新能源汽車動力電池及管理系統(tǒng)檢修 課件 項目二 檢修動力電池及管理系統(tǒng)常見故障

新能源汽車動力電池及管理系統(tǒng)檢修檢修動力電池及管理系統(tǒng)常見故障項目二任務(wù)一檢修電芯單體電壓類故障任務(wù)二檢修電芯溫度類故障任務(wù)三檢修D(zhuǎn)C/DC故障任務(wù)四檢修電流采樣故障任務(wù)五檢修均衡功能故障任務(wù)六檢修高壓采樣故障任務(wù)七檢修繼電器類故障動力電池系統(tǒng)一般包括電池箱、高低壓線束、動力電池管理系統(tǒng)（BMS），其中電池箱是由很多電池單體串并聯(lián)在一起組成的，如右圖所示。因此動力電池系統(tǒng)故障按照發(fā)生的部位可以分為三類：電芯單體故障、動力電池管理系統(tǒng)故障、線路或連接件故障。（1）電芯單體故障電芯單體故障一般可以分為以下三種。1）電芯單體性能正常，電芯單體無須進行更換處理。對應(yīng)故障現(xiàn)象有電芯單體SOC偏低和電芯單體SOC偏高兩種。如果電芯單體SOC偏低，對應(yīng)策略是應(yīng)及時對該電芯單體進行充電，以防電池箱實際電池容量降低。如果電芯單體SOC偏高，對應(yīng)策略是需要對該電芯單體進行單獨放電，以防止影響整體電池的充電容量。導(dǎo)致電芯單體SOC不一致的原因有制造因素、儲存環(huán)境、電芯單體內(nèi)阻不同、用戶使用習(xí)慣不同等。項目描述2）電芯單體性能衰退嚴重。對應(yīng)故障現(xiàn)象有電芯單體內(nèi)阻偏大和電芯單體容量不足。如果鋰離子電池內(nèi)阻偏大，會嚴重影響電池的電化學(xué)性能，在電池箱中，最小的電芯單體容量會限制整個電池箱的容量，電芯單體容量不足會影響車輛的續(xù)駛里程。因此對于性能衰退嚴重的電芯單體應(yīng)進行立即更換處理。3）電芯單體短路故障影響行車安全。對應(yīng)故障現(xiàn)象有電芯單體內(nèi)部短路和電芯單體外部短路。車輛行駛中如果遇強振動，鋰離子電池內(nèi)部極板上的活性物質(zhì)、接線柱可能會出現(xiàn)脫落或折斷，因此可能造成電芯單體內(nèi)部短路或者外部短路故障。（2）動力電池管理系統(tǒng)故障動力電池管理系統(tǒng)（BMS）對于保障電池箱的安全及使用壽命具有重要作用（右圖），若動力電池管理系統(tǒng)發(fā)生故障，就失去了對電池的監(jiān)控，不能估算電池的SOC，容易對電池造成過充、過放、過載、過熱等問題，影響電池的性能、使用壽命和行車安全。動力電池管理系統(tǒng)故障主要包括CAN通信故障、總電壓測量故障、電芯單體電壓測量故障、溫度測量故障、電流測量故障、繼電器故障、PTC加熱器故障和冷卻系統(tǒng)故障等。（3）線路或連接件故障因為車輛振動可能會造成電池間的連接螺栓松動，電池間接觸電阻增大，發(fā)生電池間虛接故障，以致電池箱內(nèi)部能量損耗增加，直接造成車輛動力不足和續(xù)駛里程變短的問題，極端情況下還能引起高溫，產(chǎn)生電弧，熔化電池電極和連接片，甚至造成電池著火等極端電池安全事故。在新能源汽車運行過程中，電池箱和新能源汽車的電氣連接也是故障的高發(fā)點，電插接件在經(jīng)歷長時間振動后容易出現(xiàn)虛接、易燒蝕、接觸不良等故障。學(xué)習(xí)目標素養(yǎng)目標1.能夠通過閱讀資料劃出關(guān)鍵技術(shù)點，具備歸納整理故障診斷方法的能力。2.培養(yǎng)能夠?qū)Α昂唵巍钡募夹g(shù)系統(tǒng)確認診斷方法的能力。知識目標1.能夠分析電芯單體產(chǎn)生電壓類故障的原因。2.能夠掌握電芯單體檢修的方法。3.掌握動力電池與動力電池管理系統(tǒng)的構(gòu)造及工作原理。4.掌握上位機軟件的安裝與使用。5.能夠掌握動力電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生故障的診斷流程。技能目標1.能夠熟練使用檢測設(shè)備。2.能夠排除電芯欠電壓或過電壓的故障。3.能夠排除電芯溫度異常的故障。4.能夠排除動力電池和動力電池管理系統(tǒng)的常見故障。5.能夠排除不同類型的動力電池故障。電芯單體是電池箱當(dāng)中的單個電池，電池箱由電芯單體和動力電池管理系統(tǒng)（BMS）等組成，如右圖所示。任務(wù)一檢修電芯單體電壓類故障一、上位機軟件的安裝與使用上位機是指可以直接發(fā)出操控命令的計算機。1.診斷儀連接診斷儀連接見右表。2.線束連接順序乘用車線束連接順序如下。線束查詢表見左表。按照線束查詢表，查詢對應(yīng)子線束的序號，找出檢測轉(zhuǎn)接線，如下圖所示。3.安裝注冊安裝注冊上位機軟件，雙擊運行，如下圖所示。復(fù)制+截圖發(fā)送、點擊注冊、添加許可證（license），安裝過程截圖如上圖所示。一臺計算機需要一個license，基本適配所有上位機軟件。4.檢測動力電池雙擊運行上位機軟件，系統(tǒng)界面如下圖所示。主界面如下圖所示。①操作區(qū)：設(shè)置、運行、幫助。②導(dǎo)航欄：電池信息、電壓圖表、溫度圖表、告警信息、數(shù)據(jù)讀寫、UDS診斷、DTC故障檢測、刷寫、報文監(jiān)控。1）電池信息如下圖所示。電池信息總覽：

