资源简介

(共55张PPT)
新能源汽车电池与管理系统检测与维修
CONTENTS
目录
模块二 动力蓄电池的检修
模块一 动力蓄电池与管理系统认知
模块三 动力蓄电池管理系统的检修
模块四 动力蓄电池与管理系统故障诊断与评估
模块四 动力蓄电池与管理系统故障诊断与评估
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课题三 动力蓄电池评估
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学习目标
掌握动力蓄电池性能评估的方法。
掌握动力蓄电池安全性能评估方法与作业规范。
掌握动力蓄电池包绝缘电阻的测量方法。
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任务描述
一辆比亚迪e5型汽车（2017款）由于天气原因被浸水，一直无法充电，最初怀疑是充电设备的问题，但更换充电设备后仍无法充电。现在车主将汽车开到维修店维修，你的主管要求你依据上述故障现象，对该故障车进行故障诊断与排除。
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任务分析
结合本故障案例，考虑到纯电动汽车已经浸水，导致无法充电，应从充电系统和动力蓄电池两个方向查找问题。因此，需要对动力蓄电池进行评估。
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新能源汽车的常见类型包括纯电动汽车、插电混合动力汽车、混合动力汽车等，它们都会用到车载动力蓄电池，但搭载在不同类型新能源汽车上的动力蓄电池有明显的区别。
一、纯电动与混动汽车的动力蓄电池
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1. 动力蓄电池的性能对比
不同型号的动力蓄电池在额定容量、交流内阻等性能方面有不同的表现，具体见表1。
表1 几种不同型号的动力蓄电池的相关参数
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续表
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电池性能参数包含众多维度，其中很多性能是相斥的。例如，能量密度和功率密度不可兼得，能量密度高的电池，活性物质较厚，导电剂较少，导致其功率密度较低；而功率密度高的电池，活性物质较薄，导电剂较多，导致其能量密度较低。所以需要根据需求来选择合适的电池。
2. 不同类型新能源汽车的特点
从电池的应用特点上看，电动汽车（EV）与插电混动汽车（PHEV）电池的主要功能是储存行驶所需的能量，目前PHEV的纯电续驶里程在50km以上，因此国内PHEV车型所携带电池的能量普遍在10kW·h以上，有些EV车型甚至已经达到了100kW·h的量级。
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但在混动汽车（HEV）中，电池的主要功能是提高发动机的燃油经济性，弥补发动机从低速开始加速（驱动）和减速能量回收（再生）的短板。在这类应用中，各HEV所携带电池的能量普遍在2kW·h以内。各种不同混合动力汽车的功能、参数特点见表2。
表2 不同混合动力汽车的功能、参数特点
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续表
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续表
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3. 不同电池的浅充浅放特性
由于发动机与电驱动系统的互动，混动系统电池面临更为复杂的工况需求（频繁的大倍率充放电输出与切换）。而在驱动策略上，HEV和PHEV的逻辑显然更为复杂，电动部分的能量流相对于EV的变化和转换更加频繁。但无论是哪种电池，对于“浅充浅放”的超短循环都有不可回避的硬性需求。
据研究，锂离子蓄电池和镍氢蓄电池在应对“浅充浅放”上具有非常优秀的表现，已经完全具备了实用性。日本的丰田普锐斯混合动力汽车曾长期坚持使用镍氢蓄电池，除了早期锂离子蓄电池不成熟、成本较高等因素以外，镍氢蓄电池极为优秀的“浅充浅放”特性也是重要因素之一。
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4. 纯电动汽车与混动汽车电池的充放电速率
由于纯电动汽车和混动汽车的载电量存在巨大的差距，因此充电速率的差异也十分明显。例如，对于10kW的功率需求，EV的充电电流为1C，而HEV的充电电流则高达10C。这就直接决定了大载电量的EV与小载电量的HEV在选择电池时，对于功率特性的需求不同。EV更加关注电池的能量密度和功率密度，而HEV侧重于电池的超高功率密度。
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5. 混动汽车动力蓄电池的CS区间
在混动汽车中，电池都会设定一个电荷维持（charge sustaining，CS）区间，以应对混动状况下频繁且大电流的充放电需求。解决方案就是根据预期的大功率需求情况，选取电池的一个合适的SOC区间作为CS区间。在CS区间内，电池应对功率需求场景时，安全、寿命等性能都能达到一个比较均衡、可以接受的结果。
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三种不同车型的CS区间如下图所示。
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对于混动汽车的动力蓄电池，由于电池能量只有1～2kW·h，因此HEV的CS区间大约对应45%～55%的SOC区间，对应0.2～0.4kW·h的能量使用范围，HEV的CS区间非常狭窄。
对于插电混动汽车的动力蓄电池，由于电池能量只有5～10kW·h，因此PHEV的CS区间大约对应23%～28%的SOC区间，对应0.2～0.4kW·h的能量使用范围，PHEV的CS区间也比较狭窄。
对于纯电动汽车的动力蓄电池而言，不存在CS区间。
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动力蓄电池的性能评估包括动力蓄电池包的性能评估和动力蓄电池包的安全性能评估两个方面。
1. 动力蓄电池包性能评估
