Diagnosis y reparación de una batería de alta tensión

Ejemplo: Toyota Auris híbrido

Hoy día, en el parque de vehículos que podemos encontrar en la mayoría de las ciudades de nuestro país, ya es habitual encontrarnos con varios automóviles híbridos en movimiento o aprarcados en la calle. Se trata de una línea tecnológica que, cada vez más, se está imponiendo en el mercado de vehículos. La configuración del grupo motopropulsor de los automóviles híbridos utiliza dos técnicas de motores diferentes: un motor térmico y uno o varios motores eléctricos. Para alimentar y satisfacer la demanda de energía de los motores eléctricos es necesario incorporar en el vehículo una batería de alta tensión, también denominada batería de tracción.

En este post vamos a tratar la diagnosis y los trabajos de reparación necesarios a realizar en una batería de alta tensión. Para ello, nos basaremos en la batería de tracción del Toyota Auris. Se trata de una batería cuya matería activa utiliza hidruro metálico de niquel (Ni-MH). Es la misma tecnología que utiliza Toyota en la mayoría de los modelos híbridos que comercializa en España.

Batería de 201,6 voltios nominales con ventilación forzada del Toyota Auris

La arquitectura de la batería consta de 28 módulos que contienen 6 celdas de 1,2 voltios nominales cada uno. Las celdas están conectadas entre sí en serie en el interior de los módulos. Por consiguiente, hay un total de 168 celdas (6 X 28). Los 28 módulos están conectados entre sí también en serie, así que el voltaje total de la batería es de 201.6 voltios (168 X 1.2 V).

Arquitectura de la batería de tracción de Toyota

Los códigos de error más característicos que pueden ser originados cuando la batería de tracción falla son los dos siguientes: P3000, P0A80 y P0A7E. A continuación pasamos a describir el procedimiento de diagnóstico relacionado con estos códigos de avería.

- El P3000 hace referencia al sistema de control de la batería de tracción y normalmente suele ir relacionado junto a alguno de los otros dos códigos de avería mencionados.

- El P0A80 hace referencia a la sustitución completa de la batería del sistema híbrido, es decir la batería de alta tensión o batería de tracción. (Indicar que a día de hoy Toyota no suministra repuestos para la batería de tracción).

- El P0A7E hace referencia a un problema de sobrecalentamiento de la batería de tracción.

Podemos diferenciar dos casos diferentes cuando aparecen estos códigos de error en el sistema híbrido:

Caso A) Diagnóstico del código de avería P0A80 acompañado de P3000. P0A80 es un código de avería que hace referencia a los componentes principales del sistema híbrido de potencia. En este caso, debido a la importancia de la avería, es de carácter urgente proceder a diagnosticar y reparar el vehículo lo antes posible.

Síntomas: 

• Aumenta el consumo de combustible empeorando la eficiencia del vehículo.
• Se reducen las prestaciones.
• Se desactiva la potencia que aporta el sistema eléctrico al conjunto híbrido.
• Aparecen más códigos de avería relacionados como por ejemplo el P3000.

Posibles causas:

• Avería en la batería de alta tensión, causada por una celda o módulo de celdas.
• Avería en alguno de los sensores de voltaje de la batería de alta tensión.
• Resistencia excesiva de alguno de los módulos o celdas.
• Discrepancia o valores no plausibles entre los voltímetros de las parejas de módulos.
• El bus de interconexiones de la batería que comprende la instalación eléctrica de los módulos está flojo, roto, corroído o sulfatado.

- Procedimiento de diagnosis:

1º) Conectar el interface de diagnosis y consultar e identificar todos los códigos de error relativos al sistema híbrido.

2º) Consultar los parámetros del bloque de valores de medición del sistema híbrido.

3º) Identificar y seleccionar los parámetros generales del estado de carga de la batería (SOC) y la tensión total de la misma.

Estos valores nos dan una idea general del estado de salud de la batería de tracción, el voltaje total debería ser siempre superior a 200 voltios y el estado de carga de la batería (SOC) por encima del 40%. Si alguno de estos valores no concuerda es indicativo de un defecto interno y deberíamos de pasar al siguiente paso. Sin embargo, el hecho de que estos valores estén en orden no deja la batería exenta de defectos. Los códigos de avería que estamos diagnosticando peden estar memorizados aunque estos valores estén en orden.

4º) Identificar y seleccionar los 14 voltímetros de los que está provisto el diagnóstico del sistema híbrido. (Cada voltímetro verifica una pareja de módulos, es decir 12 celdas conectadas en serie denominadas bloque de batería). 

En este paso es muy interesante analizar estos valores, debemos de fijarnos que entre el valor máximo del bloque de batería con mayor voltaje y el valor mínimo del bloque de batería con menor voltaje no hay una diferencia superior a 0,40 voltios. La homogeneidad entre todos estos valores nos darán una idea muy clara de la salud de la batería de tracción. 

Como podéis observar, no solamente es posible detectar los valores de tensión máxima y mínima de los bloques de batería correspondientes, sino también ubicarlos en el orden que les corresponde en la batería.

Nota: el primer bloque de módulos comienza en el lado contrario al bloque de conexiones (relés SMR).

Lo más probable es que, habiendo obtenido el código de error P0A80, se haya superado los 0,40 voltios de diferencia, bien porque el valor sea ligeramente superior o porque uno de los voltímetros obtenga un valor mucho más bajo, incluso cero voltios. Éste resultado indicaría que es necesario sustituir la batería o desmontarla para intentar repararla (5º paso).