BMU生命信號—判定BMU是否被喚醒。

繼電器內(nèi)外側(cè)電壓。

累計總電壓—單體電壓求和。

母線電流。

SOH—健康指數(shù)。

SOC、RSOC—當(dāng)前電量。

最高單體電壓及所在電芯位置。

最高單體溫度及所在CSC編號。

正極、負極絕緣阻抗。

各類繼電器狀態(tài)。累計充放電能量。2）電壓圖表如右圖所示。操作：①勾選“PlotEnable”，顯示代表電芯電壓的柱狀圖。②點擊“Overall”，顯示系統(tǒng)所有電芯的電壓。③點擊“Group”，選擇CSC編號顯示該CSC或采樣芯片采集的單體電壓。識別：①1個柱子代表1個電芯電壓。②1組柱子代表1個采樣芯片采集的電芯電壓，從左至右依次為芯片1→芯片n。③根據(jù)電氣原理圖的映射表，才能定位電芯所在的模組位置及CSC采樣位置。3）溫度圖表如下圖所示。識別：①1組方框代表1個采樣芯片采集的溫度，從左至右依次為芯片1→芯片n。②根據(jù)電氣原理圖的映射表，才能定位該溫度是哪個熱敏電阻（NTC）溫度或CSC溫度。③1個方框代表1個溫度采樣點，數(shù)值是溫度，不同顏色表征不同的溫度。4）告警信息如右圖所示。定義：①0—正常。②1—一級故障。③2—二級故障。④3—三級故障。有故障時，單元格會填充為紅色，數(shù)字越高，故障等級越高。5）DTC故障檢測，如下圖所示。功能：①01—第一次發(fā)生，但當(dāng)前不存在該故障。②08—不止一次發(fā)生，但當(dāng)前不存在該故障。③09—不止一次發(fā)生，但當(dāng)前仍存在該故障。④可一鍵讀取SnapShot信息。注意事項：①清除故障前，先截圖保存。②清除故障前，先保存SnapShot信息。二、檢修電芯單體欠電壓或過電壓的故障1.動力電池的基本數(shù)據(jù)及故障碼含義首先要知道動力電池的工作電壓范圍，見下表。某項目車型因電池電壓異?？赡軙a(chǎn)生的故障碼，見左表。2.故障排查（1）檢查分析電芯電壓采樣電路電芯電壓采樣可簡單理解為給電芯和模組做例行的“體檢”；在充放電過程中，實時采集電池箱中每塊電池的端電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。電芯電壓采樣：幫助BMU對動力電池進行電壓監(jiān)控及其均衡控制。這種“體檢”是在線、持續(xù)、不間斷的。過程中一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，可及時查詢對應(yīng)電池狀況，并挑選出有問題的電池，從而保持整箱電池運行的可靠性和高效性。（2）采樣的基本流程采樣分為分布式BMS和集成式BMS，電芯電壓采樣的基本流程，見下表。（3）電氣原理圖（某商用車）某商用車電芯電壓采樣電氣原理圖，如左圖所示。（4）電氣原理圖（某乘用車）1）分布式BMS電芯電壓采樣電氣原理圖，如下圖所示。2）集成式BMS電芯電壓采樣電氣原理圖，如右圖所示。（5）電芯電壓采樣形式電芯電壓采樣包括FPC采樣和線束采樣兩種形式。FPC采樣如左圖所示。線束采樣如右圖所示。電芯電壓采樣的連接形式分別是線束轉(zhuǎn)接式（左圖）、直插式（右圖）。通過對電芯電壓采樣電氣原理圖的分析，總結(jié)出的故障排查方法見右表。1）根據(jù)實際故障情況評估維修方案，包括但不限于：充放電、均衡、更換有模組（MTP）、更換無模組（CTP）、更換采樣線束、更換主控模塊或從控模塊等。2）如果按照以上維修方案故障仍未排除，需由維修人員按要求用上位機采集容量數(shù)據(jù)，進行電池容量衰減分析，從而評定最終的維修方案。3）注意更換電池箱、更換主從模塊后的特殊維修項可能會涉及重新編碼、刷程序、標定等。三、檢修單體電池電壓采樣失效故障動力電池由很多節(jié)單體電池串并聯(lián)而成。在動力電池使用過程中，BMS需要實時監(jiān)控每一節(jié)單體電池的電壓信息，用于SOC計算、安全監(jiān)控、故障診斷等。當(dāng)單體電池電壓采樣功能喪失時，如采集電壓為0V、采集電壓比實際電壓偏高或偏低等與實際單壓不符的情況，通常把這種喪失規(guī)定功能的狀態(tài)叫作“失效”或者“故障”。單體電池電壓采樣故障分析離不開電氣原理圖，某車型部分電芯電壓采樣電氣原理圖，如左圖所示。（1）采集芯片損壞采集芯片損壞主要是因為過芯片電流超過芯片的最大耐受電流，引發(fā)芯片出現(xiàn)不可逆的損傷，進而導(dǎo)致采樣功能失效，此時只能更換采樣單元（如CSC或BMU）來解決該問題。（2）通信故障單體電池采樣芯片信號傳遞大多支持CAN總線和菊花鏈兩種通信方式，可能導(dǎo)致通信異常的原因主要有線路斷路、短路、信號干擾、終端電阻失效等。以上通信異常故障，可以通過線路電壓通斷測量或者終端電阻測量，鎖定故障點，更換或維修故障部位的元器件。（3）線束失效線束及插頭是單體電池電壓采樣模塊的重要組成部分，且也是較易失效的部分。線束一般由導(dǎo)線、端子、卡扣、插接件等組成，線束失效導(dǎo)致單體電池電壓采樣異常，一般有以下幾種模式。