动力蓄电池包的性能包括容量性能、充放电性能、温度特性、循环衰减特性、充放循环特性、储存衰减特性、自放电特性和在不同荷电状态下的静态电压特性等。
1.1 容量性能评估
动力蓄电池的额定容量为：在环境温度为（25±3）℃条件下，充满电的电池以额定电流（或者额定功率）放电至终止电压时所能提供的电量，单位为安时。容量比是指动力蓄电池吸收或释放电荷的能力。
二、动力蓄电池评估指标
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对于某动力蓄电池而言，容量比与温度的关系如下图所示。
由下图可知，在低温状况下，动力蓄电池容量比较小，温度越高，容量比越大。同时，这款动力蓄电池在-30℃的低温下，仍可保持90%以上的容量输出。
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1.2 充放电性能评估
动力蓄电池充放电性能评估即观察充放电电流与能量效率的关系，如下图所示。由图可知，充放电电流越大，能量效率越低。这也说明，为了维持纯电动汽车的续驶里程，可以在中小电流状态下行驶。
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此外，动力蓄电池的材料与组成不同，能量效率也不同。这款电池的充放电电流在0.5C以下时，能量效率达96%以上，而同等情况下的铅酸蓄电池能量效率低于80%。两者相比，装备这款动力蓄电池的新能源汽车具有更好的节能效果。
1.3 温度特性评估
动力蓄电池的温度特性与其内阻大小紧密相关。
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下图所示为某款动力蓄电池在不同充放电电流下的温升情况，由图可知，容量为200A·h的电池以1C的电流进行充放电，温升在5℃左右，这与其很高的能量效率是一致的。
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1.4 循环衰减特性评估
动力蓄电池的容量保持率随着循环次数的增加而降低，如下图所示，当循环次数达到4000次时，容量保持率为80%。
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动力蓄电池的容量保持率与充放电电流大小也有关系。在相同的循环次数下，充放电电流越大，容量保持率越低，如下图所示。
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1.5 充放循环特性评估
通常情况下，锂电池的放电深度越深，电池寿命越短。比亚迪磷酸铁锂动力蓄电池在不同的DOD下，容量保持率与总能量输出的关系曲线几乎重叠。由于该蓄电池没有记忆效应，不同的DOD循环对电池寿命几乎无影响。因此，对于磷酸铁锂动力蓄电池而言，任何时候充电或放电都是允许的，不必在放电结束后才开始充电。
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1.6 储存衰减特性评估
荷电状态和温度对电池容量的衰减速率有较大的影响。动力蓄电池在不同荷电状态下的衰减速率有所不同，SOC越小，衰减速度越缓慢，如下图所示。
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同时，温度的变化也对容量的衰减速率有较大影响，如下图所示。一般来说，动力蓄电池在较小SOC和较低温度下储存，有利于衰减的延缓；相反，在较大的SOC和较高的温度下，容量衰减速率会加快，所以应尽量把电动汽车置于温度较低的环境中。
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1.7 自放电特性评估
动力蓄电池的自放电特性与荷电状态相关。SOC越大，电池的自放电率越高；SOC越小，电池的自放电率越低，如下图所示。
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1.8 不同SOC下的静态电压特性评估
不同SOC下的静态电压特性如下图所示，由图可知，当SOC较小时，电池电压随SOC的增大迅速增加；当SOC增大到一定水平后，电压的增加速率放缓，趋于不变。
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2. 动力蓄电池安全性试验
参考《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T31485—2015），动力蓄电池的安全性试验包括以下10种类型，试验项目和要求见表1。
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表1 动力蓄电池（单体 / 模组）安全性试验项目及要求
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单体蓄电池安全性试验内容如下（蓄电池模块安全性试验内容可自行查阅）：
2.1 过放电测试
测试设备：动力电池测试柜。
测试方法：以1I1（A）电流放电90min。
电池过放电设备及实物如下图所示。
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2.2 过充电测试
测试设备：动力电池测试柜、防爆箱。
测试方法：以1I1（A）电流恒流充电至企业技术条件中规定的终止电压的1.5倍或充电时间达1h后停止充电。其中I1为1h率放电电流，其数值等于C1（A），C1为1h率额定容量（A·h）。
钛酸锂电池过充电曲线及实物如下图所示。
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2.3 短路测试
测试设备：短路测试机。
测试方法：将电池经外部短路10min，外部线路电阻应小于5mΩ。
短路测试的电池如下图所示。
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2.4 跌落测试
测试设备：跌落试验机。
测试方法：电芯端子向下从1.5m高度处自由跌落到水泥地面上。
跌落测试设备及跌落测试后的电池如下图所示。
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2.5 加热测试
测试设备：温度箱。
测试方法：将电芯放入温度箱中，按5℃/min的速率升温至（130±2）℃，保持30min（锂离子蓄电池）；或按5℃/min的速率升温至（85±2）℃，保持2h。
加热测试后的电池如右图所示。
