新能源纯电动汽车维护与保养
3.1 动力电池的概述及组成
任务引入
动力电池系统作为电动汽车的能量来源，是新能源汽车系统中非常重要的组成部分。
小王是一名新能源汽车运用与维修专业的毕业生，目前在一家4S店实习，被分配到了机电维修小组。今天，组长让他熟悉动力电池的性能参数、类型及组成，以便对纯电动汽车动力电池系统有初步的认识，为今后动力电池系统的维护保养打下基础。
任务目标
1．了解动力电池的类型、组成及工作原理。
2．掌握纯电动汽车动力电池的性能参数。
3．做好新能源汽车维护与保养的场地准备，遵守安全作业规范。
4．正确、熟练地使用新能源汽车维护与保养工具。
5．根据维修手册，熟悉动力电池系统各部件的名称并找到其安装位置。
3.1.1 任务工单
3.1.1.1 学生分组
3～5人为一组，选出组长并进行任务分配，将小组成员及分工情况填入表3-1中。
表3-1 小组概况及分工情况
班级 | 组号 | 指导老师 | |||
小组成员 | 姓名 | 学号 | 任务分工 | ||
组长 | |||||
组员 | |||||
3.1.1.2 信息收集
在进行具体工作之前，需掌握纯电动汽车动力电池系统的相关知识。请组长组织组员收集并查阅相关资料，回答下列问题。
（1）什么是电池容量？它的单位是什么？
（2）纯电动汽车动力电池常见的主要类型有哪些？
（3）简述三元锂电池的优缺点。
3.1.1.3 任务准备
根据实际情况，在表3-2中写出新能源车辆（或试验台架）信息，并根据任务要求填写工具、设备和资料，以及与设备安全、场地安全和个人防护相关的检查结果。
表3-2 新能源车辆信息
汽车车辆 （或试验台架）信息 | 车型 | VIN码 | 行驶里程 |
工具、设备和资料 | |||
设备安全 | □检查新能源汽车（或试验台架）点火开关是否关闭 □检查新能源汽车（或试验台架）挡位是否处于P挡或空挡 □检查新能源汽车（或试验台架）发动机舱盖是否支撑在固定位置 □检查新能源汽车（或试验台架）驻车制动是否处于制动状态，车辆挡块是否安装到位 □检查新能源汽车车轮垫块是否支撑到位，或试验台架支撑滚轮是否固定牢靠且全部处于锁止位置 | ||
场地安全 | □检查场地通风、采光是否良好 □检查每个维修工位是否有足够的面积和高度 □检查是否有应急通道和完善的消防设施 | ||
个人防护 | □检查工位是否配置护目镜、工作帽、绝缘手套、绝缘鞋、绝缘垫和合身的工作服等劳保用品 | ||
3.1.1.4 任务实施
对新能源汽车（或试验台架）上的部件进行检查和维护，并结合现有车型维修手册完成表3-3中的内容。
表3-3 纯电动汽车动力电池的认知
序号 | 任务点 | 工作内容 |
1 | 动力电池的认识 | □是否能找到动力电池的安装位置 □是否能找到动力电池铭牌信息的位置 □是否能找到动力电池低压插接件的位置 □是否能找到动力电池快、慢充插接口的位置 □是否能找到动力电池冷却水管的位置 |
2 | 动力电池基本信息 | 根据现场车辆，查阅维修手册或网上查询车辆动力电池的类型及基本参数： 1．电池类型： 2．动力电池包电压： V 3．动力电池包容量： kWh 4．电池能量密度： Wh/kg 5．普通充电时间： h 6．快速充电时间： h 7．续航里程： km |
3.1.1.5 考核评价
在教师的指导下，按照能力标准，完成工作任务所设计的学习目标，并将结果填入表3-4中。
表3-4 考核评价
项目名称 | 评价内容 | 满分 | 评分 | |||
自评 | 互评 | 师评 | ||||
职业素养 考核项目 （40%） | 穿戴规范整洁 | 8 | ||||
安全意识、责任意识及服从意识 | 8 | |||||
积极参加教学活动，按时完成任务工单 | 8 | |||||
团队合作、沟通交流能力 | 8 | |||||
场地、设备及工具等干净整洁 | 8 | |||||
专业能力 考核项目 （60%） | 能正确说出纯电动汽车动力电池常见的主要类型 | 20 | ||||
能正确说出动力电池的基本性能参数 | 10 | |||||
能正确找到纯电动汽车动力电池的安装位置 | 10 | |||||
能正确说出磷酸铁锂电池、三元锂电池的结构、组成及工作原理 | 20 | |||||
合计 | 100 | |||||
总评 | 自评（20%）+互评（20%）+师评（60%）= | 指导教师： | ||||
3.1.2 相关知识
3.1.2.1 动力电池概述
动力电池是指用于提供动力的蓄电池，是新能源纯电动汽车的动力来源，相当于传统燃油车中的燃油箱，也是新能源汽车的核心部件，它决定着新能源汽车的使用性能和续航里程。目前，市场上新能源汽车采用最多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池，具有能量密度高、工作温度范围宽（-30℃～65℃）、使用寿命长、使用安全可靠、高能量和高功率等特点。新能源电动汽车如图3-1所示。