1）BMSFPC端線束插頭未接，導(dǎo)致該線束對應(yīng)的單體電壓均為0V。2）BMSFPC端線束插頭未插緊，車輛運行中振動顛簸及固定線束卡箍應(yīng)力作用造成偶發(fā)性的阻抗偏大，導(dǎo)致電壓采集異常。3）線束端子有膠塵，導(dǎo)致接觸阻抗變大，電壓采樣丟失。4）線束鎖定端子彈片變形，電壓采樣丟失，可通過晃動插接件復(fù)現(xiàn)故障。5）線束插接件退針導(dǎo)致電壓采樣異常，可通過晃動插接件復(fù)現(xiàn)故障。6）柔性印制電路板（FPC）斷裂，導(dǎo)致電壓采集在正常采集和虛連接之間來回跳動。7）電池模組上的FPC鎳片焊接失效或漏焊，導(dǎo)致電壓采樣異常。8）電壓采集線束焊接失效/破損，導(dǎo)致電壓采樣跳動。（4）電池箱鋁排連接松動當(dāng)串聯(lián)連接電池箱的鋁排或銅排不牢固、松動時，兩個接觸端點之間會有一個接觸電阻，產(chǎn)生一個電壓降。當(dāng)電池箱放電時，電流經(jīng)過該接觸電阻便會產(chǎn)生一個電壓降，此時采集芯片采集端的電壓受該電壓降的影響，采集電壓偏小，引發(fā)電壓采樣失效。例如，電池箱出現(xiàn)鋁排連接松動，可以通過焊接方式將固定點進行修復(fù)。任務(wù)二檢修電芯溫度類故障確保電芯單體的工作溫度范圍是非常重要的，工作溫度過高或過低都會對電芯的性能和壽命造成不利的影響。通常，動力電池電芯單體的正常工作溫度范圍為-20～55℃。超出正常工作溫度范圍，電芯單體將會出現(xiàn)一些異常情況，如過熱或過冷、充電反應(yīng)遲緩等。當(dāng)工作溫度低于0℃時，電芯單體的性能會下降，充放電能力也相應(yīng)降低，所以電芯單體的理想充放電溫度范圍是20～45℃。鋰離子電池工作溫度，如右圖所示。鋰離子電池處于低溫環(huán)境時的電解液黏度變大，鋰離子的遷移速度變慢，在低溫下以較大的電流放電，放出的容量會相對減少；高溫環(huán)境下因副反應(yīng)的發(fā)生會損失容量，并可能出現(xiàn)氣體造成電池鼓脹。一、電芯單體的工作溫度鋰離子電池的放電效率在低溫時會有顯著的降低（如溫度低于-15℃），電池的充電速度也將大大降低；為了有效充電，環(huán)境溫度范圍應(yīng)在20～45℃，一般充電效率會隨溫度的升高而升高，但當(dāng)溫度升到45℃以上時，高溫下充電電池材料的性能會發(fā)生退化，電池的循環(huán)壽命也將大大縮短。二、BMS溫度采樣原理1.電池箱電池箱一般由電池模組、熱管理系統(tǒng)、BMS、電氣系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)件組成。其中，電池模組由多個電芯組成，電池箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示，電池箱內(nèi)溫度傳感器如下圖所示。2.溫度傳感器溫度傳感器采用的是負溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）。溫度越高，NTC的電阻越小。通常，BMS通過采用分壓電路采集NTC的分壓確定熱敏電阻的阻值，從而得到電芯單體的溫度，溫度采樣原理如左圖所示。溫度傳感器安裝在電池模組上，根據(jù)其測量值可確定各電池的溫度。借助電池溫度可以識別BMS是否過載或有電氣故障。出現(xiàn)以上任一種情況時，必須立即降低電流強度或完全關(guān)閉高電壓系統(tǒng)，以免進一步損壞電池。此外，測量溫度還用于監(jiān)控冷卻系統(tǒng)是否正常運行，確保電池始終在最有利于自身功率和使用壽命的溫度范圍內(nèi)運行。右圖所示為電池單元的內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)。M10～M8—電池模組C1～C6—電芯單體NTC1、NTC2—溫度傳感器電池的工作溫度不僅影響電池的性能，而且直接關(guān)系到新能源汽車使用安全的問題，因此準確采集溫度參數(shù)顯得尤為重要。目前市場使用的電池溫度傳感器主要為熱敏電阻。熱敏電阻采集法的原理是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性，用一個定值電阻和一個熱敏電阻串聯(lián)起來構(gòu)成一個分壓器，從而把溫度的高低轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器得到溫度的數(shù)字信息。常用的是負溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC），因為熱敏電阻成本低，所以廣泛應(yīng)用于新能源汽車電池的溫度采集。但NTC的缺點是線性度不好，制造誤差一般比較大，如下圖所示為電池溫度傳感器（NTC）。（1）溫度采集異常采取的措施BMS通過CSC采集動力電池溫度，動力電池模組溫度過高會導(dǎo)致BMS無法充電、限定電流、限定功率等，溫度過低會導(dǎo)致限流、限定功率充電等。電池溫度過高或過低的警告及措施見左表。（2）動力電池溫度采集異常的主要原因動力電池溫度采集異常的主要原因如下：1）溫度傳感器故障。2）溫度傳感器線路故障。3）CSC從控模塊或BMS控制器自身故障。