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2.6 挤压测试
测试设备：大电池挤压针刺试验机。
测试方法：
2.6.1 挤压方向：垂直于电芯极板。
2.6.2 挤压板形式：半径75mm的半圆柱体，半圆柱体的长度大于被挤压电芯的尺寸。
2.6.3 挤压速度：（5±1）mm/s。
2.6.4 挤压程度：电芯电压变为0或变形量达到30%或挤压力达到200kN后停止挤压。
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挤压测试的电池如下图所示。
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2.7 针刺测试
测试设备：大电池挤压针刺试验机。
测试方法：用直径为5～8mm的耐高温钢针、以（25±5）mm/s的速度，从垂直于电芯极板的方向贯穿。
针刺测试设备及针刺测试后的电池如下图所示。
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2.8 海水浸泡测试
测试设备：盐浴槽。
测试方法：将电芯浸入3.5%（质量分数）的NaCl溶液中2h。
海水浸泡测试后的电池如下图所示。
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2.9 温度循环测试
测试设备：可程式高低温试验箱。
测试方法：按照表1的方法，循环5次。
表1 温度循环测试
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2.10 低气压测试
测试设备：低气压箱。
测试方法：将电芯放入低气压箱中，调节箱中气压为11.6kPa，温度为室温，静置6h，观察1h。
低气压测试后的电池如下图所示。
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1. 作业前准备
首先按照以下说明，完成相关作业前的准备工作。
（1）检查隔离栏，设置安全警示牌、灭火器。
（2）做好车辆防护及车辆预检。
（3）做好绝缘手套、绝缘鞋等防护用品的检查。
（4）做好诊断仪器型号、解码器外观和OBD诊断接头的检查。
三、动力蓄电池包绝缘电阻的测量
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2. 绝缘电阻的测量方法
2.1 测量动力蓄电池组系统负极与托盘之间的开路电压U1（U负）。
2.2 测量动力蓄电池组系统正极与托盘之间的开路电压U1′（U正）。
U1和U1′的测量方法如下图所示。
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2.3 比较U1和U1′。
2.4 串联电阻R0（注：R0=100kΩ±10kΩ）。
如果U1>U1′，则在动力蓄电池组系统负极与托盘之间串联电阻R0。同时，用电压表测量R0两端的电压U2，测量方法如下图a所示。如果U1′>U1，则在动力蓄电池组系统正极与托盘之间串联电阻R0。同时，用电压表测量R0两端的电压U2，测量方法如下图b所示。
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2.5 计算动力蓄电池组系统的绝缘电阻。
以U1>U1′为例，电路图如下图所示，绝缘电阻Ri的阻值由下式计算：
Ri=（U1-U2）×R0/U2
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3. 数据核定要求
根据要求，计算得到的绝缘电阻与动力蓄电池组系统的标称电压之比即绝缘强度应大于500Ω/V。若绝缘强度不满足要求，则汽车有漏电危险。新能源汽车漏电传感器的具体漏电状态及措施见表1。
表1 漏电传感器的漏电状态及措施
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续表
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F3DM动力蓄电池包由10个模组（每个模组10个单体）组成，每个单体电池电压为3.3V，电池包标称电压为330V，容量为45A·h，能量大约为14.85kW·h，检测步骤如下：
F3DM动力蓄电池包绝缘电阻的测量
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1. 用万用表测量正极对地电压，测量方法如下图所示，测得电压U1′=266.4V。
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2. 用万用表测量负极对地电压，测量方法如下图所示，测得电压U1=250.4V。
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3. U1′>U1，则在动力蓄电池组系统正极与托盘之间串联电阻R0。
选择150kΩ的电阻R0，如下图左所示。将其串联在正极与托盘之间，测得电压U2为133.5V，如下图右所示。
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思考与练习
1. 参考《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T31485—2015），简述动力蓄电池的10种安全性试验项目。
2. 按照《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T31485—2015），简述针刺测试的基本方法。(共48张PPT)
新能源汽车电池与管理系统检测与维修
CONTENTS
目录
模块二 动力蓄电池的检修
模块一 动力蓄电池与管理系统认知
模块三 动力蓄电池管理系统的检修
模块四 动力蓄电池与管理系统故障诊断与评估
模块四 动力蓄电池与管理系统故障诊断与评估
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课题二 混合动力汽车电池系统
故障诊断与排除
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学习目标
1. 能描述混合动力汽车动力蓄电池系统的常见故障和故障现象。
2. 能描述混合动力汽车动力蓄电池系统的故障码和数据流。
3. 能按照操作规范完成混合动力汽车动力蓄电池系统典型故障的诊断与排除。
