纯电动汽车和混合动力汽车的高压动力电池类型及应用实例

纯电动汽车和混合动力汽车的高压动力电池类型及应用实例

目前商业化纯电动汽车或混合动力汽车使用的高压动力电池主要有两种：一种是镍氢电池，一种是磷酸铁锂电池。例如丰田的雷克萨斯、皇冠、普锐斯，以及别克君越、本田思域等混合动力汽车，都采用镍氢电池；比亚迪e6（图）、K9、秦、唐等国产电动汽车的纯电动或混动车型，大多采用磷酸铁锂电池。全球知名的纯电动汽车特斯拉，使用的也是锂电池——钴酸锂电池，又称三元电池。深圳商业化运营的电动汽车中，丰田普锐斯等最早的车型，运营时间已经超过14年。一般比较受欢迎的电动公交车，比如五洲龙牌油电混合动力大巴，比亚迪纯电动出租车e6、公交车K9等，运营时间也都在6年以上。 这些车型上的高压电池及相关装置经过长期使用，已逐渐进入维护期。在实际维护中，我们陆续遇到了高压电池及其控制装置的各种故障，对其维护也有一定的了解。下面就镍氢电池和铁锂电池两种高压电池的原理、特点以及实际维护案例中遇到的检测技术等问题进行详细的介绍和分析。

1.高压动力电池原理及特点

1. 镍氢电池

镍氢电池是目前美国、日本等发达国家混合动力汽车最常用的电池。镍氢电池正极材料为氢氧化镍（NiOH），负极为金属氢化物，即储氢合金（MH）。电解液为30%氢氧化钾水溶液。这里所谓的“储氢合金”，是指具有较强“吸氢”能力的金属镍，其单位体积储氢密度相当于储存1000个大气压的高压氢气。储氢合金的关键是能稳定地储存和释放气体。其工作原理是利用水的氢离子运动反应来获得电流，此时氢气在负极逐渐被消耗。镍氢电池的电极反应如下，其中e指带电电子。

正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e

负极：M + H2O + e = MHab + OH - Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab

镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展起来的，但镍镉电池中含有重金属镉，对环境污染较大，因此目前发达国家都限制镍镉电池的开发和使用。镍氢电池不存在重金属污染问题，而且镍氢电池在比能量、比功率、循环寿命等方面都优于镍镉电池，因此被称为“绿色”电池。其主要特点有：

（1）电池比能量高，即单位质量的能量密度高。镍氢单体电池的额定电压为1.2V，通常由6个或10个单体电池组成电池组，电压为7.2V或12V。丰田普锐斯混合动力车型采用的是这种7.2V电池（图1），容量为6.5Ah，每节电池实测尺寸为274×106×20mm3，质量为1.1kg。共有28节电池串联，共计201.6V。镍氢电池的比能量超过70Wh/kg，车辆一次充电即可行驶很长的距离，非常适合用在电动汽车上。同时它的比功率可达200​​W/kg，在车辆加速或爬坡时输出大电流，并能平稳持续地放电，提供大功率。 同时还可实现快速放电和充电，电池抗过充、过放能力强。

图1 丰田电动车上的镍氢电池组

（2）镍氢电池在放电和充电过程中，正极板放出氧气，负极板放出氢气，氢气和氧气在电池内部很容易复合生成水，保持容器内部气体压力恒定。复合速度很快，电解液不会增多或减少，无须调节电解液的密度，因此电池本身可采用密封结构，电池可实现免维护保护。

（3）电池所谓“记忆效应”，是指电池如果每次放电不完全，比如只放出40%的电量，那么长期使用后，剩余的60%容量就放不出来，这就大大降低了电池的储存能力，直接影响电池的使用。而镍氢电池基本不存在记忆问题，充电前不要求100%放电，随时可以充电，大大方便了电动车的充放电。镍氢电池即使一年不用，再充电时还能恢复原有容量的97%以上，基本和新电池一样。如果在长期不用时，有意在里面留出一部分电量，电池的恢复和储存电量的能力可以更快更高。

（4）与镍镉电池相比，镍氢电池不存在镍镉电池中的金属镉对环境造成严重污染的问题，镍氢电池还可以回收利用，符合可持续发展的理念。该电池安全可靠，使用寿命长，充放电循环次数可达3000次以上，实际市场使用证明，其寿命可轻松超过十年。

