新能源汽車動力電池壓差故障診斷與維修技術(shù)分析

摘 要：本文系統(tǒng)地探討了新能源汽車動力電池壓差故障的定義、影響、成因及其維修技術(shù)。首先，詳細闡述了動力電池壓差故障的定義和影響，指出其對新能源汽車的性能、安全性和壽命都具有顯著影響。接著，分析了導(dǎo)致動力電池壓差故障的主要原因，包括電池組不平衡、溫度差異、充放電不均等。在此基礎(chǔ)上，本文提出了針對這些因素的維修技術(shù)，包括電池均衡技術(shù)、溫度控制策略和充放電管理方法。最后，展望了動力電池壓差故障維修技術(shù)的發(fā)展趨勢，強調(diào)了其對于提高新能源汽車的性能、安全性和用戶體驗的重要性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池 故障診斷 維修技術(shù)

新能源汽車在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，動力電池作為其核心部件，其性能和安全性備受關(guān)注。鋰離子電池雖為主流，但長期使用易出現(xiàn)壓差故障，影響性能和安全。本文系統(tǒng)分析動力電池壓差故障的成因及影響，探討維修技術(shù)，旨在提升新能源汽車可靠性和安全性，為行業(yè)技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展提供理論及實踐指導(dǎo)。

1 動力電池壓差故障概述

1.1 動力電池壓差故障的定義

動力電池壓差故障是新能源汽車行業(yè)中一個常見且重要的技術(shù)問題。它指的是在動力電池組中，各個單體電池或電池模塊之間的電壓出現(xiàn)顯著差異的現(xiàn)象。電池組中最高單體電壓與最低單體電壓之間的差值超過了預(yù)設(shè)的閾值，這個閾值的具體數(shù)值會因電池類型、容量和應(yīng)用場景的不同而有所差異。例如，對于某些鋰離子電池系統(tǒng)，當(dāng)單體電壓差異超過100mV時，就可能被認為出現(xiàn)了壓差故障。

1.2 動力電池壓差故障的影響

動力電池壓差故障對新能源汽車的性能、安全性和壽命都有顯著影響，是亟須解決的技術(shù)問題。首先，從性能角度來看，壓差故障會直接影響電池組的輸出功率和能量效率。當(dāng)電池組中存在壓差時，整體性能會被限制在最弱電池的水平，導(dǎo)致電動汽車的續(xù)航里程減少、加速性能下降。

壓差故障還會影響電池的充電效率。在充電過程中，由于單體電池之間的電壓不一致，可能導(dǎo)致某些電池過早達到充電截止電壓，而其他電池尚未充滿。這不僅降低了充電效率，還可能造成電池組容量的實際利用率下降。

從安全性角度考慮，壓差故障可能引發(fā)更嚴重的安全隱患。當(dāng)某些單體電池的電壓過高時，可能導(dǎo)致過充現(xiàn)象，增加熱失控和起火的風(fēng)險。相反，電壓過低的電池可能發(fā)生過放，造成不可逆的損害。此外，壓差過大還可能引起電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)變化，進一步加劇安全風(fēng)險。

壓差故障會顯著縮短動力電池的使用壽命。不均衡的充放電會加速某些單體電池的老化速度，導(dǎo)致電池組整體容量的快速衰減。

壓差故障還會對電池管理系統(tǒng)（BMS）的正常運行造成影響。BMS可能無法準確估算電池的剩余容量和健康狀態(tài)，從而影響電動汽車的能量管理策略和續(xù)航里程預(yù)測的準確性。[2]

動力電池壓差故障的影響是全方位的，涉及性能、安全、壽命和用戶體驗等多個方面。因此，深入研究壓差故障的成因和解決方案，對于提升新能源汽車的整體性能和可靠性具有重要意義。

2 動力電池壓差故障的原因分析

2.1 電池組不平衡

電池組不平衡是導(dǎo)致動力電池壓差故障的主要原因之一。在理想狀態(tài)下，動力電池組中的每個單體電池應(yīng)具有相同的容量、內(nèi)阻和充放電特性。然而，由于制造工藝、材料質(zhì)量和使用條件等因素的差異，實際應(yīng)用中很難保證所有單體電池的完全一致性。