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任务描述
一辆行驶里程约9万公里的2009年第三代丰田普锐斯混合动力汽车在行驶不久后，发动机会突然熄火，车辆无法正常行驶，组合仪表的混合动力系统主警告灯点亮，同时多信息显示屏显示HV蓄电池警告标识。你的主管要求你进行故障诊断并将故障排除，现在你需要查阅资料，分析故障原因，以顺利排除这个故障。
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任务分析
接到维修任务后，应首先进行试车，故障现象确如用户所述。故障出现后，通过一键启动系统关闭HV系统，再次启动HV系统后，表示HV系统良好的“READY”灯没有点亮。此时，主警告灯点亮并且显示HV蓄电池警告标识，车辆无法行驶。综上所述，需要对该车的HV蓄电池进行检修。
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1. 混合动力汽车动力蓄电池系统的常见故障
动力蓄电池是混合动力汽车控制系统的重要组成部分，其内部或控制系统存在故障将导致混动系统失效，甚至使车辆无法行驶。
混合动力汽车的动力蓄电池系统常见故障如下：
（1）动力蓄电池管理模块故障，如供电故障等。
（2）内部电池电压故障，如监测到过高或过低电压的单体电池。
（3）动力蓄电池组总成冷却系统故障。
（4）动力蓄电池组内高压输出电路故障。
一、混合动力汽车动力蓄电池系统故障分析
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2. 混合动力汽车动力蓄电池系统故障的现象
混合动力汽车的动力蓄电池系统发生故障时，会出现以下现象：
2.1 仪表指示灯点亮
混合动力汽车的动力蓄电池系统故障，会导致以下仪表指示灯点亮，如下图所示。
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2.2 车辆无法起动或功率降低
混合动力汽车动力蓄电池系统故障会导致车辆无法正常起动，也可能导致高速行驶的车辆降低运行功率。
3. 混合动力汽车动力蓄电池故障代码和数据流
混合动力汽车动力蓄电池系统发生故障后，首先应采用故障诊断仪进行故障代码读取和数据流分析。下面介绍丰田普锐斯动力蓄电池系统相关的故障码和数据流。
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3.1 故障码
丰田普锐斯动力蓄电池系统常见故障码见表1。
表1 丰田普锐斯动力蓄电池系统常见故障码
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续表
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续表
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续表
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注：1.“○”表示CHK ENG1、主警告灯2点亮或显示屏工作。
2.“×”表示CHK ENG1、主警告灯2不点亮或显示屏不工作。
3.2 数据流
在丰田普锐斯的动力蓄电池模块内，可使用诊断仪读取数据流。其中主要数据流内容见表2。
表2 丰田普锐斯动力蓄电池系统主要数据流内容
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续表
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1. 普锐斯HV蓄电池与其他高压元件的关系
普锐斯HV蓄电池位于汽车后部，自身带有蓄电池ECU及漏电检测传感器，通过电源电缆与车辆前部的各个高压元件连接。
1.1 与升压转换器、变频器的连接
HV蓄电池向外供电时，经过升压转换器，将HV蓄电池DC201.6V电压增加到DC500V，经过变频器转换为交流电，输送到电机MG2。
当能量回收时，变频器将AC500V电压转换成DC500V电压，经降压后给HV蓄电池充电。
二、丰田普锐斯混合动力汽车动力蓄电池系统
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1.2 与A/C变频器的连接
将HV蓄电池的DC201.6V电压输送到空调A/C变频器，转换成AC201.6V，为空调系统中的高压电动变频压缩机供电。
1.3 与DC-DC转换器的连接
将HV蓄电池的DC201.6V电压输送到DC-DC转换器，并且降压为DC12V，为车身电器供电，同时为备用蓄电池充电。
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上述三个高压电路的连接如下图所示。
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2. 普锐斯HV蓄电池与其他低压元件的关系
普锐斯HV蓄电池的主要工作均受到HV ECU的控制。
2.1 与信号输入元件的连接
HV ECU需要采集各个传感器元件的输入信号，方便对HV蓄电池的工作进行控制。
2.1.1 电源线路输入信号
当驾驶人点击车辆电源开关，此信号报送给电源控制ECU，电源控制ECU将起动信号报送给HV ECU，告知车辆的上电起动信息。
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2.1.2 安全线路输入信号
安全气囊传感器总成、断路传感器、互锁开关（检修塞）和互锁开关（变频器盖）将各自的信号报送给HV ECU。
2.1.3 电流传感器输入信号
电流传感器在HV蓄电池的负极，实时监测动力蓄电池的负极电流，监测动力蓄电池的能量输入和输出，对于HV蓄电池的SOC检测具有重要的意义。
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2.2 与信号输出元件的连接
HV ECU收集到各个传感器信号后，控制预充接触器SMR1、正极接触器SMR2、负极接触器SMR3和HV蓄电池的工作，如下图所示。
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3. 普锐斯HV蓄电池ECU的控制关系
第三代普锐斯HV蓄电池由28个镍氢电池模块组成，镍氢电池总电压为201.6V，体积约为35.5L。
3.1 传感器信号输入
