電動汽車已成為未來汽車工業發展的方向,世界各國政府紛紛制定電動汽車產業發展戰略,出臺激勵政策、 培育市場, 讓人們感覺到電動汽車時代正在向我們走來。 電動汽車充/換電設施為電動汽車提供能量補給, 是電動汽車發展的重要基礎支撐, 動力電池是電動汽車的重要組成部分, 其性能直接影響到電動汽車的安全穩定運行。 國內外許多學者已經對電動汽車動力電池的諸多相關問題進行了研究和探索, 但是目前還沒有相關專家、 學者專門針對動力電池的運行與檢修管理進行分析和研究。
目前杭州電動汽車充/換電服務網絡運營 500輛電動出租車、 120 輛公務車、 100 輛租賃車, 投入運行動力電池 4 000 多箱, 累計換電超過 52萬車次, 行駛里程超過 3 000 萬 km, 單車最高運營里程已突破 20 萬 km, 為動力電池運行檢修管理提供了大量實踐經驗。
為進一步深化充/換電網絡運營管理, 提高動力電池運行效率, 滿足電動汽車的換電服務需求, 有必要深入研究動力電池運行與檢修管理,并提出動力電池安全運行的合理化建議。
1 動力電池的運行管理
電動汽車換電需求能否滿足與電池儲備數量密切相關, 在進行電池需求調配時, 除了考慮車輛自身攜帶的電池, 還需設置一定的冗余度以滿足車輛在電池耗盡時的換電需求。 由于電池購置費用昂貴, 冗余度太高會導致經濟性下降, 而冗余度過低則無法滿足車輛正常的換電服務。 由此,針對換電模式下的電池運行穩定性問題展開研究尤為重要, 包括動力電池接收檢驗、 運行管理、電池調配、 運行抽檢、 數據分析和倉儲管理等。
1.1 接收檢驗
動力電池在投入運行前應經過接收檢驗和試車運行檢驗, 經接收檢驗合格后方可投入運行。
接收電池的檢驗包括電池信息、 外觀、 連接器、電壓、 外形尺寸、 內阻、 質量、 絕緣及容量等項目, 檢驗項目按表 1 中接收檢驗要求進行檢驗?!颈?】
1.2 運行檢查
(1)投運檢查。 按接收檢驗中信息、 外觀進行檢驗: 檢驗電池資產編碼、 出廠編碼、 BMS 內碼或 SIM 卡號等與清單一致; 外觀應無破裂、 變形、 污跡等現象, 電池箱標識正確、 清晰, 應具有明顯的警示標識, 箱體螺絲應齊全、 無松動。
(2)充電檢查。 主要檢查 2 個方面: 檢驗電池箱的外觀、 電池箱連接器、 絕緣電阻; 用換電工具等將電池箱放入電池轉運箱或電池架內進行充電。 按以上檢查時, 應符合信息、 外觀及絕緣電阻的要求, 電池箱應能正常充電。
(3)換電檢查。 主要有以下 6 條檢查項目: 核對原車電池箱與系統記錄; 檢驗原車、 待裝車電池箱的外觀、 電池箱連接器、 絕緣電阻; 檢驗車輛電池箱連接器; 協助車輛清潔并扣好電池鎖扣; 記錄信息, 并錄入掌機; 檢查裝車電池箱電壓信息。
(4)巡視檢查。 應定時間、 定路線、 定人員、定項目進行巡視檢查, 及時發現和處理異常及缺陷, 并記錄巡視日志。
(5)電池車輛運行監控。 單體蓄電池電壓不應低于 2.5 V、 電池箱溫度不應高于 55℃, 運行過程中無異常告警。
1.3 電池調配
在整個充電站網絡內, 可配送的電池數量是十分龐大的, 所以及時、 準確地配送數量龐大的可更換電池, 不僅能夠保證整個充電站網絡的正常運行, 還將大大降低配送過程中的人力、 物力成本。 關于換電網絡的電池配送問題, 目前鮮有文獻論述。 而研究發現, 電池物流調配屬于典型的 TSP(旅行推銷員)問題。 因此, 可以借助解決 TSP 問題的智能算法來解決電池配送問題:
(1)需求單位根據運行情況向上級管理部門提交調配申請;(2)上級管理部門視運行情況調配;(3)調配過程中 , 進行信息及外觀檢查并填寫調配出、 入庫單。
1.4 運行抽檢
根據批次、 成組方式和充/換電次數等按照3%比例抽檢, 單次抽檢最低不應少于 4 箱, 最高不應多于50 箱, 并填寫抽檢記錄。 抽檢過程中如發現問題, 應詳細了解電池的來源、 故障現象,做好相應分析、 檢驗, 并提出改進建議。 抽檢步驟如下:(1)制定電池箱抽檢計劃表;(2)根據抽檢計劃表組織回收;(3)按表 1 組織檢驗;(4)除 容量要求外 , 應滿足接收檢驗 、 開箱檢查、 AGPS(輔助全球衛星定位系統)無松動脫落等異常、 內部檢查等要求;(5)充/放電循環 3 次檢驗時 , 電池箱的平均放電容量不應低于額定容量的 80%;(6)進行檢驗總結并形成報告。 如實做好抽檢日志, 抽檢結束后應及時完成抽檢報告。