對于動力電池采集溫度異常，首先通過診斷儀讀取故障碼，檢查BMS是否記錄了相關(guān)電池溫度的故障碼；其次可通過診斷儀讀取動力電池溫度數(shù)據(jù)，若動力電池溫度異常，則需拆解動力電池模組，確認測量異常的溫度傳感器阻值是否與標準值一致。如果不一致，判斷溫度傳感器故障，更換溫度傳感器；若一致，檢查溫度傳感器線路，若線路正常，可判斷溫度采集CSC故障或BMS控制器自身存在故障。三、BMS溫度采樣組件及溫度信號通信1.BMS溫度采樣組件BMS溫度采樣組件采用的分別是水滴頭式NTC、鎳片式NTC、鍵合貼片式NTC、貼片式NTC，如下圖所示。BMS溫度采樣連接形式分別是線束轉(zhuǎn)接式和直插式兩種組件，如下圖所示。2.溫度信號通信1）BMS模組溫度采樣通信的基本流程見下表。2）溫度信號數(shù)據(jù)通信形式見下表。四、檢修電芯溫度類故障BMS通過CSC采集動力電池電芯溫度，動力電池模組溫度過高會導(dǎo)致BMS無法充電、限定電流、限定功率等，溫度過低會導(dǎo)致BMS限定電流、限定功率充電等。1.故障原因分析動力電池電芯溫度采集異常的主要原因如下。1）溫度傳感器故障。2）溫度傳感器線路故障。3）CSC或BMS控制器故障。對于動力電池采集溫度異常，首先通過診斷儀讀取故障碼，檢查BMS是否記錄了相關(guān)電池溫度的故障碼；其次可通過診斷儀讀取動力電池溫度數(shù)據(jù)，若動力電池溫度異常，則需拆解動力電池模組，確認測量異常的溫度傳感器電阻是否與標準值一致。如果不一致，判斷溫度傳感器故障，更換溫度傳感器，見下表；若一致，檢查溫度傳感器線路，若線路正常，可判斷溫度采集CSC故障或BMS控制器自身存在故障。電芯溫度類故障有以下幾種。1）溫度高：BMS中某個或者某幾個電芯溫度點偏高，運行或充電中達到報警閾值。2）溫度低：BMS中某個或者某幾個電芯溫度點偏低，運行或充電中達到報警閾值。3）溫差：參照高低溫排查方法。4）電芯發(fā)熱差異。2.故障碼清單某項目車型因電池溫度異?？赡軙a(chǎn)生的故障碼見左表。3.故障排查故障排查方法見下表。故障排查方法可參考上位機檢測電芯單體溫度。4.故障處理根據(jù)實際故障情況評估維修方案，可能的維修方案有：更換模組溫度采樣組件，更換線束轉(zhuǎn)接線，更換直插式插頭等組件。DC/DC變換器的電能來自于動力電池，作用是給車載低壓用電設(shè)備供電，常被簡稱為DC/DC。DC/DC變換器相當(dāng)于燃油汽車的發(fā)電機，其作用是將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電，對用電設(shè)備供電和為低壓電池充電，如右圖所示。任務(wù)三檢修D(zhuǎn)C/DC故障一、DC/DC功能及工作原理1.DC/DC功能（1）整車端DC/DC變換器負責(zé)將動力電池200V或800V的高壓電轉(zhuǎn)換成12V電源輸出供給整車用電器工作，以保證行車時低壓用電設(shè)備正常工作，如向車身電氣設(shè)備供電，在電池虧電時補充電等。（2）動力電池端1）電壓轉(zhuǎn)換與功率輸出。電壓轉(zhuǎn)換與功率輸出主要功能是充電時將電池高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電，供給BMS正常工作。2）24h監(jiān)控。24h監(jiān)控的BMS-DC/DC具備定時喚醒與CAN通信功能，支持在休眠狀態(tài)下定時喚醒并輸出供電與喚醒信號給BMS，與BMS配合實現(xiàn)24h監(jiān)控功能。3）故障診斷與保護。BMS-DC/DC具備故障診斷與保護功能，包括過溫保護、輸入過電壓保護、輸入欠電壓保護、輸出過電壓保護、輸出欠電壓保護、輸出過電流保護、輸出短路保護、通信丟失等。某商用車DC/DC變換器如下圖所示。2.DC/DC變換器工作原理DC/DC變換器是一種將直流（DC）轉(zhuǎn)換為直流（DC）的元件，具體是指利用DC轉(zhuǎn)換電壓的元件。集成電路（IC）等電子元件各自的工作電壓范圍不同，因此需要利用DC轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。生成電壓低于初始電壓的變換器被稱為“降壓變換器”；生成電壓高于初始電壓的變換器被稱為“升壓變換器”。DC/DC變換器的功能是將新能源汽車動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，既能給整車低壓電氣設(shè)備供電，又能給輔助電池充電的變換裝置供電，如右圖所示。（1）高壓轉(zhuǎn)高壓DC/DC變換器高壓轉(zhuǎn)高壓DC/DC變換器在新能源汽車上主要用于高壓系統(tǒng)升壓，將動力電池管理系統(tǒng)的電壓等級進行再升高，以匹配更高等級的電機驅(qū)動系統(tǒng)。例如，混合動力汽車使用144V系統(tǒng)的動力電池，為了匹配400V的電機驅(qū)動系統(tǒng)，在動力連接上使用此類DC/DC變換器，將動力電池管理系統(tǒng)的電壓等級升高，以匹配對應(yīng)的電機驅(qū)動系統(tǒng)。