電池組不平衡主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

容量不一致。由于制造過程中的誤差，不同單體電池的實際容量可能存在差異。這種差異會導(dǎo)致在相同的充放電條件下，某些電池比其他電池更快達到充滿或放空狀態(tài)。[1]

內(nèi)阻差異。內(nèi)阻是影響電池性能的關(guān)鍵參數(shù)。內(nèi)阻較大的電池在充放電過程中會產(chǎn)生更多的熱量，并且其電壓變化更劇烈，容易導(dǎo)致壓差的產(chǎn)生。

自放電率不同。不同單體電池的自放電率可能存在差異，這會導(dǎo)致長期存儲或閑置時電池組出現(xiàn)不平衡。

老化速度不一致。隨著使用時間的增加，不同單體電池的老化速度可能不同，進一步加劇了電池組的不平衡狀態(tài)。

電池組不平衡不僅直接導(dǎo)致壓差故障的產(chǎn)生，還會引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)。例如，容量較小或內(nèi)阻較大的電池在充放電過程中更容易達到極限狀態(tài)，可能發(fā)生過充或過放。這不僅會加速該電池的老化，還可能影響整個電池組的性能和安全性。

2.2 溫度差異

溫度差異是導(dǎo)致動力電池壓差故障的另一個重要因素。在新能源汽車運行過程中，動力電池組內(nèi)部和外部的溫度分布往往是不均勻的，這種溫度差異會直接影響電池的電化學(xué)性能，進而導(dǎo)致壓差故障的產(chǎn)生。

溫度對電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率有顯著影響。通常，溫度越高，電化學(xué)反應(yīng)速率越快，電池的內(nèi)阻就越小。這意味著，在同一電池組中，溫度較高的電池單體可能比溫度較低的電池單體具有更低的內(nèi)阻，從而在充放電過程中表現(xiàn)出不同的電壓特性。[3]

溫度差異會影響電池的充放電效率。在充電過程中，溫度較高的電池單體可能會更快地達到充電截止電壓，而溫度較低的電池單體可能還未充滿。同樣，在放電過程中，溫度較低的電池單體可能會更快地達到放電截止電壓。這種不一致性會導(dǎo)致電池組中出現(xiàn)明顯的電壓差異。

長期的溫度差異還會加速某些電池單體的老化速度。一般來說，高溫環(huán)境會加速電池的副反應(yīng)，如電解液分解、SEI膜生長等，從而加速電池容量的衰減。這意味著，電池組中長期處于較高溫度的單體可能會比其他單體更快地出現(xiàn)性能退化，進一步加劇壓差問題。

溫度差異的產(chǎn)生有多種原因，包括但不限于：電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致散熱不均勻；外部環(huán)境溫度的變化，如陽光直射或極端天氣；充放電過程中的焦耳熱分布不均；電池管理系統(tǒng)的溫度控制策略不當(dāng)。

2.3 充放電不均

充放電不均是導(dǎo)致動力電池壓差故障的又一重要原因。在理想情況下，電池組中的每個單體電池應(yīng)該同時進行相同程度的充放電。然而，由于各種因素的影響，實際使用中很難實現(xiàn)完全均衡的充放電過程，這就導(dǎo)致了壓差故障的產(chǎn)生。

充放電不均主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

電流分布不均。由于電池組內(nèi)部連接電阻的差異，可能導(dǎo)致某些電池承受更大的電流，而其他電池則承受較小的電流。這種電流分布的不均勻性會直接影響各個電池的充放電狀態(tài)。

充電深度不一致。在充電過程中，由于各單體電池的初始狀態(tài)、內(nèi)阻和容量等參數(shù)的差異，可能導(dǎo)致某些電池更快地達到充滿狀態(tài)，而其他電池仍處于未充滿狀態(tài)。

放電深度不一致。類似地，在放電過程中，某些電池可能比其他電池更快地達到放電截止電壓，導(dǎo)致整個電池組的放電過程提前終止。

均衡充電不足。雖然現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)通常包含均衡充電功能，但如果均衡策略不當(dāng)或均衡時間不足，仍可能無法完全消除充電過程中的不均衡性。

充放電不均會導(dǎo)致電池組中各單體電池的SOC（荷電狀態(tài)）和SOH（健康狀態(tài)）逐漸產(chǎn)生差異。長期來看，這種差異會不斷累積，最終導(dǎo)致明顯的壓差故障。