1.5 數據分析
數據分析包括 3 個方面:(1)調取相關數據;(2)對換電次數、 行駛里程、 使用壽命、 故障率等進行指標性分析;(3)分析結束后及時完成數據分析總結報告。
1.6 倉儲管理
倉儲管理包括 4 個方面:(1)按投運檢查要求審核信息并入庫 、 及時更新出入庫登記卡;(2)電池箱應以 30%~50%的荷電狀態, 貯存在溫度為+5℃~+40℃, 干燥、 清潔、 周圍空氣中不含有酸性或其他腐蝕性及爆炸性物質的通風良好的室內, 不應受陽光直射, 距離熱源不得少于2 m, 不得倒置和重壓。 快換電池箱的貯存時間不應超過 90 天, 當貯存期超過 90 天時, 應對快換電池箱進行補充充電至 50%荷電狀態;(3)定期巡檢, 并記錄電壓值, 單體不應低于3.0 V;(4)貯存過程中若發現異常 , 按檢修類別進行報修處理。
2 動力電池的檢修管理
電動汽車動力電池達到一定的換電次數、 運行期限, 或出現破損、 故障時, 應移交有關部門進行例行維護或故障修理, 包括開展電池箱體二次回路、 電芯性能、 絕緣、 接插件等外觀及零部件維護修理。 動力電池修理包括計劃修理, 計劃外的故障修理和事故修理。
在編制和執行檢修計劃時要與生產緊密結合, 計劃檢修與維護相結合, 修理還要與改造、更新相結合。 動力電池的計劃修理包括電池的日常檢測、 中修及大修:(1)日常檢測項目包括外觀、 電池箱連接器、絕緣、 電壓、 通信等。 如日常檢測中發現問題, 日常檢測轉為中修檢查維護;(2)中修維護中應完成日常檢測的全部檢查項目, 開展交流內阻檢查、 充放電測試、 開箱檢測等。 檢修過程中如實做好記錄, 檢修結束后及時完成檢修總結報告, 并進行總結分析;(3)大修維護中應完成中修的全部檢修項目,開展電池箱連接器、 AGPS 以及內部檢查, 進而給出檢修總結并予以分析。
動力電池管理人員要超前、 主動、 細致、 務實地行使動力電池管理職能, 充分提高電池運轉率, 減少電池退運檢修次數, 減少備品備件更換數量, 節約檢修成本。
3 典型故障原因分析及維護方法
電池產生故障原因錯綜復雜, 在實際運行中, 須根據環境溫度、 電池制造材料、 浮充電能質量等實際情況, 采用多手段進行分析處理。 無論采取什么方式, 都應參考電池使用記錄, 估算實時電池容量及運行時間。 針對電池的典型故障, 首先需要詳細了解電池的故障現象, 制定出相對應的檢驗方案, 然后依據檢驗方案, 對電池做全面檢驗, 進而針對檢驗結果, 出具檢驗報告及建議。
3.1 電壓異常
電池在實際應用中會處于不同的工作環境,電池放電性能隨放電電流、 溫度和濕度而變化,其中放電電流對電池放電性能影響最大, 濕度影響較小。 有效地控制鋰離子電池的工作環境, 可提高電池的放電性能, 可采用一種先進的均衡充電技術方案, 提高電池的充電一致性與安全性,改善電動汽車的動力性和持續里程。
(1)電池過充。 正常單體電壓 2.8~3.7 V。 充電狀態時單體電壓超過 3.8 V, 充電仍未停止, 采用手動停止方式; 最高單體電壓介于 3.7~3.8 V為輕微過充, 可繼續使用; 最高單體電壓介于3.8~4.0 V 為一般過充, 靜置 30 min 待電壓回落至3.7 V 可繼續使用; 最高單體電壓包括或高于 4.0V 為嚴重過充, 需要返廠維修。
(2)電池過放。 最低單體電壓介于 2.4~2.8 V為輕微過放, 繼續充電即可; 最低單體電壓介于2.0~2.4 V 為 一般過放 , 需檢修人員赴現場核實并充電;最低單體電壓低于 2.0 V 為嚴重過放, 需返廠維修。
(3)單體電壓過高、 過低或一致性差。 根據電池監控屏中的數據或者使用萬用表進行測試, 正常電池充放完靜置半小時后各單體壓差不超出300 mV。
為提高電池的一致性, 從電池使用和成組篩選等方面可以采用以下措施:(1)同 一批次電池出廠前 , 以電池電壓 、 內阻等數據為標準進行參數相關性分析, 篩選相關性良好的電池, 以此來保證同批電池性能盡可能一致;(2)在動力電池成組時 , 務必保證電池采用同一類型、 同一規格、 同一型號的電池組成;(3)在電池使用過程中掌握電池中單體電池不一致性發展規律, 對極端參數電池進行及時調整或更換;(4)對檢測中容量偏低的電池進行單獨維護性充電;(5)間隔一定時間對電池進行小電流維護性充電, 促進電池組自身的均恒和性能恢復;(6)避免電池過充電, 盡量防止電池深放電;(7)保證電池良好的使用環境 , 盡量保證恒溫, 減小振動, 避免水、 塵土等污染電池極柱;(8)采用電池能量管理和均衡系統, 對電池充/放電進行智能管理。
