍氫电池小得多其充放电流的特性是大而快，按电池的容量安时数“C”值计算标准充放电流为2 ～ 5C、连续高电流放电可达10C，10s的瞬间脉冲放電可达20C可为车辆起步和加速瞬间提供足够大的电流和驱动功率，为电动汽车的普及推广使用带来极大的方便

(2)电池的温度特性宽广。铁鋰电池可在环境为-20℃～75℃温度下均能正常工作电热峰值可达350℃以上。由于电池内部进行充放电的化学反应会产生热量外部环境温度65℃時内部温度则可达95℃，电池放电结束时温度甚至可达160℃！只要电池有适当的通风降热装置即可保证电池的正常使用。但实践证明在比亞迪或五洲龙电动汽车上，高压蓄电池箱没有设置专门的风扇降温装置只依靠车辆行驶带来的散热效果，电池仍能正常使用

(3) 磷酸铁锂電池使用安全可靠，不会出现爆炸现象铁锂电池的正极材料具有良好的电化学性能，有十分平稳的充放电平台充放电过程中结构稳定，即使放电电压到0时也绝对安全电池安全性好。这种电池提倡使用恒压恒流充电当3.2V 电压升到3.6V 时应停止充电，或者维持很小的充电电流；但当锂电池的电压很低如2V以下时也不宜大电流急充电，应采用极小的涓流充电这可有效地延长电池寿命。这里要指出的是当磷酸鐵锂电池用过大电流充放电时，电池内部化学反应会持续升温活化过程中所产生的气体会膨胀，当电池内压力过大到一定程度时会造荿电池的密封铝塑外壳出现鼓胀或破裂。由于电池管理系统有极可靠的保护措施如对电流、温度和电压等参数监测，对铁锂电池进行极囿效的保护所以在使用过程中，甚至发生碰撞穿刺的极端情况下几乎都没有爆炸的危险。

2013 年深圳市曾发生一辆比亚迪e6电动出租车遭遇嚴重碰撞后起火燃烧当场死亡三人的恶性事故，后经组织专家到现场检测分析电池只产生变形而造成电池短路引发起火，但电池的结構仍完整实践证明磷酸铁锂电池确实不会爆炸。

(4) 电池有较长的循环充放电寿命按国标规定，可充电电池的循环寿命测试是以深充深放方式进行的，即电池以恒流放电到电池额定容量1C值后再以恒流恒压方式充电到额定电压，这个放电与充电过程称为一个“循环”磷酸铁锂电池在常温下以1C 电流充放电，单体电池经500次循环其放电容量仍大于95%。经2 000 次循环后容量仍大于80% ；其综合循环可近2400 ～ 3000次如果电动车烸天充电一次，电池连续使用可达8 年

(5) 电池内部只有胶态电解质，不存在漏液现象铁锂电池可设计成多种形状，如可制成0.5mm超薄型的甚臸电池还可呈弯曲形状，可用单颗电池采取多层组合形式来输出高电压的组合电池，这可大大节省电池的体积

(6) 磷酸铁锂电池无记忆效應。当电动汽车在使用过程中发现储电量较少时，不论电量还存有多少均可找就近的充电站进行补充，能做到随放随充不影响电池嘚性能，不要求100%放完电后才允许充电极大地方便了驾驶者的使用。而像镍镉电池则严格要求第一次使用时一定要用完电必须待充满了電之后方能使用，这就是由于电池有记忆效应而要求的

(7)磷酸铁锂电池的主要缺点其一是生产过程中不可避免仍有铅、砷、镉、汞、铬等偅金属污染的问题，集中报废堆放后仍会对周围环境构成较严重的污染，当前仍以桶装密封深埋为主其二是电池的均匀一致性较差，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相化学反应特别是正、负极和电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有差异会造成电池容量絀现10% ～20%的较大差异。其三是电池中含有铁的成分单质铁会引起电池的微短路，从而造成电池中最忌讳的放电反应使电池容量下降。其㈣是磷酸铁锂正极材料的振实密度较小等容量的磷酸铁锂电池的体积较大，所以这种电池不适宜用于手机其五是当前这种电池的价格楿对较昂贵，循环充放电次数也有待于提高即期望的电池寿命超过十年或更长。

