普锐斯车动力电池单元电压偏差故障

常州外汽丰田汽车销售服务有限公司 高惠民

故障现象一辆行驶里程约为16万km的2012年产丰田普锐斯混合动力汽车（车型为ZVW30L），搭载1.8 L阿特金森循环发动机和1台42 kW发电机（MG1）及60 kW驱动电动机（MG2）。客户反映该车在行驶过程中，仪表盘上的主警告灯、发动机警告灯、充电指示灯突然点亮，多信息显示屏上提示“检查混合动力系统，请将车辆停在安全地点”。

故障诊断用故障检测仪检测，读得故障代码P0A80-123，含义为“更换混合型电池组”。查看故障代码的定格数据（图1、图2、图3和图4），定格数据反映了故障代码储存时的车辆工况和混合动力系统运行的异常参数。车辆工况处在MG2纯电动驱动模式，发动机运转驱动MG1发电供能。混合动力蓄电池（HV蓄电池）的剩余电量（SOC）在电源开关接通后处于控制的下限范围，为46%，而最大充电量为46%，最小充电量下降到24.5%。2号HV蓄电池温度传感器检测到HV蓄电池组中间部位的最高工作温度为41.8 ℃，而1号和3号HV蓄电池温度传感器检测到HV蓄电池组的两端工作温度分别为37.1 ℃和34.9 ℃，HV蓄电池组两端与中间部位的最大温差达到6.9 ℃，正常情况下应不超过5 ℃。HV蓄电池组冷却进气口环境温度为21.5 ℃，HV蓄电池组工作温度与进气口环境温度差超过了9 ℃的控制范围。HV蓄电池第9单元电压最小值为12.64 V，其他HV蓄电池单元电压为14 V左右，说明HV蓄电池各单元电压不一致，与HV蓄电池单元正常电压（15 V～16 V）有偏差。HV蓄电池组冷却风扇处于1挡低速运转模式。

图1 故障代码P0A80-123的定格数据1（截屏）

图2 故障代码P0A80-123的定格数据2（截屏）

按照维修手册要求，保存上述故障代码定格数据后，清除故障代码，进行大约10 min的试车，重新确认故障。试车中虽然故障灯没有点亮，但是从记录车辆混合动力系统运行的HV蓄电池系统数据流看，HV蓄电池SOC还是处于44%，因此在车辆停下来后发动机仍然一直运转，驱动MG1为HV蓄电池充电。而3个HV蓄电池温度传感器检测到的HV蓄电池组工作温度差及HV蓄电池组工作温度与冷却进气口环境温度差仍然超出正常范围。HV蓄电池第9单元电压为13.06 V，与其他单元电压偏差仍然很大。

既然车辆HV蓄电池系统运行数据流还是异常，且与故障代码P0A80-123产生条件相符合。P0A80—123故障代码生成条件是，HV蓄电池智能单元（BMS）检测到HV蓄电池组各单元之间电压差大于0.3 V。需要说明的是，根据维修手册规定，当BMS内部出现故障时，所有蓄电池的偶/奇单元电压差也会大于0.3 V。因此接下来按照产生故障代码P0A80-123的原因进行分析检查。

如图5所示，普锐斯车采用的HV蓄电池为镍氢电池，由28个模块串联组成，每个模块由6个单格电池串联而成（1个单格电池的标称电压是1.2 V），共计168个单格电池，标称电压为201.6 V，标称容量为6.5 Ah。BMS在14个位置上监视蓄电池单元（1个蓄电池单元由2个模块组成）的电压。HV蓄电池组无需外部充电，车辆电源开关接通后，BMS将HV蓄电池组工作的状况信息发送至混合动力ECU，混合动力ECU通过HV蓄电池的累计容量来计算蓄电池的SOC，然后将其控制在目标值。HV蓄电池组的冷却系统（图6）采用并行风道的的冷却结构，进风口安装有空气过滤网，依靠冷却风扇强制冷却，保持HV蓄电池组在正常温度下工作。

图3 故障代码P0A80-123的定格数据3（截屏）

图4 故障代码P0A80-123的定格数据4（截屏）

从上述故障数据分析，HV蓄电池组第2个温度传感器检测到的温度过高和第9单元电压偏低，都发生在HV蓄电池组的中间局部位置，其可能的故障原因有：HV蓄电池串联连接线松动，接触电阻增大；电压偏低单元的电池内阻增大，产生热量大；HV蓄电池冷却风道受阻；冷却鼓风机故障；外围局部环境影响。

首先检查HV蓄电池组冷却鼓风机的运转状态。HV蓄电池冷却系统的控制电路如图7所示，HV蓄电池冷却鼓风机受控于动力管理控制ECU，并通过BMS接收冷却鼓风机上的电压反馈，实现冷却鼓风机转速1挡～6挡的调节（低、中、高速度）；蓄电池组温度在35 ℃时，冷却鼓风机低速运转，到33 ℃时冷却鼓风机关闭；蓄电池组温度上升到41.5 ℃时冷却鼓风机中速运转，蓄电池组温度超过50 ℃时，冷却鼓风机高速运转。正常情况下蓄电池组在25 ℃时的工况循环温度控制良好。用故障检测仪（GTS）的主动测试功能测试蓄电池冷却鼓风机的运转状况，冷却鼓风机能正常运转。