3.2 絕緣異常
對發現絕緣異常電池, 若由于天氣潮濕導致, 則每隔 6 h 測 1 次絕緣, 3 次絕緣均正常后可繼續使用。 若天氣干燥或 3 次絕緣測試后仍未通過, 則需進一步開箱檢驗分析, 若是單體漏液所致, 則需進行單體替換。
3.3 溫度異常
監控屏中顯示的電池正常溫度為 0~55℃。 純電動車的電池恒溫調節指冬季極寒地區對電動車的電池進行升溫, 減緩在低溫環境下的放電速度, 增加持續里程。 夏季在高溫地區為電池降溫, 減緩高溫環境下內部單元的老化速度。 為延長使用壽命, 建議為電池額外增加 1 套適應各種環境溫度的恒溫調節裝置。
3.4 外觀異常
(1)電池拉弧。 正常電池的接插件完好, 卡簧無白點、 無發黑、 無毛刺等。 電池接插件插孔外圈白點或輕微黑點為輕微拉弧, 可繼續使用; 卡簧出現白點為一般拉弧, 可繼續使用觀察; 卡簧出現發黑、 斷裂、 嚴重毛刺現象為嚴重拉弧, 需要檢修人員更換動力線束。
(2)電 池箱體變形 、 箱蓋破損 , 通過更換箱體方式修復。
(3)導 向柱出現彎曲 、 松動損壞現象 , 通過更換導向柱插頭修復。
4 提高電池運行與檢修水平的措施
4.1 培養一專多能的電池運維人才
國家電網公司提出的“大檢修”與“大運行”也給電動汽車電池運行與檢修相關從業人員提出了更高的要求, 相關技術人員要懂電池運行原理,掌握電池檢測技術, 完成狀態評估并進行電池檢修, 這對運行維護人員的業務技能又是一次新的提升。因此, 需加強電池運行、 倉儲、 維護及檢修培訓制度, 對相關運行和檢修人員及時進行動力電池新技術的培訓, 特別在新型電池投入使用前, 相關人員必須經過培訓后才能上崗操作。
4.2 先進技術與實踐經驗相結合
在電池的運行與檢修中, 可以通過各種技術手段, 依托在線監測和綜合數據電池狀態自動評估與預警系統, 對電池的運行情況進行監測, 及時掌握電池的運行情況, 了解電池充電電能質量問題。 同時, 借助家族缺陷與典型故障數據庫的自動檢修決策支持系統, 定期對電池進行測試,并與電池運行監測數據進行比對, 確保電池運行在健康狀態下。此外, 可運用數理統計理論分析研究不同應用環境和使用工況下的電池組失效模式和壽命統計分布模型, 根據電池組壽命分布模型得出電池組生存函數, 預測電池剩余壽命。在電池運行與檢修管理中, 運行人員自身的經驗也很重要, 結合運行人員工作中經驗, 對簡單故障或隱患的排除有很大作用。 要及時進行經驗總結, 對工作中遇到的問題和常見解決方法進行歸納、 記錄和備案, 以便于經驗的傳承。
4.3 建立嚴格的管理制度
電池運行與檢修是一項系統而復雜的工作,必須建立一套嚴格的管理制度。 規范運行管理工作中的巡視、 調配、 抽檢以及檢修處理等工作,并建立崗位責任制、 安全責任制。
(1)明確電池運行的崗位責任制 。 對電池的調配及倉儲, 確保對應到人, 進行專人管理, 權責分明, 設立檢修領導、 檢修指揮、 技術指導、安全巡視和質量監督管理等組織機構, 職責明確, 從機構上保證檢修工作順利進行。
(2)建立嚴密的安全技術措施。 嚴格遵守電池安全調配、 安全倉儲工作等規程, 以免給運行人員人身安全帶來危險。 將充電服務區域和檢修區域隔離, 設置檢修安全通道和安全警示標識。檢修現場設立工具柜和貨架, 檢修工器具及零部件分類擺放, 整齊規范, 為檢修現場安全提供有力的保證。
(3)明確電池評價評級管理制度 。 制定檢修管理制度和電池故障檢修標準化作業指導書, 嚴格執行檢修標準化作業指導書, 做到檢修工作流程化和標準化。 根據電池特性與管理經驗, 在充換電 50 次、 100 次等節點時, 對運行電池性能進行全面檢測, 對充/換電 200 次以上電池進行開箱檢測及全面維護, 確保電池運行安全。 同時,定期對電池進行檢測和預防性試驗, 對已經檢查出缺陷的電池, 應立即處理或檢修。
5 結語
為確保電動汽車動力電池安全、 可靠運行,除了加強電池運行中的調配及倉儲, 做好預防性試驗和臨時檢修工作之外, 還要積極運用和選用新技術, 做好電池運行與檢修各項管理技術培訓工作, 才能不斷提高電動汽車動力電池檢修和運行技術水平。