（2）高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC變換器高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC變換器一般用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的發(fā)電機，為新能源汽車低壓12V及低壓電氣設(shè)備提供電源。這類DC/DC變換器在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍，已經(jīng)成為新能源汽車設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)必要的關(guān)鍵電氣部件之一。（3）低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器無論是傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車，由于車內(nèi)低壓電氣設(shè)備較多，在不同工況下的低壓功率需求差異很大，即使有12V電池穩(wěn)壓，仍不能保證12V低壓電源是穩(wěn)定可靠的。例如，在起動發(fā)動機的時候，電池電壓瞬間可以跌落到6V，此時使用低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器來進行有效的穩(wěn)壓是有必要的。又如一些高級配置常規(guī)車，配備低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器，為車載計算機穩(wěn)壓。3.DC/DC變換器類型4.整車控制器與DC/DCDC/DC接收整車控制器發(fā)出的使能信號，在充電或起動車輛時將高壓直流電變壓后給低壓電池充電，同時整車控制器對DC/DC進行監(jiān)控，當(dāng)DC/DC有故障時及時通過儀表進行報警，其連接關(guān)系如右圖所示。二、DC/DC故障的診斷流程1.車鑰匙解讀1）車鑰匙檔位的含義，見下表。2）車鑰匙檔位，如左圖所示。2.故障分析方法以動力電池端DC/DC為例，故障排查分析方法見右表。以動力電池端DC/DC內(nèi)部硬件故障排查為例，內(nèi)部硬件故障檢測方法見右表。3.測量數(shù)據(jù)分析參考范圍測量數(shù)據(jù)的參考范圍見下表。報警燈如下圖所示。任務(wù)四檢修電流采樣故障動力電池的電壓和電流會隨著車輛的運行狀態(tài)、運行環(huán)境及駕駛?cè)瞬倏貭顟B(tài)等不同而發(fā)生變化，當(dāng)電流超過預(yù)先設(shè)定的允許范圍、動力電池電壓低于設(shè)定值仍在大電流放電時，會導(dǎo)致過溫問題，輕則影響電池使用壽命、損壞功率部件，重則影響高壓系統(tǒng)的安全。為了保障動力電池在電流不正常時整車高壓系統(tǒng)的電氣安全、動力電池安全、駕乘人員安全，需要設(shè)計電壓檢測和電流檢測回路對高壓電路系統(tǒng)的工作電壓和電流進行實時準確的檢測。當(dāng)檢測到異常時，動力電池高壓管理系統(tǒng)需要及時限制電池放電功率或切斷高壓回路，并向駕駛?cè)税l(fā)出聲光警報。一、電流采樣的作用1.動力電池的電流檢測動力電池中的每個單體電池都有可能產(chǎn)生電流過大的現(xiàn)象，這會影響動力電池的安全性。因此，通過電流檢測可以及時發(fā)現(xiàn)過電流問題并采取措施予以解決，確保駕乘人員和車輛的安全。2.電流采樣的目的通過電流傳感器對母線電流進行采樣，幫助BMU實時監(jiān)控動力電池管理系統(tǒng)的電流輸入和輸出。右圖所示為霍爾式傳感器采樣。右圖所示為分流器電流采樣電路。分流器檢測到被測電流與主回路電壓的信息，并將檢測內(nèi)容轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送給BMU的檢測通信裝置。新能源汽車通常會采用電流傳感器進行電流檢測。電流傳感器一般采用霍爾元件或磁電阻元件等技術(shù)，并通過信號處理電路將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最終輸送至動力電池管理系統(tǒng)進行處理。電流采樣通常采用非接觸式電流傳感器或接觸式電流傳感器，電流傳感器通常串聯(lián)在整車動力電池的總正/總負極，如右圖所示。二、電流采樣的結(jié)構(gòu)及工作原理動力電池管理系統(tǒng)充放電總電流是重要的控制參數(shù)，動力電池電流的檢測需將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號進行測量。1.電流采樣傳感器的結(jié)構(gòu)常見的電流采樣傳感器結(jié)構(gòu)有非接觸式電流傳感器和接觸式電流傳感器兩大類。非接觸式電流傳感器：母線銅巴過電流，從電流傳感器中心穿過，電生磁，該磁場在電流傳感器中感應(yīng)出電壓。該感應(yīng)電壓經(jīng)過補償?shù)忍幚砗螅褐苯虞敵鼋oBMU，BMU再計算電流，或者將電壓先轉(zhuǎn)化為報文，再通過CAN輸出給BMU。在安裝時要注意避免裝反。接觸式電流傳感器：寧德時代研發(fā)的接觸式電流傳感器，其連接器（Shunt）像銅巴一樣，與母線串聯(lián)。