接着检查HV蓄电池温度传感器。HV蓄电池组采用3个温度传感器（分别置于蓄电池组的两端和中部）和1个冷却进风口环境温度传感器（置于蓄电池组冷却风道进风口）。温度传感器均采用负温度系数热敏电阻。BMS将温度传感器检测到的HV蓄电池温度和冷却进风口环境温度发送给动力管理控制ECU作对比，控制HV蓄电池冷却鼓风机风扇的起动和风速。检查蓄电池温度传感器属于高压电路检查，要遵守“检查前佩戴好绝缘手套，拆下维修塞把手并放在维修技师自己口袋中，断开维修塞把手后，等待10 min，使高压器件中的高压电容放电完成，才进行高压电路检查操作”的安全作业规定。根据HV蓄电池系统控制电路，找到BMS上蓄电池温度传感器连接器并进行温度传感器的电阻检测，检测结果，4个温度传感器的电阻均为10.87 kΩ～11.14 kΩ（HV蓄电池系统没有工作，冷却进风口环境温度为22 ℃时），电阻正常。

然后检查HV蓄电池单元电压。找到HV蓄电池组第9单元，检查HV蓄电池模块连接线无松动和腐蚀。测量其断路电压，为13.97 V（图8），低于其他单元的电压。

最后检查HV蓄电池的冷却通风状况。拆下HV蓄电池冷却进风管道，检查进风口空气过滤网，发现滤网被灰尘堵塞，判断其可能就是造成HV蓄电池温度偏高的主要原因。

故障排除（1）本车辆故障只是第9个蓄电池单元电压小于其他蓄电池单元电压，按要求应该更换HV蓄电池组总成，但是更换HV蓄电组总成价格很高，而如果采用对第9个蓄电池单元进行单独充电，能提高蓄电池第9单元的电压，恢复其容量，这样可以节约维修成本。如图9所示，把HV蓄电池组从车辆上拆下，用恒流快速充电模式（充电电压选用24 V挡位）对第9个蓄电池单元充电。镍氢蓄电池1个单格的充电终止电压根据充电倍率的不同可高达1.3 V～1.5 V，所以普锐斯车HV蓄电池1个单元的充电终止电压可高达15.6 V～18 V。通过电阻器调节充电电流为0.5C（3 A），并用温度表监控蓄电池充电温升，把蓄电池充电温度控制在30 ℃左右。经过3 h的充电，第9单元蓄电池电压上升到16.96 V不再升高，并开始略有回落时停止充电。放置1 h，测量蓄电池电压回落至16.05 V。对其他HV蓄电池单元也采用相同方法进行充电均衡。

图5 HV蓄电池组

图6 HV蓄电池冷却系统的结构

（2）拆下HV蓄电池冷却风管，用压缩空气吹净进风口空气过滤网，然后遵照HV蓄电池系统安装要求装复蓄电池组和控制系统。

（3）接通电源开关，READY灯点亮，62 s后发动机自动起动，驱动MG1运行发电，向HV蓄电池充电，当蓄电池组的SOC接近60%目标值时发动机熄火，发动机运转时间为94 s。再经过10 min路试，HV蓄电池组温度和各单元电压都在正常值范围内。车辆交付客户使用后，故障未再出现，确认故障排除。

故障总结镍氢蓄电池的热管理主要是针对高温充电效率问题。蓄电池在常温状态下充电，高温放电，对其容量和特性基本无影响。随着温度升高，蓄电池的充电接受能力逐渐下降，这是因为镍氢蓄电池充电过程中有析氧的副反应作用。所以镍氢蓄电池在混合动力汽车上使用，都进行了强制通风冷却设计。但是要使各蓄电池模块能得到可靠的冷却，因此必须要保证冷却风道的畅通无阻，否则HV蓄电池工作得不到散热，结果导致热失控，使蓄电池的充电效率和SOC容量迅速下降，影响蓄电池的循环寿命，甚至出现运行安全问题。

镍氢蓄电池各个模块（或单格）电压的均衡问题直接影响蓄电池的SOC。由于蓄电池的制造和使用问题导致了蓄电池单格电压的偏差，而几百个单格电池串联成动力蓄电池组总成，对每一个单格电池电压保持一致性尤为重要，它是动力蓄电池组正常工作的必要保证。所以大多数的电动汽车或混合动力汽车在动力蓄电池控制中有电压均衡电路一项设计。普锐斯车HV蓄电池组SOC要求控制在60%的目标值，放电下限控制在40%，充电上限也不超过80%，所以没有配备蓄电池电压的均衡控制。但是一旦由于蓄电池的个别模块（或单格）电压出现偏差（温度影响，连接导线电阻影响，蓄电池内阻影响和记忆效应影响等），不能在车辆上得到电压均衡调节，可采用拆下蓄电池，对蓄电池电压偏低的模块进行单独充电，使各模块（或单格）电压趋向一致，是人工均衡的好方法，它能延长蓄电池的循环使用寿命，节约维修成本。

图7 HV蓄电池冷却系统控制电路

图8 HV蓄电池单元的电压检测

图9 对HV蓄电池单元充电