（5）镍氢电池的缺点是储存电压低，能量密度低，目前价格较高。电池的均匀性较差，尤其在高倍率、深放电条件下，各单体电池的容量和电压差异较大。电池的自放电率较高。使用镍氢电池最重要的是避免过充、过放。其温度特性较差，在45℃以上的高温环境或0℃以下的环境下无法正常工作，电池容量与实际要求也存在较大的差距。这些问题影响了镍氢电池在电动汽车上的广泛应用。

2.磷酸铁锂电池

锂离子电池是20世纪90年代发展起来的高容量充电电池，晚于镍氢电池。它的比能量比镍氢电池大，能储存更多的电能，还具有循环寿命长、自放电率低、无电池记忆效应、无环境污染等诸多优点。其主要研究集中在大容量、长寿命、安全三个方面，成为当前储能技术的热点。其中磷酸铁锂电池（）在电动汽车上应用比较成熟。正极为橄榄石结构的磷酸铁锂，电池负极为石墨，中间为聚乙烯或聚丙烯材料制成的隔膜板。电池中部上下装有有机电解液，外壳采用金属材料密封。隔膜板可将正极与负极隔开。 同时，当电池出现异常高温时，隔膜板上的孔隙会阻塞锂离子通道，可以停止充电或放电反应，有效防止电池外部短路电流过大时，反应过度而引起的过热现象。

磷酸铁锂电池结构如图2所示。电池正极连接铝箔，负极连接铜箔，可直接与外电路连接。电池内部的锂离子可在正负极材料晶格中自由扩散。电池放电时，锂离子从石墨负极板层状结构中析出，经隔膜板到达正极板。锂离子的移动产生电流；反之，充电时，锂离子在电势作用下从正极释放出来，嵌入石墨负极中。在电池充放电循环过程中，在电解液的帮助下，锂离子在电池两极之间来回移动。磷酸铁锂电池单格标称电压为3.2V，充电结束时最高电压为3.6V，放电最高电压为2.0V。 磷酸铁锂电池通常采用圆形卷绕“18650”型电池结构，即电池直径为18mm，高度为65mm。目前最大容量为。图3是由18650型电池组成的五洲龙电动客车的电池箱。

图2 锂铁电池结构

图3：由圆形卷绕单体电池组成的电池组

磷酸铁锂电池的主要特点是：

（1）可实现大功率输出，能量密度高，适合在电动大客车上使用。单电池标称电压为3.6V，是镍氢电池的3倍，容量和体积比镍氢电池小得多。其充放电电流特性大、快。根据电池容量“C”值，标准充放电电流为2至5C，持续大电流放电可达10C，10s瞬间脉冲放电可达20C。可为车辆起步、加速提供足够的电流和驱动力，为电动汽车的普及推广带来极大便利。

（2）电池具有宽温度特性。锂铁电池在-20℃至75℃的环境下均能正常工作，峰值电热可达350℃以上。由于电池内部充放电化学反应产生热量，在外界环境温度65℃时，内部温度可达95℃，电池放电时温度甚至可​​达160℃！只要电池有适当的通风散热装置，就能保证电池的正常使用。但实践证明，在比亚迪或五洲龙电动汽车上，高压电池箱内并未配备专门的风扇散热装置，仅靠车辆行驶带来的散热效果，电池仍能正常使用。

（3）磷酸铁锂电池使用安全可靠，不会发生爆炸。磷酸铁锂电池正极材料电化学性能良好，有非常稳定的充放电平台，充放电时结构稳定，即使放电电压达到0V也绝对安全，电池安全性好。该类电池提倡使用恒压恒流充电，当电压从3.2V升到3.6V时应停止充电，或保持很小的充电电流；但当锂电池电压很低时，如2V以下时，就不宜用大电流快速充电，应采用很小的涓流充电，这样可以有效延长电池的使用寿命。这里需要指出的是，磷酸铁锂电池在过大电流充放电时，电池内部的化学反应会不断升温，活化过程中产生的气体会膨胀。 当电池内部压力过高到一定程度时，会导致电池密封的铝塑外壳鼓起或者破裂。由于电池管理系统有极其可靠的保护措施，如电流、温度、电压等参数的监测，对锂铁电池有极其有效的保护，因此在使用过程中，即使在碰撞、穿刺等极端情况下，也几乎没有爆炸的风险。