2.4 其他因素

除了前面提到的電池組不平衡、溫度差異和充放電不均外，還有一些其他因素可能導(dǎo)致動力電池壓差故障的產(chǎn)生。

制造工藝和材料質(zhì)量。例如，電極材料的成分和結(jié)構(gòu)的微小變化、隔膜的厚度和孔隙率的差異、電解液的浸潤程度等，都可能影響電池的初始性能，為后續(xù)壓差故障的產(chǎn)生埋下隱患。

機械應(yīng)力和振動。新能源汽車在行駛過程中會經(jīng)歷各種機械振動和沖擊。這些外部應(yīng)力可能導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微小變化，如電極材料的脫落、隔膜的變形等。長期累積的機械應(yīng)力可能使某些單體電池的性能比其他電池更快地退化，從而導(dǎo)致壓差的產(chǎn)生。

環(huán)境因素。除了溫度外，濕度、海拔等環(huán)境因素也可能影響電池的性能。例如，在高濕度環(huán)境下，電池封裝如果不夠嚴密，可能導(dǎo)致水分滲入，影響電池的性能。高海拔地區(qū)的低氣壓環(huán)境可能影響電池內(nèi)部氣體的平衡，進而影響電化學(xué)反應(yīng)。

電磁干擾。電動汽車的高功率電機和電力電子設(shè)備可能產(chǎn)生強烈的電磁場。盡管現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)通常具有良好的電磁兼容性，但在某些極端情況下，強電磁干擾仍可能影響電池管理系統(tǒng)的正常工作，導(dǎo)致電壓測量或均衡控制的誤差。

軟件和算法問題。電池管理系統(tǒng)的軟件bug或算法缺陷可能導(dǎo)致對電池狀態(tài)的錯誤判斷或不當(dāng)控制。例如，SOC估算算法的偏差可能導(dǎo)致充放電控制不當(dāng)，進而加劇壓差問題。

使用模式。用戶的使用習(xí)慣和充電模式也可能影響壓差故障的產(chǎn)生。例如，頻繁的快充或經(jīng)常性的深度放電可能加速某些單體電池的老化，導(dǎo)致電池組內(nèi)部性能差異的加劇。

3 動力電池壓差故障的維修技術(shù)

3.1 電池均衡技術(shù)

動力電池壓差故障是新能源汽車行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一，其中電池均衡技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵方法。電池均衡技術(shù)旨在消除或減少電池組內(nèi)各單體電池之間的電壓差異，從而提高整個電池組的性能和壽命。

電池均衡技術(shù)主要分為被動均衡和主動均衡兩種方式。被動均衡通過在高電壓電池上并聯(lián)電阻進行放電，將多余的能量以熱量形式消耗掉，從而實現(xiàn)電池組的均衡。這種方法實現(xiàn)簡單，成本較低，但效率不高，且會造成能量浪費。主動均衡則通過電路設(shè)計，將高電壓電池的能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池，實現(xiàn)能量的有效利用。主動均衡效率更高，但電路相對復(fù)雜，成本也較高。

在實際應(yīng)用中，選擇合適的均衡策略對于提高電池組性能至關(guān)重要。例如，對于輕度不平衡的電池組，可以采用簡單的被動均衡方法；而對于嚴重不平衡或高端動力電池系統(tǒng)，則可以考慮采用主動均衡技術(shù)。此外，結(jié)合電池管理系統(tǒng)（BMS）的實時監(jiān)測，可以實現(xiàn)更加精準和高效的均衡控制，進一步提升電池組的整體性能和壽命。

3.2 溫度控制策略

溫度控制是動力電池壓差故障維修技術(shù)中的另一個重要方面。溫度對電池性能和壽命有顯著影響，不均勻的溫度分布可能導(dǎo)致電池組內(nèi)部出現(xiàn)壓差，進而影響整體性能和安全性。因此，有效的溫度控制策略對于解決和預(yù)防壓差故障至關(guān)重要。

溫度控制策略主要包括以下幾個方面。

優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過合理布局冷卻通道，提高散熱效率，減少熱點的產(chǎn)生。例如，采用液冷系統(tǒng)可以更均勻地控制電池組溫度，有效降低溫度梯度。