图3-1 新能源电动汽车
1—动力电池；2—车身
3.1.2.2 动力电池的性能参数
动力电池为整车提供电能和储存电能，在选择动力电池时需注意查看其性能参数，因为它对新能源纯电动汽车的高效、安全和可靠运行有着重要影响。动力电池的性能参数包括电压、电池容量、电池能量、能量密度、功率密度、电池放电倍率、荷电状态（SOC）、电池内阻、电池寿命、电池一致性、电池成本等。
1．电压
电池电压分为开路电压、工作电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压。
（1）开路电压：电池外部不接任何负载或电源时，电池正负极之间的电位差。
（2）工作电压：电池外接负载或电源时，有电流流过电池，此时测量所得的电池正负极之间的电位差。
（3）额定电压：电池在额定工况下，工作时应达到的电压。
（4）充电终止电压：充电时电压的极限值。
（5）放电终止电压：放电时电压的极限值。
2．电池容量
电池容量指电池能够容纳或释放的电荷量，单位通常是安时（A·h）或毫安时（mA·h）。例如：一个标注为30 A·h的电池，在工作电流为1 A时，理论上可以使用30 h。
3．电池能量
电池能量代表电池存储的能量，决定着汽车的续驶里程，单位为瓦·时（W·h），计算公式为：能量=电压×电池容量。例如：一个标识为3.8V/10Ah的电池，其能量为38 W·h。
4．能量密度
能量密度指单位体积或单位质量电池所能释放的能量，分为体积能量密度（W·h/L）和质量能量密度（W·h/kg）。动力电池的能量密度越高，意味着新能源汽车的负载重量和车内空间可以更大。目前，动力电池的能量密度可达到300 W·h/kg左右。
5．功率密度
功率密度指单位质量或单位体积电池所能输出的功率，单位为W/kg或W/L。这是评价动力电池是否满足纯电动汽车加速和爬坡需要的重要指标。
6．电池放电倍率
电池放电倍率指在规定时间内电池放出其额定容量时所需要的电流值，单位为C，在数值上等于电池额定容量的倍数。例如：一个容量为20 A·h的电池，如果用40 A的电流放电，放电倍率就是2C，意味着0.5 h可以放电完毕。
7．荷电状态
荷电状态指的是电池剩余电量，表示电池剩余容量占额定容量的百分比。
8．电池内阻
电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，是电流流过电池内部时受到的阻力。
9．电池寿命
电池寿命包括循环寿命和日历寿命。循环寿命是指电池在多次充放电过程中能够保持其性能的能力，通常以电池达到其原始容量的一定比例（如80%）时所经历的充放电次数来衡量；而日历寿命则是在实际使用条件下，电池达到寿命终止条件的时间跨度。
动力电池的使用温度范围通常为-20 ℃～55 ℃，超出此范围可能会影响电池性能甚至造成损坏。在适宜的温度范围内使用和充电，有助于延长电池的使用寿命。
10．电池一致性
电池一致性指同一规格型号的电芯在成组后，电池包或模组在电压、容量、内阻、寿命等性能方面的相似程度。
11．电池成本
动力电池的成本与电池的制造工艺、制造材料、制造方法及生产等因素有关。原材料中的正极材料是动力电池成本的重要组成部分，它成本高，使得纯电动汽车的成本随之升高。随着技术的不断进步和市场的不断发展，动力电池的成本有望进一步降低。
3.1.2.3 动力电池的类型及组成
纯电动汽车动力电池常见的类型有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等。锂离子电池主要包括磷酸铁锂电池和三元锂电池，也是目前纯电动汽车运用的最多的锂离子电池。例如：比亚迪E5动力电池采用磷酸铁锂电池（Lithium Iron Phosphate Battery），吉利帝豪EV45动力电池采用三元锂电池（Lithium Ion Battery）。动力电池总成安装在车体下部。动力电池的组成部件包含各电池模组总成、CSC采集系统、电池控制单元（BMU）、电池高压分配单元（B-BOX）等部件。
1．铅酸蓄电池
如图3-2所示，铅酸蓄电池（Lead-acid Battery）由正极板、负极板、电解液、隔板、外壳等组成，正极板是二氧化铅（PbO2），负极板是铅（Pb），隔板用于隔离正负极板以防止短路，电解液是硫酸（H2SO4）的水溶液。外壳通常采用塑料或橡胶制成，以密封和保护电池内部免受外部环境的损害，是一种常见的二次电池。铅酸蓄电池具有价格较低、技术成熟、可靠性高等优点；同时，也具有一些缺点，如能量密度较低、质量较大、充电速度较慢、循环寿命相对较短等。