當(dāng)電流流過Shunt時，將在Shunt兩端產(chǎn)生電壓降，CSU采樣該電壓降，再根據(jù)歐姆定律（I=U/R）計算出母線電流初值。Shunt上有一個NTC，CSU采樣NTC反饋的溫度，用來補償電流初值，以減小誤差，如下圖所示。2.電流采樣傳感器工作原理下面主要介紹分流器和霍爾電流傳感器工作原理。（1）分流器工作原理分流器實際上是一個阻值非常小的電阻。該電阻要求精度高，且具有低溫度系數(shù)特性，精度不易受溫度影響。分流器電流檢測方法如下頁圖所示，在動力電池工作回路中串聯(lián)一個分流器，當(dāng)電流流過分流器時，會在分流器兩端形成電壓差UR，電流越大電壓差越大，通過采集分流器兩端電壓差即可計算出電流大小。分流器的主要指標是它的額定電流和標準化電壓。額定電流是分流器允許通過的最大電流，標準化電壓是分流器在通過額定電流時，在其內(nèi)部產(chǎn)生的電壓降。制造分流器是根據(jù)額定電流和標準化電壓調(diào)整分流器的電阻，使它在流過額定電流時產(chǎn)生相應(yīng)的標準化電壓。例如，標準化電壓75mV，額定電流100A的分流器，制造時將它的電阻精確調(diào)整到75mA/100A=0.75m，50A分流器，制造時將它的電阻精確調(diào)整75mV/50A=l.5m。顯然75mV的電壓較小，采集電壓時通常先通過放大電路放大，再輸入A/D轉(zhuǎn)換器。隨著電驅(qū)動系統(tǒng)的功率提升，還有大功率充電的需求增加，新能源汽車的系統(tǒng)設(shè)計中對電流的測量越來越多的使用電流Shunt模塊，特別是在母線的電流測量方面。電流和電壓的采集器是整合到一起的，電流電壓傳感器如左圖所示，其框架圖如右圖所示。（2）霍爾電流傳感器工作原理霍爾電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)來檢測電流的一種電子元件，可以測試各種類型的電流，從直流電流到幾十kHz的交流電流。左圖所示為某品牌新能源汽車電流檢測的霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅魍ㄟ^電磁場感應(yīng)得到的電壓信號通常較小，只有幾mV，因此在輸入A/D轉(zhuǎn)換器之前，同樣需要放大電路來對信號電壓進行放大，目前大部分的霍爾電流傳感器已將放大電路集成到傳感器內(nèi)部，傳感器輸出電壓信號可直接被利用。霍爾電流傳感器包括開環(huán)和閉環(huán)兩種，如右圖所示為開環(huán)霍爾電流傳感器，包括磁心、霍爾元件和放大電路。當(dāng)一次電流IP流過一根長導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，該磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中的霍爾元件進行測量并放大輸出，其輸出電壓VS可精確反映一次電流的大小。一般霍爾電流傳感器的額定輸出電壓為4V。高精度的霍爾電流傳感器大多是閉環(huán)，閉環(huán)霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理而設(shè)計，如圖所示。磁心上繞有一二次補償線圈，當(dāng)主回路有電流IP通過時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被磁心聚集并感應(yīng)到霍爾元件上，所產(chǎn)生的霍爾信號輸出經(jīng)過放大，用于驅(qū)動功率管使二次補償線圈導(dǎo)通，從而獲得一個補償電流IS。補償電流IS通過二次補償線圈繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流IP產(chǎn)生的磁場方向正好相反，因此霍爾元件的輸出信號逐漸減小。當(dāng)IP與二次補償線圈所產(chǎn)生的磁場相等時，IS不再增加，霍爾元件磁平衡。通過檢測IS即可測量出一次電流IP。當(dāng)IP變化時，平衡受到破壞，霍爾元件有信號輸出，即重復(fù)上述過程重新達到平衡，從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不超過1μs。三、電流采樣故障的診斷流程1.診斷儀檢測使用診斷儀對電池箱進行檢測，對檢測出的某項目車型因電流采樣異?？赡軙a(chǎn)生的故障碼進行分析。2.故障分析方法根據(jù)檢測出的故障碼進行故障分析，見右表。任務(wù)五檢修均衡功能故障新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)由多個電芯單體串聯(lián)或并聯(lián)組成，以滿足所需電壓和功率要求。在實際使用中，由于電芯單體之間的差異，電芯的放電深度也會不同，容量大的總會欠充欠放，容量小的總會過充過放，電池模組的容量只能達到最弱的電池容量，如右圖所示。動力電池均衡是指在使用和充電過程中，保持電池箱內(nèi)各個單體電池的SOC相對一致，以延長電池使用壽命，提高充電效率和安全性。動力電池均衡維護的基本目的是“削峰填谷”，使各個電池電芯的電壓達到較好的一致性，提高車輛的續(xù)駛里程和電池模組的使用壽命。