2013年，深圳一辆比亚迪e6纯电动出租车发生严重碰撞，引发火灾，当场造成3人死亡。经组织专家现场检查分析后发现，电池只是变形，造成短路而引发火灾，但电池结构依然完好。实践证明，磷酸铁锂电池不会爆炸。

（4）电池循环充放电寿命长。根据国家标准，充电电池的循环寿命试验采用深充深放电方式进行，即以恒流放电至电池1C额定容量值，再以恒流恒压方式充电至额定电压。这个放电充电过程称为一个“循环”。磷酸铁锂电池在常温下以1C电流充放电，经过500次循环后，单节电池的放电容量仍大于95%，经过2000次循环后，容量仍大于80%；其综合循环可达近2400至3000次。如果电动车每天充电一次，电池可连续使用长达8年。

（5）电池内部只有胶体电解液，不会发生漏液。铁锂电池可以设计成各种形状，如0.5mm超薄型，甚至弧形，单体电池可以多层组合，输出高电压组合电池，可以大大节省电池体积。

（6）磷酸铁锂电池没有记忆效应。当电动车电量不足时，无论剩余多少电量，都可以找到附近的充电站进行充电。这样可以随时充电，而不会影响电池的性能。它不需要将电池100％放电后再进行充电，大大方便了驾驶员的使用。但是镍镉电池严格要求电池在第一次使用前必须充满电。这是由于电池有记忆效应。

（7）磷酸铁锂电池的主要缺点是，在生产过程中不可避免地会受到铅、砷、镉、汞、铬等重金属的污染，报废堆放后，仍会对周围环境造成严重的污染，目前仍以密封埋桶为主。其次，电池的均匀性较差。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、电解液材料的质量和工艺不同，其性能也会有差异，会造成电池容量10%~20%的较大差异。第三，电池中含有铁成分，单铁会造成电池内微短路，从而引起电池内最忌讳的放电反应，使电池容量降低。第四，磷酸铁锂正极材料的振实密度小，相同容量的磷酸铁锂电池体积较大，因此该类电池不适用于手机。 第五，该类电池价格相对较贵，且循环充放电次数有待提高，也就是预期电池寿命在十年以上或者更长。

2.高压动力电池检测维护案例

不论镍氢电池还是磷酸铁锂电池，其单体电池的能量和功率性能即电压、电流、电功率都远远不能满足电动汽车对电源的要求。因此实际使用的动力电池都是成组使用的，将单体电池通过串并联连接起来，组成电池组。但由于单体电池原有的性能差异、连接方式的一致性以及环境温度的差异，电池组无法达到原单体电池的性能水平，特别是使用寿命甚至会缩短数倍，导致电池的使用和维护成本大幅增加。因此电池测试在各类电动汽车中尤为重要，并向模块化、标准化、智能化方向发展。目前对各电池组的检测主要集中在组合电池的工作电流、段电压、多点温度的监测上。

1.动力电池现阶段维护案例

一辆2010年购买的比亚迪F3DM混合动力轿车，行驶5年多，运行正常，某车在高速公路行驶时，突然发现该车仪表盘显示屏出现红色警示灯（图4）。

图4 比亚迪电池警示灯

车辆电池警示灯出现后，客户立即向专业4S店反映问题。根据维修电动车的经验，一般证明使用5~6年、行驶里程10万公里以上的车辆电流互感器故障频率较高，所以首先怀疑是霍尔电流互感器故障。同样采用对比法进行判断，即将怀疑有故障的电流互感器更换为性能良好的电流互感器。电动车通电后，动力电池能正常给驱动电机供电，电池警示灯也不再出现，故障排除，车辆恢复正常，说明故障确实是电流互感器损坏导致的。

本车所用直流电流互感器为霍尔式，是利用霍尔晶体根据安培定律原理制​​成的，是一种能直接检测动力电池工作电流的器件。检测电流对于高压电池来说极其重要。电动车常采用“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，确认是此传感器的运算放大器损坏。此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，只需要将被测主电流导线穿过传感器磁环即可测量。

