动力蓄电池结构及常见故障解析——以奥迪e-tron为例

奥迪e-tron动力蓄电池系统的整体布置如图1所示。锂离子电池的结构如图2所示。电池包包含了36个电芯模组，每个模组有12个电芯，共计432个电芯。NEDC工况下，电池包可提供470km续航里程，根据欧洲的WLTP工况测试标准，e-tron充满电可以行驶400km。

图1　奥迪e-tron动力蓄电池系统的整体布置

图2　锂离子电池的结构

e-tron基于奥迪MLB纵置模块化平台开发，电池组设计要求包括规格、耐用性及安全性。e-tron采用的软包电芯的电池组规格为95kW·h，可用容量83.6kW·h。整个电池包由36个模组组成（图3），其中5个模组位于后排座椅下方。每个模组又由12片袋式软包锂电池组成，整个电池包一共容纳了432个电芯。奥迪e-tron电池组模组连接如图4所示，e-tron的电池组和电气系统工作电压为396V。动力蓄电池参数见表1。

图3　奥迪e-tron 电池组模组分布

图4　奥迪e-tron 电池组模组连接

表1　点火开关在ST位置，起动机起动过程

注：工作温度低于-30℃将无法驱动行驶，高于60℃高电压系统处于断电状态，在-8～56℃时，动力蓄电池可以把全部蓄电池功率用于交流驱动装置。

图5所示为单个e-tron模组的内部设计细节，电芯的排列非常紧凑，整个电池包重量达到了715kg，能量密度约为133W·h/kg。虽然软包电芯结构和理论成组效率很高，但奥迪并没有一味追求高能量密度。

图5　单个e-tron 模组的内部设计细节

为了保护电池的寿命，e-tron有12%的电量无法发挥功效，所以车辆实际只能使用83.6kW·h电量。完全的充放电对电池整体状况并没有好处。

液冷系统有40m长的液冷管路，注入了22L液冷剂，在直流充电期间冷却锂离子电池如图6所示。下保护壳用于阻隔碎石和尖锐物体对电池组的冲击。电池和所有关键参数（如充电状态、电源输出和热管理）由外部电池管理控制器（BMC）管理。BMC位于e-tron右侧A柱的前舱内。

图6　在直流充电期间冷却锂离子电池

蓄电池模块控制单元J1208-J1219（图7），其数量为12个，1个蓄电池模块控制单元管理3个蓄电池模组。蓄电池模块控制单元通过子CAN总线与蓄电池调节控制单元J840和动力蓄电池开关盒SX6进行通讯。蓄电池模块控制单元的功能有：每个控制单元测量3个蓄电池模组的电压；测量蓄电池格的温度；平衡电池格组。

1～12—蓄电池模块控制单元J1208-J1219

1. 动力蓄电池开关盒

动力蓄电池开关盒SX6的结构如图8所示，其内部结构电路如图9所示，如果接通端子15，动力蓄电池接触器2 J1058 HV负极和动力蓄电池预加载接触器J1044 HV正极就接合。随后一个微小电流就经保护电阻N662流向DC/DC变换器和交流驱动装置的功率电子装置。一旦这些部件内的中间电路电容器开始充电，那么动力蓄电池接触器1 J1057 HV正极接合，而动力蓄电池预加载接触器J1044 HV正极脱开。动力蓄电池开关盒SX6通过一个子CAN总线来与蓄电池调节控制单元J840和蓄电池模块控制单元进行通讯联系。只有当在直流充电桩上给动力蓄电池充电时，直流充电接触器才会接合。

图9　动力蓄电池开关盒的内部结构电路

2. 动力蓄电池切断点火器N563

动力蓄电池开关盒SX6通过单独的导线与安全气囊控制单元J234相连。动力蓄电池切断点火器N563是一个软件，它用于对碰撞信号进行电子分析，以保证接触器脱开。该点火器并非一个实体部件，在碰撞后不必更换。

3. 动力蓄电池调节控制单元

动力蓄电池调节控制单元的安装位置如图10所示，该控制单元通过子CAN总线与动力蓄电池SX6和蓄电池模块J1208进行通信，是连在混合动力CAN总线上的。

在高电压系统处于激活状态时，动力蓄电池开关盒SX6每隔30s就会进行一次绝缘检查（图11）。

4. J840 估算电池格电压及平衡

如图12所示，在J840估算电池格电压及平衡时，如3号单元100%充电，充电循环就结束了，尽管动力蓄电池整体充电量只达到了92.5%。对3号单元进行放电，使得充电循环可以继续，动力蓄电池的充电水平就可以上升到100%。电池格的平衡工况：充电时，电压差超过1%执行平衡，点火开关关闭，蓄电池充电状态高于30%执行平衡。

