普銳斯車動力電池單元電壓偏差故障

常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司 高惠民

故障現象一輛行駛里程約為16萬km的2012年產豐田普銳斯混合動力汽車（車型為ZVW30L），搭載1.8 L阿特金森循環發動機和1臺42 kW發電機（MG1）及60 kW驅動電動機（MG2）?？蛻舴从吃撥囋谛旭傔^程中，儀表盤上的主警告燈、發動機警告燈、充電指示燈突然點亮，多信息顯示屏上提示“檢查混合動力系統，請將車輛停在安全地點”。

故障診斷用故障檢測儀檢測，讀得故障代碼P0A80-123，含義為“更換混合型電池組”。查看故障代碼的定格數據（圖1、圖2、圖3和圖4），定格數據反映了故障代碼儲存時的車輛工況和混合動力系統運行的異常參數。車輛工況處在MG2純電動驅動模式，發動機運轉驅動MG1發電供能?；旌蟿恿π铍姵兀℉V蓄電池）的剩余電量（SOC）在電源開關接通后處于控制的下限范圍，為46%，而最大充電量為46%，最小充電量下降到24.5%。2號HV蓄電池溫度傳感器檢測到HV蓄電池組中間部位的最高工作溫度為41.8 ℃，而1號和3號HV蓄電池溫度傳感器檢測到HV蓄電池組的兩端工作溫度分別為37.1 ℃和34.9 ℃，HV蓄電池組兩端與中間部位的最大溫差達到6.9 ℃，正常情況下應不超過5 ℃。HV蓄電池組冷卻進氣口環境溫度為21.5 ℃，HV蓄電池組工作溫度與進氣口環境溫度差超過了9 ℃的控制范圍。HV蓄電池第9單元電壓最小值為12.64 V，其他HV蓄電池單元電壓為14 V左右，說明HV蓄電池各單元電壓不一致，與HV蓄電池單元正常電壓（15 V～16 V）有偏差。HV蓄電池組冷卻風扇處于1擋低速運轉模式。

圖1 故障代碼P0A80-123的定格數據1（截屏）

圖2 故障代碼P0A80-123的定格數據2（截屏）

按照維修手冊要求，保存上述故障代碼定格數據后，清除故障代碼，進行大約10 min的試車，重新確認故障。試車中雖然故障燈沒有點亮，但是從記錄車輛混合動力系統運行的HV蓄電池系統數據流看，HV蓄電池SOC還是處于44%，因此在車輛停下來后發動機仍然一直運轉，驅動MG1為HV蓄電池充電。而3個HV蓄電池溫度傳感器檢測到的HV蓄電池組工作溫度差及HV蓄電池組工作溫度與冷卻進氣口環境溫度差仍然超出正常范圍。HV蓄電池第9單元電壓為13.06 V，與其他單元電壓偏差仍然很大。

既然車輛HV蓄電池系統運行數據流還是異常，且與故障代碼P0A80-123產生條件相符合。P0A80—123故障代碼生成條件是，HV蓄電池智能單元（BMS）檢測到HV蓄電池組各單元之間電壓差大于0.3 V。需要說明的是，根據維修手冊規定，當BMS內部出現故障時，所有蓄電池的偶/奇單元電壓差也會大于0.3 V。因此接下來按照產生故障代碼P0A80-123的原因進行分析檢查。

如圖5所示，普銳斯車采用的HV蓄電池為鎳氫電池，由28個模塊串聯組成，每個模塊由6個單格電池串聯而成（1個單格電池的標稱電壓是1.2 V），共計168個單格電池，標稱電壓為201.6 V，標稱容量為6.5 Ah。BMS在14個位置上監視蓄電池單元（1個蓄電池單元由2個模塊組成）的電壓。HV蓄電池組無需外部充電，車輛電源開關接通后，BMS將HV蓄電池組工作的狀況信息發送至混合動力ECU，混合動力ECU通過HV蓄電池的累計容量來計算蓄電池的SOC，然后將其控制在目標值。HV蓄電池組的冷卻系統（圖6）采用并行風道的的冷卻結構，進風口安裝有空氣過濾網，依靠冷卻風扇強制冷卻，保持HV蓄電池組在正常溫度下工作。

圖3 故障代碼P0A80-123的定格數據3（截屏）

圖4 故障代碼P0A80-123的定格數據4（截屏）

從上述故障數據分析，HV蓄電池組第2個溫度傳感器檢測到的溫度過高和第9單元電壓偏低，都發生在HV蓄電池組的中間局部位置，其可能的故障原因有：HV蓄電池串聯連接線松動，接觸電阻增大；電壓偏低單元的電池內阻增大，產生熱量大；HV蓄電池冷卻風道受阻；冷卻鼓風機故障；外圍局部環境影響。

首先檢查HV蓄電池組冷卻鼓風機的運轉狀態。HV蓄電池冷卻系統的控制電路如圖7所示，HV蓄電池冷卻鼓風機受控于動力管理控制ECU，并通過BMS接收冷卻鼓風機上的電壓反饋，實現冷卻鼓風機轉速1擋～6擋的調節（低、中、高速度）；蓄電池組溫度在35 ℃時，冷卻鼓風機低速運轉，到33 ℃時冷卻鼓風機關閉；蓄電池組溫度上升到41.5 ℃時冷卻鼓風機中速運轉，蓄電池組溫度超過50 ℃時，冷卻鼓風機高速運轉。正常情況下蓄電池組在25 ℃時的工況循環溫度控制良好。用故障檢測儀（GTS）的主動測試功能測試蓄電池冷卻鼓風機的運轉狀況，冷卻鼓風機能正常運轉。