實施智能溫度管理。利用溫度傳感器實時監(jiān)測電池組各部位溫度，結(jié)合電池管理系統(tǒng)（BMS）進行智能調(diào)控。當(dāng)檢測到溫度異常時，系統(tǒng)可以自動啟動冷卻或加熱裝置，維持電池組在最佳工作溫度范圍內(nèi)。

優(yōu)化充放電策略。根據(jù)環(huán)境溫度和電池溫度，動態(tài)調(diào)整充放電電流和功率，避免在極端溫度下進行高功率充放電，減少溫度波動對電池的影響。[4]

開發(fā)高效的熱管理材料。例如，使用相變材料（PCM）可以吸收或釋放潛熱，有效緩解溫度波動，保持電池組溫度的穩(wěn)定性。

通過綜合應(yīng)用這些溫度控制策略，可以有效減少電池組內(nèi)部的溫度差異，降低壓差故障的發(fā)生概率，提高動力電池的性能和壽命。

3.3 充放電管理方法

充放電管理是動力電池壓差故障維修技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合理的充放電管理不僅可以預(yù)防壓差故障的發(fā)生，還能延長電池壽命，提高整體性能。在新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，充放電管理的重要性日益凸顯。

充放電管理方法主要包括以下幾個方面。

實施智能充電策略。采用分段充電法，即在不同荷電狀態(tài)（SOC）下使用不同的充電電流。例如，在SOC較低時使用恒流充電，而在SOC較高時逐步降低充電電流，這樣可以有效減少電池內(nèi)部壓力差異，降低壓差故障的風(fēng)險。

優(yōu)化放電管理。通過電池管理系統(tǒng)（BMS）實時監(jiān)控每個電池單元的電壓和溫度，動態(tài)調(diào)整放電策略。當(dāng)檢測到某些電池單元電壓過低時，可以及時限制放電電流或進行均衡充電，防止過度放電導(dǎo)致的壓差故障。[6]

實施預(yù)充電和預(yù)放電技術(shù)。在正式充放電之前，先進行小電流的預(yù)充電或預(yù)放電，可以減少電池內(nèi)部的突變應(yīng)力，降低壓差故障的發(fā)生概率。

開發(fā)智能電池管理算法。利用機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，根據(jù)電池的使用歷史和當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)測未來的性能變化，從而制定最優(yōu)的充放電策略。例如，可以根據(jù)預(yù)測的電池壽命曲線，動態(tài)調(diào)整充放電深度，平衡性能需求和電池壽命。

通過綜合應(yīng)用這些充放電管理方法，可以有效控制電池組內(nèi)部的電壓差異，降低壓差故障的發(fā)生概率，同時提高動力電池的使用效率和壽命。

4 結(jié)論

本研究針對新能源汽車動力電池壓差故障及其維修技術(shù)進行了深入探討，得出電池均衡技術(shù)、溫度控制策略和充放電管理方法是提升電池可靠性與安全性的關(guān)鍵。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，未來研究將聚焦于智能BMS開發(fā)、AI優(yōu)化充放電策略及大數(shù)據(jù)預(yù)測性維護，動力電池壓差故障的問題將得到更好的解決，從而推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目《汽車剎車油門一體化系統(tǒng)的設(shè)計與研究》（2024KY1397）。廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年度科研提升項目《一種智能汽車充電裝置的設(shè)計和研究》（2023ZKY12）。

參考文獻：

[1]覃星云.新能源汽車動力電池壓差故障及維修技術(shù)[J].中國高新科技，2024（19）：143-145.

[2]溫蓉蓉.新能源汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷分析[J].時代汽車，2024（19）：116-118.

[3]施海鳳，劉瓊瓊，費孝濤，等.2018款比亞迪E5車動力電池溫度采集異常故障分析[J].汽車維護與修理，2024（19）：27-29.

[4]李永偉.新能源汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷研究綜述[J].時代汽車，2023（05）：184-186.

[5]樊凱，楊麗杰.新能源汽車動力電池故障的診斷與維護分析[J].時代汽車，2023（11）：144-146.

[6]黃順，何佳偉，鄭望曉．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力電池單體電壓差預(yù)測方法[J].電源學(xué)報，2023，21（1）：151-158．