一、動力電池均衡動力電池箱由大量的電芯單體通過串聯(lián)形成，由于單體電池生產(chǎn)工藝、自放電、環(huán)境溫度、放電倍率不同，造成各個電芯單體容量不一致，進而影響電池箱整體性能，導(dǎo)致電池充不進電、續(xù)駛里程變短、電池壽命縮短、安全性降低等現(xiàn)象，所以需要對電池箱進行均衡。電芯單體容量不一致的主要外在表現(xiàn)，如右圖所示。動力電池均衡是通過軟硬件手段補償電芯自放電的差異性，使得在動力電池內(nèi)各個電芯的SOC差異控制在一定的范圍內(nèi)，從而提升動力電池最大可用容量的過程，實現(xiàn)延長動力電池使用壽命、增加動力電池續(xù)駛里程的目的，動力電池均衡形式可分為被動均衡和主動均衡兩種。例如，電池箱內(nèi)會有數(shù)百個甚至數(shù)千個電池，這些電池會采用“串并”的方式進行組合，在使用過程中不可避免地會出現(xiàn)各個電池電壓、容量、溫度的差異，這會造成單體電池不均衡的現(xiàn)象。假設(shè)某幾個電芯或模組出現(xiàn)容量嚴重下降，電壓隨之也會降低。充電的時候這些電芯就會先被充滿電，而電池控制單元在檢測到這些電池充滿電之后就會停止充電，此時其他電芯還沒有充滿電，但也不得不停止充電，電芯不均衡現(xiàn)象如下圖所示。這就導(dǎo)致電池箱總也充不滿電，續(xù)駛里程當(dāng)然也會受到影響。在用車過程中可能會出現(xiàn)“跳電”情況，如以40%SOC行駛時，SOC瞬間從40%降至20%。二、均衡方式動力電池均衡的能量轉(zhuǎn)移方式可分為被動均衡（能量耗散型）和主動均衡（非能量耗散型），如左圖所示。1.被動均衡被動均衡將串聯(lián)電池箱中能量較高的電芯單體通過連接電阻負載消耗部分能量，從而達到各電芯單體能量均衡的方法。該方法通過損失電池能量實現(xiàn)均衡，損失的電池能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚钡礁鲉误w電池電壓接近一致，如右圖所示。被動均衡的方式，目前已較少使用。2.主動均衡主動均衡是通過能量轉(zhuǎn)移的方式“削峰填谷”，運用儲能器件等將荷載較多能量電芯的部分能量轉(zhuǎn)移到能量較少的電芯單體上，是能量的轉(zhuǎn)移。均衡充電時，電容通過其控制開關(guān)與相鄰兩個電池交替連接，接收電壓高的電池充電，并向電壓低的電池放電，直到兩個電池的電壓趨于一致，如圖所示。由于被動均衡的局限性，主動均衡的技術(shù)得以提出并發(fā)展。主動均衡是把高能量電池中的能量轉(zhuǎn)移到低能量電池中，相當(dāng)于對木板“截長補短”。不像被動均衡只有“截”，在如何“補”的問題上，行業(yè)內(nèi)充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢和想象力。被動均衡與主動均衡對比見下表。三、均衡故障的診斷流程1.診斷儀檢測使用診斷儀對電池箱進行檢測，以某項目為例，對檢測出的均衡故障碼進行分析，見下表。2.故障分析根據(jù)檢測出的故障碼進行故障分析，見右表。新能源汽車工作電壓平臺一般在200～800V之間，與動力電池箱相關(guān)的電氣總成包括動力電池管理系統(tǒng)（BMS）、車載充電機（OBC）、整車控制器（VCU）、直流變換器（DC/DC）、電機控制器（MCU）、絕緣監(jiān)測儀（IMD）等。這些車載電氣總成的直流部分共同構(gòu)成新能源汽車的高壓直流母線，而在新能源汽車的運行過程中，高壓直流母線的電壓需要實時監(jiān)測，車上的多種控制器會根據(jù)檢測到的電壓進行運算處理和邏輯保護判斷。電池系統(tǒng)中，BMS會根據(jù)高壓直流母線電壓進行預(yù)充電動作及總壓過電壓保護判斷，根據(jù)高壓直流母線電壓進行正、負直流母線絕緣電阻計算，根據(jù)高壓直流母線電壓調(diào)整充電電流的輸出，VCU、DC/DC及MCU會根據(jù)高壓直流母線電壓進行輸入電壓越限告警判斷等，如左圖所示。任務(wù)六檢修高壓采樣故障一、高壓采樣的作用及工作原理1.高壓采樣的作用高壓采樣即采集高壓直流母線上繼電器高壓連接端子處的電壓，即采樣繼電器內(nèi)側(cè)電壓、外側(cè)電壓，對繼電器當(dāng)前狀態(tài)（閉合/斷開）進行檢測如圖所示。動力電池高壓采樣電路主要用于對動力電池管理系統(tǒng)中的電壓進行高精度的采集和監(jiān)測，以保障整個動力電池管理系統(tǒng)的正常運行。某乘用車高壓采樣電路如右圖所示。乘用車高壓采樣線束一端通過螺栓固定在高壓盒內(nèi)繼電器的母線連接端子上，另一端連到BMU上，如下圖所示。此外，HV-CSU或HV-CSU-PLUS也可以實現(xiàn)高壓采樣的功能。右表所列為某乘用車由BMU/HVB實現(xiàn)高壓采樣的方式。端子定義可查電氣原理圖，下面以某乘用車為例，端子電路如下圖所示。端子含義見下表。某商用車高壓采樣線束一端通過螺栓固定在高壓盒（接線盒）內(nèi)繼電器的母線連接端子上，另一端連到BMU/HVB（高壓采樣板）上，如圖所示。端子含義可查電氣原理圖，高壓采樣端子的含義見右表。