接著檢查HV蓄電池溫度傳感器。HV蓄電池組采用3個溫度傳感器（分別置于蓄電池組的兩端和中部）和1個冷卻進風口環境溫度傳感器（置于蓄電池組冷卻風道進風口）。溫度傳感器均采用負溫度系數熱敏電阻。BMS將溫度傳感器檢測到的HV蓄電池溫度和冷卻進風口環境溫度發送給動力管理控制ECU作對比，控制HV蓄電池冷卻鼓風機風扇的起動和風速。檢查蓄電池溫度傳感器屬于高壓電路檢查，要遵守“檢查前佩戴好絕緣手套，拆下維修塞把手并放在維修技師自己口袋中，斷開維修塞把手后，等待10 min，使高壓器件中的高壓電容放電完成，才進行高壓電路檢查操作”的安全作業規定。根據HV蓄電池系統控制電路，找到BMS上蓄電池溫度傳感器連接器并進行溫度傳感器的電阻檢測，檢測結果，4個溫度傳感器的電阻均為10.87 kΩ～11.14 kΩ（HV蓄電池系統沒有工作，冷卻進風口環境溫度為22 ℃時），電阻正常。

然后檢查HV蓄電池單元電壓。找到HV蓄電池組第9單元，檢查HV蓄電池模塊連接線無松動和腐蝕。測量其斷路電壓，為13.97 V（圖8），低于其他單元的電壓。

最后檢查HV蓄電池的冷卻通風狀況。拆下HV蓄電池冷卻進風管道，檢查進風口空氣過濾網，發現濾網被灰塵堵塞，判斷其可能就是造成HV蓄電池溫度偏高的主要原因。

故障排除（1）本車輛故障只是第9個蓄電池單元電壓小于其他蓄電池單元電壓，按要求應該更換HV蓄電池組總成，但是更換HV蓄電組總成價格很高，而如果采用對第9個蓄電池單元進行單獨充電，能提高蓄電池第9單元的電壓，恢復其容量，這樣可以節約維修成本。如圖9所示，把HV蓄電池組從車輛上拆下，用恒流快速充電模式（充電電壓選用24 V擋位）對第9個蓄電池單元充電。鎳氫蓄電池1個單格的充電終止電壓根據充電倍率的不同可高達1.3 V～1.5 V，所以普銳斯車HV蓄電池1個單元的充電終止電壓可高達15.6 V～18 V。通過電阻器調節充電電流為0.5C（3 A），并用溫度表監控蓄電池充電溫升，把蓄電池充電溫度控制在30 ℃左右。經過3 h的充電，第9單元蓄電池電壓上升到16.96 V不再升高，并開始略有回落時停止充電。放置1 h，測量蓄電池電壓回落至16.05 V。對其他HV蓄電池單元也采用相同方法進行充電均衡。

圖5 HV蓄電池組

圖6 HV蓄電池冷卻系統的結構

（2）拆下HV蓄電池冷卻風管，用壓縮空氣吹凈進風口空氣過濾網，然后遵照HV蓄電池系統安裝要求裝復蓄電池組和控制系統。

（3）接通電源開關，READY燈點亮，62 s后發動機自動起動，驅動MG1運行發電，向HV蓄電池充電，當蓄電池組的SOC接近60%目標值時發動機熄火，發動機運轉時間為94 s。再經過10 min路試，HV蓄電池組溫度和各單元電壓都在正常值范圍內。車輛交付客戶使用后，故障未再出現，確認故障排除。

故障總結鎳氫蓄電池的熱管理主要是針對高溫充電效率問題。蓄電池在常溫狀態下充電，高溫放電，對其容量和特性基本無影響。隨著溫度升高，蓄電池的充電接受能力逐漸下降，這是因為鎳氫蓄電池充電過程中有析氧的副反應作用。所以鎳氫蓄電池在混合動力汽車上使用，都進行了強制通風冷卻設計。但是要使各蓄電池模塊能得到可靠的冷卻，因此必須要保證冷卻風道的暢通無阻，否則HV蓄電池工作得不到散熱，結果導致熱失控，使蓄電池的充電效率和SOC容量迅速下降，影響蓄電池的循環壽命，甚至出現運行安全問題。

鎳氫蓄電池各個模塊（或單格）電壓的均衡問題直接影響蓄電池的SOC。由于蓄電池的制造和使用問題導致了蓄電池單格電壓的偏差，而幾百個單格電池串聯成動力蓄電池組總成，對每一個單格電池電壓保持一致性尤為重要，它是動力蓄電池組正常工作的必要保證。所以大多數的電動汽車或混合動力汽車在動力蓄電池控制中有電壓均衡電路一項設計。普銳斯車HV蓄電池組SOC要求控制在60%的目標值，放電下限控制在40%，充電上限也不超過80%，所以沒有配備蓄電池電壓的均衡控制。但是一旦由于蓄電池的個別模塊（或單格）電壓出現偏差（溫度影響，連接導線電阻影響，蓄電池內阻影響和記憶效應影響等），不能在車輛上得到電壓均衡調節，可采用拆下蓄電池，對蓄電池電壓偏低的模塊進行單獨充電，使各模塊（或單格）電壓趨向一致，是人工均衡的好方法，它能延長蓄電池的循環使用壽命，節約維修成本。

圖7 HV蓄電池冷卻系統控制電路

圖8 HV蓄電池單元的電壓檢測

圖9 對HV蓄電池單元充電