HV蓄电池的负极电流传感器监测动力蓄电池负极，将信号输入蓄电池ECU。BMS对其采取每两个模块为一组的方式进行电压监测，所以共有14根电压监测线。此外，还有4个温度传感器监测温度信号。
3.2 与其他ECU的联系
蓄电池ECU与HV ECU、发动机ECU、网关ECU（联络空调ECU）均有联系。
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3.3 与执行器的联系
蓄电池ECU控制蓄电池冷却风扇继电器、蓄电池冷却风扇控制器和蓄电池冷却风扇电机。上述联系如下图所示。
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混合动力系统主警告灯点亮故障排查
1. 作业前准备
首先按照以下说明，完成相关作业前的准备工作。
（1）检查隔离栏，放置安全警示牌、灭火器。
（2）做好车辆防护及车辆预检。
（3）做好绝缘手套、绝缘鞋等防护用品的检查。
（4）做好诊断仪型号、解码器外观和OBD诊断接头的检查。
2. 故障现象
仪表显示HV蓄电池故障，诊断仪检查结果表明HV蓄电池温度高。
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3. 故障原因分析
组合仪表混合动力系统主警告灯点亮，表明该车的HV系统存在故障，自检没有通过。同时，多信息显示屏显示HV蓄电池警告标识，说明混合动力系统的HV蓄电池也存在故障，自检也没有通过。这类故障通常有故障码可以读取，通过读取故障码诊断丰田普锐斯复杂的HV系统故障是十分必要的。
于是，维修人员连接故障诊断仪，读取到如下故障码：
POA81（05-673）混合动力蓄电池组冷却风扇1
POA82（05-675）混合动力蓄电池组冷却风扇1
POA85（05-677）混合动力蓄电池组冷却风扇1
考虑到解码器已经读取故障码，故使用诊断仪的主动测试功能驱动鼓风机，发现驱动失败，且不能从数据流中看到鼓风机电机的转速。
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4. 鼓风机电机控制电路
鼓风机电机的功能是控制调节蓄电池鼓风机总成的电压。鼓风机电机控制电路如下图所示。
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电流从蓄电池ECU的FCTL1端子流出，流入蓄电池鼓风机的继电器线圈。当继电器通电闭合时，则向电池鼓风机总成供电。
当蓄电池ECU输出风扇运行信号时，鼓风机电机控制调节施加给蓄电池鼓风机总成的电压，以获得需要的风扇转速。调节信号的同时以监测信号的形式输送给电池管理模块的VM端子，鼓风机电机通过监测蓄电池鼓风机总成的+B端子的电压纠正鼓风机电机的电压。
5. 诊断步骤
考虑到鼓风机不运转，因此从电源的初始起点从前往后检查。
5.1 检查风扇熔丝（10A）
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5.1.1 从发动机舱熔丝盒（下图）上拆下风扇熔丝。
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5.1.2 检查风扇熔丝电阻，标准值小于1Ω。
5.2 检查鼓风机继电器
拆下蓄电池鼓风机继电器，如下图所示。
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测量继电器端子间的电阻，电阻标准值如表1所示。
表1 继电器端子间电阻标准值
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5.3 检查鼓风机总成
5.3.1 断开B9蓄电池鼓风机总成连接器（下图）。
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5.3.2 将蓄电池正极端子连接至蓄电池鼓风机总成连接器端子2，蓄电池负极端子连接至连接器端子1。
5.3.3 施加电压，检查鼓风机风扇运转情况。鼓风机风扇运转，说明风扇电机正常。
5.4 检查线束与连接器
5.4.1 检查鼓风机继电器的风扇熔丝线束与连接器，如下图所示。
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①从发动机舱拆下风扇熔丝，拆下B14蓄电池鼓风机继电器。
②测量线束侧连接器间的电阻，标准值（开路检查）如表1所示。
表1 线束连接器间电阻标准值
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5.4.2 检查蓄电池鼓风机继电器与鼓风机总成之间的线束与连接器，如下图所示。
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①断开B14蓄电池鼓风机继电器。
②拆下B9蓄电池鼓风机总成连接器。
③测量线束连接器间的电阻，标准值（开路检查）见表2。
表2 线束连接器间电阻标准值
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5.4.3 检查蓄电池鼓风机总成与鼓风机电机控制器之间的线束与连接器，如下图所示。
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①断开B9蓄电池鼓风机总成连接器。
②拆下B10蓄电池鼓风机电机控制连接器。
③检查线束连接器间的电阻，标准值（开路检查）见表2。
表2 线束连接器间电阻标准值
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5.4.4 检查蓄电池鼓风机总成与电池管理模块之间的线束与连接器，如下图所示。
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①断开B9蓄电池鼓风机总成连接器。
②拆下B11电池管理模块连接器。
③检查线束连接器间、接地的电阻，标准值（开路检查）见表3。
表3 线束连接器间、接地电阻标准值
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5.4.5 检查蓄电池鼓风机总成与鼓风机电机控制器之间的线束与连接器，如下图所示。
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①断开B9蓄电池鼓风机总成连接器。
②拆下B10蓄电池鼓风机电机控制连接器。
③检查线束连接器间、接地的电阻，标准值（开路检查）见表4。
表4 线束连接器间、接地电阻标准值