（1）分壓法分壓法對總電壓進行電阻分壓，降低電壓后利用A/D采集電路直接采集，由于電阻直接連入電池箱的正負極，需要考慮電氣隔離，也由于電阻發(fā)熱產(chǎn)生精度以及漂移問題，所以這種方法的采樣精度較低，并且為保證安全必須實現(xiàn)隔離。采用高壓分壓原理，通過串聯(lián)電阻將高壓電路分壓到合適的范圍，再通過運算放大電路將分壓后的電壓信號進行放大，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，最終得到高精度的電壓采樣結(jié)果。2.高壓采樣的工作原理高壓采樣判斷繼電器狀態(tài)的工作原理是如果繼電器內(nèi)外側(cè)電壓差約為0V，一定程度上說明繼電器是閉合的。如果繼電器內(nèi)外側(cè)電壓差非常大，一定程度上說明繼電器是斷開的。繼電器內(nèi)外側(cè)電壓差=（U1-U00）–（U01-U00）=U1–U01。高壓采樣的工作原理常用的采集總電壓的方法主要分以下4種。（2）差分比例電路法差分比例電路法通過差分比例電路對總電壓進行線性縮小并采樣，采樣信號會由于電路元件的對稱性問題引發(fā)共模干擾，影響高壓采樣測量精度。（4）單體電芯電壓累加法BMS中必須采集每塊單體電池的電壓，利用單體累加方法簡單易行，但是由于每塊單體電壓采集都存在誤差，在電池電壓累加后，難免會累計更大的誤差。電芯單體電壓數(shù)據(jù)的干擾可以通過選擇更優(yōu)的采集電路實現(xiàn)降低，但累加誤差仍然是一個不能忽視的問題，并且由于電池電芯采樣時間的問題，獲得總電壓的實時性較差。（3）電壓傳感器法高壓采樣電路需要與電池系統(tǒng)相連，在工作過程中極易發(fā)生隔離故障。因此，采用電壓傳感器法在設(shè)計時使用隔離電路，通過隔離放大器使得采樣電路與動力電池管理系統(tǒng)完全隔離，確保電路的穩(wěn)定性和安全性。該方法采用霍爾電壓傳感器對總電壓進行隔離采集，使用時霍爾電壓傳感器通過采樣電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，由于采樣回路中漏電流的存在對采樣結(jié)果有影響，同時信號轉(zhuǎn)換的精度也對采樣結(jié)果有影響。二、高壓采樣故障的診斷流程1.診斷儀檢測使用診斷儀對電池箱進行故障檢測，提取故障碼，故障碼的含義見下表。2.故障分析根據(jù)故障碼的提示，對高壓采樣進行故障分析，見下表。根據(jù)故障碼的提示，對低壓驅(qū)動+繼電器進行故障分析。2024年6月24日，2023年度國家科學(xué)技術(shù)獎在北京揭曉，寧德時代牽頭并聯(lián)合深藍汽車等企業(yè)和大學(xué)科研機構(gòu)的科研項目《面向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的動力電池研發(fā)與制造關(guān)鍵技術(shù)》榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎?！鞍l(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路?！眲恿﹄姵厥切履茉雌嚨男呐K，已成為我國實施雙碳戰(zhàn)略和推動交通能源變革的重要引擎。長期以來，寧德時代在電池安全性、電池性能以及極限制造等方面持續(xù)創(chuàng)新。此次獲獎項目聚焦于高比能材料、高安全電池、大規(guī)模高品質(zhì)制造三大技術(shù)關(guān)鍵，進行了一系列突破創(chuàng)新。在高比能材料方面，電芯的比能量達到308W·h/kg，取得了國際性的領(lǐng)先；在高安全方面，發(fā)明了亞微米金屬復(fù)合高分子功能集流體、氣動自斷電保護頂蓋、高溫?zé)焿m與高電壓網(wǎng)絡(luò)分離新技術(shù)等，構(gòu)建了一整套行之有效的電池安全體系；同時，創(chuàng)新了PPB（十億分之一）級大規(guī)模制造工藝裝備技術(shù)，實現(xiàn)單線效率超過10GW·h/年，達到國際領(lǐng)先水平。?拓展學(xué)習(xí)一、高壓繼電器的作用及工作原理新能源汽車一般采用高壓電池箱作為動力驅(qū)動，為保證電氣系統(tǒng)正常通斷，在新能源汽車的動力電池管理系統(tǒng)和電機控制器之間需配置高壓直流繼電器。當(dāng)系統(tǒng)停止運行后起隔離作用，當(dāng)系統(tǒng)運行時起連接作用，當(dāng)車輛關(guān)閉或發(fā)生故障時，能安全地將儲能系統(tǒng)從車輛電氣系統(tǒng)中分離，起到分斷電路的作用。因此，高壓直流繼電器是新能源汽車關(guān)鍵安全器件，如果沒有它，車輛將不能啟動、行駛及停車，如左圖所示。任務(wù)七檢修繼電器類故障高壓繼電器簡單理解是用較小的電流去控制較大電流的一種自動開關(guān)。在電路中起自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用，如圖所示。高壓繼電器控制的主要目的是保證動力電池管理系統(tǒng)上下電的正常進行，在汽車啟動時閉合高壓繼電器上電，在汽車停車時斷開高壓繼電器下電。1.繼電器的工作原理繼電器一般由鐵心、銜鐵、線圈、觸點簧片等組成。只要在線圈