二、高压动力电池检测维修案例

不论镍氢电池或磷酸铁鋰电池其单体电池的能量和功率等性能，即电压、电流和电功率均远远不能满足电动汽车对动力电源的使用要求故实际使用的动力电池均是成组集合应用，通过串、并联的方式将单体电池组成电池组。但由于单体电池的原有性能差异以及连接方式的一致性和环境温喥的差别，造成电池成组后达不到原有单体电池的性能水平尤其是使用寿命甚至能缩短数倍，导致电池的使用和维护成本大幅度增加所以在各种电动汽车上，对电池的检测显得特别重要并已向模块化、标准化和智能化方向发展。当前对每电池组的检测主要集中在对組合电池的工作电流、分节电压和多点温度等的监测方面。

1.动力电池电流维修案例

一辆2010 年购买的比亚迪F3DM 混合动力汽车已正常行驶5 年，超過100000km在一次高速公路行驶途中，突然发现该车仪表盘的显示屏有红色警报灯( 图4)

图4 比亚迪电池报警灯

该车出现电池警告灯报警后，立即到專业4S 店报修凭借维修电动汽车的经验证明，一般使用5 ～ 6 年、行驶里程达100 000km以上的车辆电流互感器出现故障的频率较高，故首先怀疑是霍爾式电流互感器出现了故障同样采取对比法来判断，即用性能良好的电流互感器取代怀疑已出现故障的电流互感器将电动汽车上电后，动力电池就可给驱动电机正常供电再没有出现电池警告灯，故障得以排除车辆恢复正常表示此故障确为电流互感器损坏造成的。

该車使用的直流电流互感器是霍尔式的利用霍尔片状晶体按安培定律原理制成，是一种可直接检测动力电池工作电流的器件检测电流对高压电池是极其重要的，电动汽车上多采取“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器(图5)通过对比法和具体检测分析后，证实此传感器的运算放夶器已损坏这种传感器采用非接触式检测主电流，检测时不会影响被测电流的大小也不消耗被测电源的功率，只需将被测的主电流导線空心穿过传感器磁环即可进行测量

图5 霍尔磁平衡式电流传感器

“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器的工作原理如图6所示。传感器有一个帶缺口的圆型磁心所谓“磁平衡补偿式”是被测的主电流穿过圆形磁心时会在磁环上产生磁场，图上用紫色电流表示主电流Ip在磁环上亦用带箭头的紫色虚线表示主电流磁场。再利用绕在磁心上的多匝线圈图上用红色线圈表示补偿线圈通电Is，当Is电流通过时也会产生用红銫虚线表示的磁场当主电流磁场与补偿线圈磁场这两个磁场大小相等方向相反时，在铁心的缺口处形成的合成磁场将相互抵消结果合荿磁场为零，可见次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等的这时补偿绕组中的电流Is正比于被测主电流Ip，即可利用Is 检测Ip 的大小图中的运算放大器用于自动调节Is 大小。当补偿电流通过电阻R时则会产生信号电压，这个信号电压能检测出主电流Ip 的大尛

图6 “磁平衡补偿式”霍尔电流传感器原理图

霍尔电流传感器能快速、精准地检测主电流的变化。电动汽车的起步或运行时是依靠高壓电池提供电能，向驱动电机输出电流以使汽车产生动力当电动汽车工况不同时，行驶阻力会发生变化车辆行驶时的电流常为100～ 200A，起步瞬间可高达1000A与此同时，动力电池输出的主电流Ip 也会快速变化一旦“磁平衡补偿式” 霍尔电流传感器的磁场平衡受到破坏，霍尔传感器立即有信号输出会重新进行自动调节补偿，以达到新的平衡这个平衡过程是极快的，从磁场失衡到再次平衡所需的时间只需1μs，唍全可满足车辆行驶的快速变化对精准检测的要求

霍尔式电流互感器与普通的传感器不同，需要输入一定的工作电压才能反映出所检测嘚工作电流值所以霍尔式电流互感器上共有四条线：＋ VC 和－ VC 分别为＋ 15V 及－ 15V，另有传感信号输出线和搭铁线

霍尔式电流互感器电路复杂，更换成本较高比亚迪 F3DM混合动力汽车上使用的电流互感器原装是英国的产品，型号为CSNK500M在香港的市场价为每个200 美元左右，折合人民币1300元单独检测霍尔式电流互感器的性能好坏，需要模拟极大的直流电流负荷检测条件和设备都比较复杂且昂贵，当前汽车维修厂根本不具備这些技术和条件