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5.4.6 检查蓄电池鼓风机继电器与电池管理模块之间的线束与连接器，如下图所示。
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①断开B14蓄电池鼓风机继电器。
②拆下B11电池管理模块连接器。
③检查线束连接器间、接地的电阻，标准值（开路检查）见表5。
表5 线束连接器间、接地电阻标准值
5.5 更换动力蓄电池ECU
以上检查均正常，则需要更换动力蓄电池ECU。
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思考与练习
1. 简述混合动力汽车动力蓄电池系统的常见故障。
2. 混合动力汽车动力蓄电池系统故障的现象有哪些？
3. 参照下图，简述蓄电池鼓风机继电器的检查方法。(共51张PPT)
新能源汽车电池与管理系统检测与维修
CONTENTS
目录
模块二 动力蓄电池的检修
模块一 动力蓄电池与管理系统认知
模块三 动力蓄电池管理系统的检修
模块四 动力蓄电池与管理系统故障诊断与评估
模块四 动力蓄电池与管理系统故障诊断与评估
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课题一 纯电动汽车电池系统故障
诊断与排除
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学习目标
1. 能准确描述纯电动汽车动力蓄电池故障指示灯的含义。
2. 能了解纯电动汽车动力蓄电池的故障等级和常见故障。
3. 能遵守操作规范，完成纯电动汽车动力蓄电池的故障诊断及维修。
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任务描述
一辆比亚迪e5型汽车（2017款）一直无法充电，也无法上电，仪表板显示“动力电池故障”，同时动力蓄电池故障指示灯、动力系统故障指示灯点亮。
结合上述现象，初步怀疑是动力蓄电池故障。现在车间主管要求你依据上述故障现象，对该车的动力蓄电池进行故障诊断与排除。
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任务分析
结合上述故障现象，考虑到无法充电及无法上电的共性问题，初步判断是动力蓄电池故障。因此，需要梳理纯电动汽车动力蓄电池的故障成因，这样才能对故障进行诊断与排除。
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纯电动汽车动力蓄电池系统相关的故障指示灯主要有：动力蓄电池故障指示灯、高压断开指示灯、动力系统故障指示灯、SOC低指示灯、绝缘报警指示灯等，见表1。
一、纯电动汽车动力蓄电池故障指示灯
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表1 纯电动汽车动力蓄电池相关的故障指示灯
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动力蓄电池系统发生故障的成因比较复杂，一般会导致几个故障灯同时点亮：
1. 动力蓄电池故障指示灯和SOC低指示灯点亮时，基本可以判断为动力蓄电池系统故障。
2. 高压断开指示灯和绝缘报警指示灯点亮时，表示车辆高压系统存在故障，并不单指动力蓄电池系统故障。
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根据动力蓄电池故障对整车的影响，将动力蓄电池故障划分为三个等级。
1. 纯电动汽车动力蓄电池故障等级
1.1 一级故障（非常严重）
动力蓄电池出现一级故障会造成安全事故，如起火、爆炸、触电等。BMS一旦上报该故障，则表明动力蓄电池处于非常严重的故障状态。
二、纯电动汽车动力蓄电池故障等级和影响
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1.2 二级故障（严重）
动力蓄电池出现二级故障会导致整车跛行、暂停能量回馈、停止充电等。BMS一旦上报该故障，则表明动力蓄电池的某些硬件出现故障或动力蓄电池处于非正常工作条件。
1.3 三级故障（轻微）
动力蓄电池出现三级故障对整车几乎无影响或导致整车进入“限功率行驶”状态。BMS一旦上报该故障，则表明动力蓄电池处于极限温度下或电池一致性变差等。
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2. 纯电动汽车动力蓄电池故障影响
2.1 一级故障
一级故障非常危险，对整车的影响也很明显。基于安全考虑，对主正、主负接触器的控制是迅速、直接的，其对应的故障名称、故障编码及对整车的影响见表2。
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表2 一级故障对应的故障名称、故障编码及对整车的影响
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2. 纯电动汽车动力蓄电池故障影响
2.2 二级故障
二级故障的危险性居于一级故障与三级故障之间，基于安全考虑，对于正在行驶的车辆，应逐渐降速、限功率。对于正在充电的车辆，一般直接断开充电。二级故障对应的故障名称、故障编码及对整车的影响见表3。
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表3 二级故障对应的故障名称、故障编码及对整车的影响
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2.3 三级故障
三级故障的危险性最低，一般重新上电后即可恢复。三级故障对应的故障名称、故障编码及对整车的影响见表4。
表4 三级故障对应的故障名称、故障编码及对整车的影响
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3. 同类故障的不同等级划分
类型相同但严重程度不同的故障，其故障等级是不同的。例如，北汽新能源E150EV汽车，当单体电池温度达到45℃时，为三级故障；单体电池温度达到50℃时，为二级故障；单体电池温度达到55℃时，为一级故障。
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由下图可知，该单体电池的最高温度为24℃，最低温度为21℃，说明此刻单体电池的温度正常。