图5 霍尔磁平衡电流传感器

“磁平衡补偿式”霍尔电流传感器的工作原理如图6所示。该传感器有一个带缺口的圆形磁芯。所谓“磁平衡补偿”，就是当被测主电流通过圆形磁芯时，磁环上会产生磁场。图中紫色电流代表主电流Ip，磁环上带箭头的紫色虚线代表主电流磁场。然后在磁芯上绕制多匝线圈，图中红色线圈代表补偿线圈通电Is。当Is电流通过时，也会产生红色虚线代表的磁场。当主电流磁场与补偿线圈磁场大小相等、方向相反时，在铁芯缺口处形成的合成磁场会相互抵消，导致合成磁场为零。可以看出，任何时候次级补偿电流的安匝数都等于初级被测电流的安匝数。 此时补偿绕组中的电流Is与要测量的主电流Ip成正比，利用Is可以检测出Ip的大小。图中的运算放大器就是用来自动调节Is的大小的。当补偿电流通过电阻R时，就会产生信号电压，利用这个信号电压就可以检测出主电流Ip的大小。

图6 “磁平衡补偿”霍尔电流传感器原理图

霍尔电流传感器可以快速、准确地检测出主电流的变化。电动汽车在启动或行驶时，依靠高压蓄电池提供电能，输出电流给驱动电机，为车辆发电。当电动汽车的工作状态不同时，驱动阻力会发生变化。车辆行驶时的电流一般为100至200A，启动瞬间可高达1000A。同时，动力电池输出的主电流Ip也会发生快速变化。一旦“磁平衡补偿”霍尔电流传感器的磁场平衡被破坏，霍尔传感器就会立即输出信号，自动调节补偿，达到新的平衡。这个平衡过程极快，从磁场不平衡到重新平衡仅需1μs，完全可以满足车辆行驶中对快速变化进行准确检测的要求。

霍尔电流互感器不同于一般的传感器，它需要输入一定的工作电压才能体现检测到的工作电流值，因此霍尔电流互感器上有四根线：+VC、-VC分别为+15V、-15V，另外还有传感器信号输出线、地线。

霍尔式电流互感器电路复杂，更换成本高。比亚迪F3DM混合动力车使用的电流互感器原产于英国，型号为1653，香港市场售价约200美元/只，折合人民币1300元。单独检测霍尔式电流互感器的性能，需要模拟巨大的直流电流负载，检测条件和设备相对复杂，价格昂贵，目前汽车修理厂不具备这些技术和条件。

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化学反应过程中会产生热量，导致动力电池温度升高、环境湿度发生变化。在变化的温湿度环境中，动力电池的实际容量、储能、功率和寿命受到很大影响，电池组的自放电、漏液、存储时间等参数也受到影响。因此，监测电池组的温湿度变化是保护电池的重要措施。但在目前使用的电动汽车中，为了简化控制和检测，只检测温度而不检测湿度的变化。由于影响动力电池寿命的最重要因素是工作环境的温度，因此电池寿命的测试需要标准的环境温度。试验数据表明，超过规定的工作温度后，电池的放电容量可以提高，但动力电池的工作寿命会明显缩短，温度超过10%，寿命将缩短50%。 但环境温度过低，电池的放电能力会大大降低，直接影响电动汽车的使用。比如比亚迪电动汽车的使用说明书就明确要求磷酸铁锂电池不建议在-10℃的环境下使用。当然，也可以通过给电池加热的方式来满足动力电池的工作温度要求。

动力电池上安装有多个电池温度传感器，不同的动力电池在工作时产生的热量不同，有的动力电池通过自然通风就能满足电池组的散热要求，有的则必须通过强制通风进行冷却。电池包箱体上安装有多个电池温度传感器，用于监测多个单体电池的温度。如丰田普锐斯混合动力汽车配备了4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为每个电池配备了2个温度传感器。比亚迪动力电池包配备了更多的温度传感器，用于检测每个电池的温度。图7为普锐斯动力电池的温度传感器，每个温度传感器配备了2根导线，一共有4个温度传感器，分别使用蓝、黑、白、红线。

图7 Prius电池温度传感器

温度传感器安装不牢或发生故障，会引起电池保护误判。深圳公交使用的五洲龙混合动力汽车动力电池分为九箱，第九箱为半箱，每箱电压40V，总电压340V，每箱安装三个温度传感器。温度传感器安装不够牢靠，由于车辆行驶震动，导致传感器松动脱落，引起误判报警现象。后来用树脂胶将传感器及引线粘接，才消除此故障。