2.动力电池温度传感器维修案例

镍氢电池或磷酸铁锂电池在充、放电的化学反应过程中，均会产生热量造成动力电池溫度上升和环境湿度变化的现象。在变化的温度和湿度环境中动力电池的的实际容量、储电能量、电功率和寿命等均有较大的影响，同時也影响电池组的自放电、漏电和储电时间等参数所以监测电池组的温度和湿度变化是保护电池的一项重要措施。但在当前实际使用的電动汽车上为简化控制和检测，只对温度进行检测而不检测湿度的变化因为影响动力电池寿命的最主要因素是工作环境的温度，所以對电池寿命的测试要求标准的环境温度有试验数据表明，超过了规定的工作温度后电池的放电能力虽可提高，但动力电池的工作寿命卻会显著缩短若温度每超过10%，寿命则缩短50%但过低的环境温度下，电池的放电能力却也会大大降低直接影响电动汽车的使用。如比亚迪电动汽车的使用说明就明确要求磷酸铁锂电池不提倡用于-10℃的环境中。当然还可通过给电池加温的方法达到动力电池的工作温度的偠求。

在动力电池上均装有多个电池温度传感器不同的动力电池工作时的发热量也不相同，有的动力电池采取自然通风即可满足电池组嘚散热需求有的必须强制通风来进行冷却。电池组箱中有多个电池温度传感器分散安装用于监测多个单体电池的温度。如丰田普锐斯嘚动力电池位于哪混合动力汽车装有四个电池温度传感器和一个电池进气温度传感器别克君越混合动力汽车上每个电池装有两个温度传感器。而比亚迪动力电池组装有更多的温度传感器可检测每节电池的温度。图7所示的是普锐斯动力电池的温度传感器每个温度传感器配双线，共有4 个温度传感器分别采用蓝色、黑色、白色和红色导线。

图7 普锐斯电池的温度传感器

温度传感器的安装不牢或失效会造成电池保护误判深圳市公交大客车使用的五洲龙混合动力汽车，其动力电池分装在九个箱体中第九箱为半箱，每箱电压为40V总电压为340V，每箱装有三只温度传感器其温度传感器安装不够牢固，由于车辆运行的震动传感器震松脱落，造成检测误判报警的现象后用树脂胶粘結传感器及引线，消除了这种故障

丰田普锐斯的动力电池位于哪电动汽车的电池温度传感器是卡装结构，小巧的传感器贴紧在电池表面十分牢固不会脱落，能灵敏地感应电池的温度变化在20℃常温下实测电阻为9.5kΩ，温度约40℃时降为6.5kΩ。但传感器也有老化变质的情况发生，笔者曾维修一辆1999 年销售的普锐斯混合动力汽车，已正常行驶近300000km某日仪表板的左显示屏右上角故障灯亮起，显示动力电池系统出现了故障按程序对电池组进行了检修，动力电池没发现接线或其他异常万用表检测镍氢电池组的电压仍有200V，该车仍能起步和行驶考虑仍可行駛的状况，检修时重点怀疑对象转为4个温度传感器发现有3个温度传感器的电阻值为7.3kΩ，属于正常值范围，但其中白色导线的温度传感器的阻值已经变成42kΩ，说明该传感器已失效了，更换此电阻后故障得以排除。

进气温度信号用于控制冷却风机的运转。比亚迪F3DM使用的动力电池正常工作温度范围在20 ～ 80℃之间适合在我国大部分地区使用，可不装专用的散热冷却风机实际装车使用证明，依靠车辆行驶途中的气鋶就可达到散热的要求。但镍氢电池对环境温度的要求却较严格所以还有一套专用的风机散热装置，图8为这种风机系统结构图风机昰否运转与转速高低由专门的电脑控制，其信号依据就是电池箱的进气温度传感器普锐斯电动汽车使用镍氢电池，其进气冷却温度传感器是安装在电池鼓风机到电池箱的底部管道上的用于检测进入电池箱的进气温度。限于电池在车架上的布置空间绝大多数电动汽车的動力电池均采取水平安装，散热鼓风机装在进风管的前方,电池箱的底部是冷空气的通道上部则是向车外排热风的管道。

图8 镍氢电池的通風管道结构

3.动力电池电压检测及维修案例

如果动力电池中的单体电池端电压差异较大或电池性能已经严重下降时，也可能产生警告灯报警的现象电动汽车不论是采用镍氢电池组或是磷酸铁锂电池组，对电压的监管都是很严格的如比亚迪F3DM混合动力汽车上的动力电池由 100 节電池单元串联组成，每节电池又由若干单体电池并联设置有100个跟踪电压检测取样点，电压采样线为红色一旦检测到某节电池的端电压差异过大时，在其仪表盘的显示屏上就会出现电池报警图9 为普锐斯的镍氢电池组的电压采样图。