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纯电动汽车动力蓄电池的常见故障较多，可以分为电压类、温度类、充电类、绝缘类、通信类、SOC异常类、电流异常类故障等。下文主要介绍绝缘故障和SOC异常的标准及故障成因。
1. 绝缘故障
我国制定的电动汽车国家标准与国际标准是一致的，标准中规定电动汽车的绝缘状况以绝缘电阻来衡量。
三、纯电动汽车动力蓄电池常见故障
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1.1 绝缘电阻检测
纯电动汽车动力蓄电池绝缘电阻的定义为：如果动力蓄电池与地（车底盘）之间的某一点短路，最大泄漏电流（意味着绝缘电阻是最小的）所对应的电阻即为动力蓄电池的绝缘电阻。
目前，常用的电动汽车绝缘电阻的检测方法是分压检测法。分压检测法是在直流母线正、负极和对应接地端（底盘）之间接入分压电阻，通过电子开关或高压接触器接通电阻和对应接地端（底盘），然后测量这些分压电阻上的电压或电流，再计算得到各绝缘电阻的大小。最后，根据动力蓄电池绝缘电阻的定义，最小者为整车绝缘电阻。
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电动汽车绝缘电阻的检测原理如右图所示。
将直流正、负极母线对地电阻分别等效为电阻RP和RN，RP是直流正极母线对地电阻，RP是直流负极母线对地电阻。在电路图中，Ub表示动力蓄电池电压，地即为电动汽车底盘，U1表示正对地电压，U2表示地对负电压，CP表示正极侧电容，CN表示负极侧电容，R1、R2为正极母线侧检测电阻，R3、R4为负极母线侧检测电阻，S1为正极母线侧电子开关或正极高压接触器，S2为负极母线侧电子开关或负极高压接触器。
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检测思路是：
1）当S1、S2断开时，U1=U2=0，可以检测电子开关或高压接触器S1、S2是否损坏。
2）当S1闭合，S2断开时，测量U1值；当S2闭合，S1断开时，测量U2值。比较U1与U2数值，可以判定是否漏电。
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1.2 绝缘监测
目前，绝缘监测的方法主要包括电流传感法、对称电压测量法、桥式电阻法、低频信号注入法等。其中低频信号注入法应用最为广泛，其工作原理如下图所示。
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采用低频信号注入法进行测试时，系统内部会产生一个正负对称的方波信号，绝缘阻抗监测仪连接端子与直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻RF构成测量回路，通过对采样电阻电压和电流的采集，计算得出RF大小。
电动汽车系统中，电机在不同转速下对应的频率不同，因此系统的容抗、感抗会随测试转速的变化而变化。此外，电机绕阻对电机壳体的分布电容也会随着转速以及环境温度等因素的变化而变化。因此，系统本身的阻抗特性会随着系统的运行而时刻发生改变，测出的绝缘阻抗值呈动态特性。
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1.3 漏电流检测
漏电流检测主要是检测新能源汽车特别是纯电动汽车在高压电经过时，整个绝缘系统漏电流的大小。漏电流检测与绝缘电阻测试是有区别的，但是动力蓄电池包的绝缘性检测通常由漏电传感器来完成。
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1.3.1 电流型漏电传感器检测
电流型漏电传感器的检测原理如下图所示。
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从电池包流出的电流I+流经全部直流负载后，返回负极直流电路，此时电流为I-。当支路没有接地电路时，I+=I-。漏电传感器霍尔线圈中产生一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使磁芯往复磁化达到饱和。漏电传感器不输入漏电信号给电池管理控制器，电池组正常工作。
当支路有接地电路时，输出电流为IK，此时I+=I-+IK。漏电传感器接收直流输出信号，经过放大、滤波和A/D转换得到漏电情况，根据情况将漏电信号传递给电池管理控制器。电池管理控制器根据信号判断车辆是否安全，若漏电流超过人体安全电流10mA，则关闭电池组中的接触器开关，车辆停止工作。
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1.3.2 比亚迪e5漏电传感器检测
比亚迪e5漏电传感器属于电流型漏电传感器，其检测基本电路如下图所示。漏电传感器检测动力蓄电池包的负极主电路绝缘电阻，同时将漏电信号及时报送到电池管理系统。
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电池管理系统接收到异常的漏电信号后，会采取禁止充放电等相关保护措施并报警，从而防止动力蓄电池包及高压部件的高压电外泄，避免造成损失。比亚迪e5的漏电传感器如下图所示。
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比亚迪e5的漏电传感器端子连接如右图所示。漏电传感器主要监控图中上方的动力蓄电池直流母线负极电流，同时和高压电控总成连接，采集电源正、电源接地、CAN-H、CAN-L和公共接地五根线的信号，还有发送到电池管理系统的一般漏电、严重漏电两根线的信号。
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比亚迪e5电池管理系统内部电路的一般漏电模块如下图所示。
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上图中的CN1-2端子对应BK45（A）-2针脚。当漏电传感器发出一个一般漏电的拉低电压信号时，信号会从一般漏电模块的12V正极电源开始，经过R403电阻、PC400发光二极管、R411电阻，然后经过二极管，进入到CN1-2端子，也就是电路图中的BK45（A）-2针脚。
PC400发光二极管发出光源，光敏二极管感应，于是电池管理系统内部核心模块感应到PC400的3、4针脚导通，因此将线圈信号拉低，电池管理系统的内部主控芯片将感受到PK2端子信号接地，于是电池管理系统接收到一般漏电信号。