图3-2 铅酸蓄电池
2．镍氢电池
如图3-3所示，镍氢电池（Ni-MH Battery）由正极、负极、电解液、隔膜、电池外壳等组成。正极活性物质为Ni(OH)2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极）；电解液为氢氧化钾溶液，是一种性能良好的蓄电池；工作电压通常为1.2～1.3 V。镍氢电池具有能量密度高、寿命长、环保无污染、安全性能高、循环性能优良等优点，因此在各种应用场景下得到了广泛的应用。然而，镍氢电池也存在一些缺点，比如成本较高、单体电池电压低、自放电损耗大等。
图3-3 镍氢电池
3．锂离子电池
锂离子电池（Lithium Ion Battery）是一种二次电池，也称充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。锂离子电池的类型多样，根据正极材料的不同，可以分为磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池和三元锂电池（镍钴锰酸锂）等。锂离子电池的组成如图3-4所示。
图3-4 锂离子电池的组成
（1）磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池是一种锂离子电池，由正极、负极、电解液、隔膜、电池外壳等组成，使用磷酸铁锂（LiFePO₄）作为正极材料，碳作为负极材料。单体额定电压为3.2 V，充电终止电压为3.6～3.65 V。充电时，磷酸铁锂中的部分锂离子脱出，经过电解质传递到负极，嵌入负极碳材料；同时正极释放出的电子，经过外电路到达负极，维持化学反应的平衡。放电时，锂离子从负极脱出，经电解质到达正极；同时负极释放出的电子，自外电路到达正极，为外界提供能量。
磷酸铁锂电池安全性高、结构稳定、不易发生热失控，具有无重金属污染、循环寿命长、快速充电性能好等优点。然而，磷酸铁锂电池也存在一些缺点，如能量密度相对较低、低温性能差、电池组使用寿命相对较短、电池制作成本较高等。
（2）三元锂电池。三元锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池，由正极、负极、电解液、隔膜、电池外壳等组成。三元锂电池的正极材料是镍钴锰酸锂（NCM）或镍钴铝酸锂（NCA），由镍、钴和锰（或铝）的化合物组成；负极材料通常由石墨制成。三元锂电池在充电和放电过程中，锂离子会在正负极之间移动。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时，锂离子从负极脱嵌，经过电解质回到正极，从而形成电流。单体电池电压为3.8 V。
三元锂电池具有能量密度高、体积小、自放电率低、稳定性好、电池一致性好等优点。然而，三元锂电池也存在一些缺点，如安全性差、耐高温性差、寿命短、大功率放电效果差等。
3.1.3 实训操作——纯电动汽车动力电池的认知
3.1.3.1 实训准备
场地要求：通风、采光良好；准备绝缘垫，设立隔离柱，布置警戒线，张贴警示牌。
工具及车辆：故障诊断仪、万用表、拆装专用工具、高压防护用具、吉利帝豪EV450、动力电池台架、车轮挡块等。
辅助资料：车辆维修手册、教材等。
注意事项：在检修动力电池时，为了防止电解液泄漏造成人员伤害，维修人员必须佩戴能防止电池电解液酸碱腐蚀的手套和防护眼镜，以防电解液腐蚀皮肤或溅入眼中。
车辆维修时注意安全。
断开直流母线只是切断了从动力电池到高压用电设备的电源，动力电池仍然是有电的，当需要检修动力电池时，仍然需要使用绝缘胶带包好露出的高压部件，以避免触电。
3.1.3.2 操作步骤
第一步：检查车辆是否拉起手刹（见图3-5），挡位处于P挡位置（见图3-6），并设置车轮挡块（见图3-7）。
图3-5 拉起手刹
图3-6 挡位处于P挡位置
图3-7 设置车轮挡块
第二步：将车辆举升到合适位置，并确保安全，如图3-8所示。
图3-8 举升车辆
第三步：认识动力电池的位置，如图3-9所示。
图3-9 动力电池的位置
第四步：认识动力电池铭牌信息的位置，如图3-10所示。
图3-10 动力电池铭牌信息的位置
第五步：认识动力电池低压插接件的位置，如图3-11所示。
图3-11 动力电池低压插接件的位置
第六步：认识动力电池快充插接口的位置和慢充插接口的位置，如图3-12、图3-13所示。
图3-12 动力电池快充插接口的位置
图3-13 动力电池慢充插接口的位置
第七步：认识动力电池冷却水管的位置，如图3-14所示。
图3-14 动力电池冷却水管的位置
第八步：根据现场车辆情况，查阅维修手册或网上查询车辆动力电池的类型及基本参数。
第九步：恢复现场，5S管理，复原车辆或台架，整理工具，清洁实训场地。