图12　J840 估算电池格电压及平衡

1. 动力蓄电池常见的故障

动力蓄电池常见的故障及常规解决方法见表2。

2. 动力蓄电池常见故障的原因

动力蓄电池故障产生的原因可分为以下7点。

（1）短路　分为外部短路和内部短路。

1）外部短路。外部短路是指电池正、负极间的短路，主要原因是外部结构上的故障或损坏造成的短路，一般由机械或物理原因所导致。外部短路使电池内部反应相当剧烈，极易造成电池芯体的着火和爆炸等。

2）内部短路。锂离子动力蓄电池除电池正、负极间的物理短路外，还会因电池内部的聚合物隔膜破裂导致内部短路。尤其是过载或循环寿命接近终点的电池极容易出现内部短路。锂离子动力蓄电池内部的聚合物隔膜厚度一般在16～30μm，如此薄的隔膜，一旦受到机械外力或热变形造成的压力等破坏作用时，将会直接导致内部短路。另外，过高的温度也同样会导致隔膜破损造成内部短路。还有隔膜材料的瑕疵或在生产过程中造成微小的损伤，都会使锂离子动力蓄电池工作时局部温度升高，进而形成内部短路。

（2）过负载　分为过电流、过电压、过充电和过放电四种情况。

1）过电流。电动车辆在起步、加速或爬坡过程中动力蓄电池的工作电流是正常行驶工作电流的几十倍甚至上百倍。动力蓄电池充放电的电流一般用充（放）电率C来表示。例如，充电电池的额定容量为100A·h时，即表示以100A（1C）放电时间可持续1h，如以200A（2C）放电时间可持续0.5h，充电也可按此方法对照计算。

2）过电压。在长时间的刹车制动能量回收充电过程中，或充电设备不匹配的条件下充电，可能使动力蓄电池处于过电压的工作条件下。过电压极易使锂离子电池芯温升高，引起内部短路而损坏。

3）过充电。电池充电属于吸热反应，充电初期极化反应小，吸热处于主导地位，温升出现负值；充电后期，阻抗增大，释放多余热量，吸热温升增加。长时间过充时，锂离子电池芯体内部压力升高，放出气体，直至壳体变形、爆裂。通常情况下，动力锂离子电池在恒流充电阶段末期都会发生不同程度的过充，这样会导致电池容量损失，缩短使用寿命。应特别注意，过充电使电池芯体温度升高和气体膨胀的惯性导致的滞后着火及爆炸等危险。

4）过放电。在恒流放电时，电压会出现陡然跌落的现象，这主要是由电阻造成的压降所引起的，电压继续下降，经过一定时间后达到新的电化学平衡。当进入放电平台期后继续放电，电压变化不明显，但电池温升明显；当电池放电电压曲线进入马尾放电阶段时，极化阻抗增大、输出效率降低，损耗发热增加，应在接近终止电压前停止放电。若接近终止电压后继续大电流放电，除会造成电源系统电压迅速降低外，部分动力蓄电池芯会被反向充电，使内部的活性物质结构遭到破坏，导致电池芯报废，同样会产生温度升高、气体膨胀等，反应严重时会发生着火、爆炸的危险情况。

（3）温升　电池温升的定义是电池内部温度与环境温度的差值。电动车辆的动力锂离子电池隔膜都具有自动关断保护的物理特性，提高动力蓄电池使用的安全性。隔膜的自动关断保护功能是锂离子电池限制温度升高，防止事故的第一道屏障。无论什么原因，只要是电池芯内部温度升高到一定值，隔膜的物理特性就会使微孔关闭阻塞电流通过，该温度称为闭孔温度。但热惯性还会使电池内部的温度继续上升，当达到一定温度时就会导致隔膜熔融破裂，该温度称为融破温度。动力蓄电池芯一旦达到融破温度即意味着内部短路。

（4）内部故障　有明显内部故障的电池芯在生产时会被剔除掉。但进入成品阶段的电池芯，即使内部含有故障也是隐形的，不容易被发现，属于工艺瑕疵范畴，如隔膜不均匀、充容材料有金属残留物等。隐形的内部故障对实车装用是个技术隐患。

（5）循环寿命的影响　电池芯的循环使用寿命是构成动力蓄电池耐久性循环使用寿命的重要因素。早期性能下降较大的电池芯，后续使用就意味着过负载，成为将来的故障隐患。

（6）机械损伤　正常装车使用的动力蓄电池芯，因安装在高强度的防撞击容器箱内，受到机械直接碰撞损坏的可能性并不大。但在车辆发生严重事故时和在电池芯运输安装的过程中，均有可能由于振动和碰撞使电池芯内部结构受到机械损伤，严重时会缩短电池芯寿命，甚至造成着火或爆炸。

（7）温度、湿度影响　电动汽车的动力蓄电池使用性能和寿命会严重受到环境温度和湿度的影响。许多公司的电动汽车动力蓄电池箱体内部采用加热和制冷装置，使动力蓄电池芯始终处于适宜的工作温度，以提高其性能和延长其使用寿命。

以上内容摘自《汽车电工入门（彩色图解+视频）》。

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文章制作：李崇康

责任编辑：谢　元

审核人：张   萍

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