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2. SOC异常
纯电动汽车的SOC常见异常有：SOC在系统工作过程中变化幅度很大，或者在几个数值之间反复跳变；在系统充放电过程中，SOC有较大偏差；SOC一直显示固定数值不变。
导致SOC异常的原因有：电流未校准；电流传感器型号与主机程序不匹配；电池长期未深度放电；数据采集模块采集跳变，导致SOC进行自动校准；霍尔传感器故障。
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目前，应用最广、效果最稳定可靠的SOC计算方法是积分算法与开路电压（open circuit voltage，OCV）法阶段性校核相结合的方法。
积分算法的具体方式为：电池管理系统主控芯片根据电流传感器采集到的电流信息，把每个瞬间的电流值相加，就得到了一段时间内电池充、放的电量，单位是安时，通过计算即可得到SOC。
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开路电压法的具体方式为：在测试单体电芯性能的过程中，单体电压与单体的荷电状态具有非常严格的对应关系，一个确定的荷电状态必然对应着一个确定的开路电压，如下图所示。因此，在OCV确定的情况下，可以推算出SOC。
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另外，当通过积分算法得到的SOC与依据开路电压曲线得到的SOC不一致时，容易产生SOC跳变现象。在排除动力蓄电池包单体电池问题之后，大多是电池管理系统的内部程序检测问题。
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1. 首先按照以下说明，完成相关作业前的准备工作。
（1）检查隔离栏，放置安全警示牌、灭火器。
（2）做好车辆防护及车辆预检。
（3）做好绝缘手套、绝缘鞋等防护用品的检查。
（4）做好诊断仪型号、解码器外观和OBD诊断接头的检查。
一、动力蓄电池CAN通信故障排查
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2. 起动车辆，仪表板“OK”灯没有点亮，并显示“请检查动力系统”，如下图所示，说明车辆无法上OK电，无法正常行驶。
3. 确认故障现象。使用诊断仪读取BMS故障码，报BIC1～BIC13通信故障，如下图所示。
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4. 从BMS背端测量电池管理控制器给BIC的供电，确认正常。
5. 从BMS背端测量电池子网CAN-L和CAN-H的对地电压，测量电压正常（CAN-L对地电压的正常范围为1.5～2.5V，CAN-H对地电压的正常范围为2.5～3.5V，需断开诊断设备测量）。
6. 将车辆退电至OFF挡，断开低压蓄电池负极，等待3min。
7. 从BMS背端测量电池子网CAN-L和CAN-H之间的电阻，测量电阻正常（标准为60～70Ω）。
8. 从BMS背端测量电池子网CAN-L和CAN-H的对地电阻，测量电阻正常（标准为>10kΩ）。
9. 由以上CAN线的测量结果确定BIC无CAN信号输出，因此故障点锁定为电源。
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10. 观察下面电路图，整理思路，从电池包测量电源供电确认线束或BIC故障。
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拔出KxK45（C）B-26线束端针脚顺线，向后找到断路位置，并在断路位置找到新的隐藏针脚插回BMS。
11. 重新上电，确认故障排除，清除系统历史故障码。
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1. 首先按照以下说明，完成相关工作。
（1）检查隔离栏，放置安全警示牌、灭火器。
（2）做好车辆防护及车辆预检。
（3）做好绝缘手套、绝缘鞋等防护用品的检查。
（4）做好诊断仪型号、解码器外观和OBD诊断接头的检查。
2. 确认故障现象。充电时，车内仪表显示充电电流为0。
二、霍尔电流传感器故障排查
3. 确认车辆故障。交流充电时，仪表上的SOC值一直保持不变，用诊断仪读取BMS数据流，发现充电时“电池组当前总电流”一直为-0.1A，“最大允许充电功率”为0，如下图所示。
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4. 根据读取的BMS数据流，“电池组当前总电压”为649V，说明BMS与动力蓄电池可以正常通信，排除BMS自身故障。
5. 比亚迪e5纯电动汽车充电时，电流数据由高压电控总成内部的霍尔电流传感器检测，BMS与霍尔电流传感器的连接如图1所示。霍尔电流传感器与BMS有三根线连接，分别是直流霍尔电源-、直流霍尔电源+和直流霍尔信号线。
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图1 比亚迪e5 BMS与霍尔电流传感器的连接
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6. 结合电路图，检测霍尔电流传感器与BMS的三根连接线的导通情况。整车下电，静置5min以上，然后利用万用表检测这三根线的两个端子的导通情况，见表1。
表1 霍尔传感器连接线导通情况检查
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7. 由于直流霍尔信号线BMS插头与高压电控插头之间的电阻无穷大，因此首先检查直流霍尔信号线BMS插头到高压电控插头的外观。经检查，发现BMS的BK45（A）插头的26号针脚颜色不对，电路图显示是W/B，为黑白线。经仔细检查发现针脚插错，重新找到黑白线，插回BMS的BK45（A）插头的26号针脚。比亚迪e5的台架上BK45（A）-26接线端子的位置如下图所示。
8. 恢复后重新充电，车辆恢复正常。
9. 依据6S规范整理场地。
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思考与练习
1. 简述动力蓄电池故障的三个等级及其对应的后果。
2. 参照图1（比亚迪e5 BMS与霍尔电流传感器的连接），简述霍尔电流传感器的检测步骤。

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