丰田普锐斯电动车电池温度传感器为卡装式结构，小小的传感器贴在电池表面，非常牢固，不会脱落，能灵敏地感知电池的温度变化。测量电阻在常温20℃时为9.5kΩ，在40℃左右时降至6.5kΩ。但传感器也可能老化变质。笔者曾维修过一辆1999年出售的普锐斯混合动力汽车，行驶近一年，一直正常。有一天，仪表盘左侧显示屏右上角故障灯亮起，提示动力电池系统出现故障。按程序对电池组进行检查，动力电池未发现任何接线等异常，万用表检测镍氢电池组电压仍有200V，车子还能启动行驶。考虑到还能行驶的状况，检查重点转向4个温度传感器。 发现3个温度传感器的阻值均为7.3kΩ，在正常值范围内，但白色线的温度传感器的阻值已变成42kΩ，说明该传感器已失效，更换此电阻后，故障消除。

进气温度信号用于控制冷却风扇的运转。比亚迪F3DM所采用的动力电池正常工作温度范围在20~80℃之间，适合我国大部分地区使用，且不需要专门的散热冷却风扇。实际车辆安装使用证明，依靠车辆行驶过程中的气流即可满足散热要求。但镍氢电池对环境温度要求更为严格，因此还有一套专用的风扇散热装置。图8为该风扇系统结构图。风扇是否运转及转速由专门的电脑控制，其信号以电池箱进气温度传感器为依据。普锐斯电动车采用镍氢电池，其进气冷却温度传感器安装在电池鼓风机至电池箱的底管上，用于检测进入电池箱的进气温度。 受限于电池在车架上的布置空间，大部分电动汽车的动力电池采用横置安装，散热鼓风机安装在进风管前方。电池箱底部为冷风的通道，上方为将热风排至车外的管道。

图8 镍氢电池通风道结构

3.动力电池电压检测及维护案例

如果电池中的单个电池的端子差异很大，或者电池的性能严重下降，电动车也可能会使用镍金属电池组或磷酸盐电池组。 tage检测点，一旦电池的端子电压差太大，电压采样线就会发出。

图9每个单元的电压检测

维护经验证明，当我修复电池时，电池不得与新旧电池混合，我遇到了电池组的单元组的不一致的电压性能，考虑到整个电池的整体电池效果，我尝试将电池组成良好的电池组成，以使电池组成良好的电池组合，以使电池组成良好的电池组合。所有者的实践证明，这种新的和旧的替代品的结合是不可行的，也不允许使用不同能力的单个单元组串联替换它们，因为这会在新电池的工作条件下造成不平衡，从而影响所有电池的使用寿命和性能，替换了所有电池的损失。

此外，可以通过特殊的检测器检索SOC的SOC检测，这是SOC电池的电荷状态。 。 。 当充满电的电压时，总电压可能会下降到220V，当功率较低时，电压显示了充电和放电状态的曲线，这是指功率= 1或100％的电池的变化。 IVE;当数字中的蓝线超过上限时，应立即停止充电，尤其是为了防止过多的电动汽车，应避免使用长时间的浮动状态，或者在不避免的情况下会避免使用“硫磺”，否则会导致电池越来越多。 同时，应注意的是，应避免长期低电池电池的长期发电量的实践，这很容易引起电池的深度放电或过度递减，这很容易导致电池寿命大大降低。

图10充电和排放SOC曲线

当电动汽车在高速制动期间回收电动能量时，电池警告灯有时会亮起，如果电池组的电池警告在正常的充电，启动或驾驶时，您应该注意电池组的状态。恢复的动能将转换为电能电池，当车辆以中速度制动时，瞬时的反向充电电流可以达到300至400A，如果它以高速为单位，当电源电池电量的快速电池电量均超过终端电池，并且终端的电池电量不足。出现。 要确定电池的性能是否已下降，请在板载显示屏上单击自我诊断系统以查询，或者实际上检测到电池的单个电池电压以确定电池的性能。

4.维护安全预防措施

应特别注意维修电池的安全性，在确保人身安全的前提下，电池的高压应切断。

（1）关闭点火开关，卸下钥匙并将其放下以避免意外启动；

（2）打开行李箱，戴上绝缘手套，并拔出电池组的红色维护手柄。

（3）切断车辆的12V低压电池的线路，并卸下其负端子电缆，以确保车辆中没有低压电力，您可以仔细聆听电池高压继电器的发行声；

（4）等待大约10分钟后，逆变器中的高压电容器自动放电，然后使用万用表的电压范围来检查和验证电池组的高压线端确实没有电压；

（5）再次检查电池的正端子和负端子。

图11修理电池组之前的安全电力程序