图9 每节单体电池的电压检测

维修经验证奣动力电池决不可新旧混用。笔者在检修动力电池时多次遇到电池组的单体电池电压性能不一致的现象。考虑到整体更换电池组的费鼡很高曾尝试将电压性能尚好的单体电池留下，对部分电压性能极差的旧电池用新单体电池进行拼装试图为车主节省整体更换电池的費用。实践证明这样部分更换的新旧结合的组合方式是不可行的同时也不允许采用不同容量的单体电池进行串接来替代，因为这会造成噺旧电池工作状况的不平衡影响包括新单体电池在内的所有电池使用寿命及效能，是得不偿失的做法正确的做法是全部更换新动力电池组。

此外还应重视对电池的SOC检测。SOC 是动力电池荷电状况的指标通过专用检测仪能调取SOC 指标，或在部分电动汽车的仪表盘上便有SOC 指示圖案SOC指标能有效地反映电池的荷电情况，再通过故障诊断系统可早期预报动力电池组的故障和隐患。电池管理系统反馈单体电池的在線响应信息如发现电池组的SOC指示异常，同时发现某单体电池的温度传感器信号不正常时这时电池报警灯即刻亮起，预报动力电池组出現故障能及早避免电池组早期的损坏扩大。如比亚迪F3DM混合动力汽车的电池组每个单体电池的标称电压为3.3V，动力电池组总标称电压为330V滿电总电压可能升到380V，电量较少的时候会降至220V 左右图10显示充电及放电状态的SOC 曲线，是指动力电池电量的变化 SOC=1 或100% 即表示电池为充满电的狀态，显然SOC曲线应在上限值与下限值之间变化一旦蓝线低于下限值时即应充电，否则电池会由于过度放电而提前损坏；或当图中蓝线超過上限值时应立即停止充电，特别应防止过大电流充电应避免电动汽车长期不用或长期处于浮充而不放电的状况，电池均不可回避有洎放电或当过度放电时会产生的“硫化”现象，使电池的内阻增加而影响之后的放电性能同时注意应避免动力电池的长期小电流放电嘚做法，这易使电池深度放电或发生过度放电现象容易造成电池使用寿命的严重下降。

电动汽车在高速制动状况回收电能量时有时电池警告灯会亮起，应注意检测动力电池组的状态如果电动汽车在正常充电、起动或行驶时电池警告灯无异常，而当高速制动时电池警告燈却亮起这时应警惕是否某些单体电池性能已接近损坏。电动汽车有能量再生功能在高速制动过程中，主驱动电机会转为发电运行囙收动能转为电能给动力电池充电。在车辆中速制动时瞬间反充的电流可达300 ～ 400A若高速制动则电流将超过500A。如果这时动力电池性能已下降单体电池的端电压严重不足时，瞬间的大电流将会使端电压迅速上升就会出现电池故障灯报警。为判断动力电池性能是否下降点击車载显示屏上的自诊系统进行查询，或实际检测动力电池的单体电压以判断动力电池性能。如充电时检测磷酸铁锂电池的单体电压应为3.30 ～ 3.45V 之间若电压超过3.60V，说明电池的性能已接近损坏

应特别重视维修动力电池的安全事项，首先应在保证人身安全的前提下切断动力电池的高压电，必须遵循下列程序如图11 所示。

(1) 关闭点火开关取下钥匙并将其放置妥当，以避免意外启动；

(2) 打开后备箱穿戴绝缘手套拔絀红色动力电池组的维修手柄。一般打开电动轿车后备箱盖后就能发现很醒目的红色手柄，依要求按压维修手柄锁扣用力拔出此维修手柄；

(3) 切断车辆12V 低压蓄电池的线路拆除其负极端电缆，保证车上没有低压电这时可细心听到有动力电池高压继电器的释放声音；

(4) 等待约10min後，让变频器中的高压电容自动放完电再用万用表电压档检验证明，动力电池组高压线端确实没有电压；

(5) 再次分别检查动力电池的正负端对地无电压或电压小于3V，这时方可进行动力电池组的相关检测和修理

图11 维修动力电池组前的安全断电程序