5º) Desmontaje de la batería de tracción. En primer lugar se procede a la desconexión de la alta tensión de la batería de tracción. Para ello es necesario llevar a cabo el procedimiento de “consignación” (consultar el procedimiento de la “consignación” en el manual de taller de Toyota). Uno de los pasos de la consignación consiste en la desconexión de la batería de alta tensión retirando el enganche de la toma de servicio.

Después podemos proceder a desmontar la batería de tracción para su verificación y reparación mediante el paso 6º.

6º) Verificación y reparación de la batería de tracción.

Con la batería de tracción desmontada, se procede a retirar las carcasas que cierran los pasajes de ventilación de la misma. Al retirar estas carcasas descubrimos el método que usa el fabricante para conectar en serie los módulos. Van conectados por parejas mediante puentes metálicos.

Método de interconexión de los módulos de la batería

Los puentes metálicos están integrados en un soporte de plástico naranja que además agrupa y guía el mazo de cables necesario para los 14 voltímetros de supervisión por parejas de módulos. Este soporte se denomina bus de interconexiones de la batería. El bus de interconexiones naranja tambien integra la instalación eléctrica para las tres NTCs que verifican la temperatura global de la batería de tracción mientras trabaja (carga y descarga).

Llegados a éste punto es muy importante verificar el estado del bus de interconexiones, comprobar que todas las tuercas de los puentes metálicos están bien apretadas y que la instalación eléctrica de los 14 voltímetros está en orden y no contiene ningún cable seccionado o desconectado (desoldado), pues de ser así estos motivos serían los causantes de haber generado el código de avería que estamos diagnosticando.

Si no hemos visto ninguna anomalía en estos puntos, a continuación procedemos a comprobar manualmente la tensión de los módulos por parejas:

Igual que decíamos antes, es importante que las lecturas obtenidas no difieran más de 0,40 voltios entre la pareja de módulos (bloque de batería) de mayor voltaje y la de menor voltaje. Con un valor de voltaje diferencial ligeramente superior a 0,40 voltios estaríamos ante la causa que a originado el código o códigos de avería que estamos diagnosticando.

El hecho de encontrarnos con un valor de voltage diferencial superior a 0,40 voltios no es necesariamente indicativo de que haya una o varias celdas estropeadas. De hecho, en el 80% de los casos el origen de este resultado no es por culpa de las celdas en sí. Normalmente es causado por la corrosión o sulfatación de los contactos de los puentes metálicos que conectan los módulos entre sí:

La formación de un halo de corrosión en la superficie de contacto de los puentes metálicos origina una resistencia. Esta resistencia causa una caída de tensión que puede ser interpretada por la unidad de control de la batería (HVBMS) como una pérdida de rendimiento en uno o varios módulos. Este efecto es típico a la hora de generar los códigos de error P0A80 y P3000. Los vehículos que padecen corrosión son más propios de residir en zonas costeras, con valores de humedad elevados o que han sufrido una inundación.

Así pues, si encontramos signos de corrosión en los puentes metálicos del bus de interconexiones podremos decidir si limpiarlos, en el caso de que la corrosión solo afecte a una o a pocas superficies de contacto de forma aislada. O sustituir los dos buses de interconexión completos con todos los puentes metálicos si el grado de corrosión es general.

Sólo en un caso reducido de vehículos, donde hayamos verificado que los puentes metálicos y la instalación de los buses de interconexión están en orden y limpios, podremos culpabilizar a la degradación de las celdas de la batería por reducir el rendimiento de la misma y generar estos códigos de avería obtenidos.

Nota: Tanto los buses de interconexión completos como los módulos por separado de la batería de alta tensión habra que buscarlos en el mercado de accesorios no oficial de Toyota (aftermarket), ya que Toyota no proporciona repuestos de la batería de manera oficial.

En algunos equipos de diagnosis tenemos la opción de consultar también el valor de la resistencia interna de cada bloque de batería (parejas de módulos). Éste es un factor importante que nos ayuda a considerar el estado de salud de los módulos de la batería y la degradación de la materia activa de las celdas con el paso del tiempo. Así pues, un módulo que destaque entre los demas con un valor alto de resistencia interna es significativo de padecer una merma a la hora de entregar su potencia eléctrica en un momento de demanda. Esto reducirá las prestaciones generales de la batería influyendo en la sobrecarga de otros módulos más saludables.

Para consultar estos parámetros es necesario seleccionar en nuestro equipo de diagnosis la batería del sistema híbrido:

A continuación buscamos los valores de las resistencias internas de los 14 bloques de batería (parejas de módulos) dentro el apartado de parámetros (valores reales de medición):

Verificando todos estos parámetros podemos detectar un módulo cuya resistencia interna destaque y sea superior a la media. Si verificando sus conexiones con el bus de interconexiones naranja comprobamos que están en orden, entonces podemos considerar que la materia activa de sus celdas se ha degradado y sería necesario sustituirlo. En el caso de haber muchos o varios módulos afectados con valores superiores a los mostrados en ésta lista de parámetros, entonces habría que considerar si reemplazarlos o sustituir la batería completa, que en determinados casos suele ser la opción más acertada.

Caso B) Diagnóstico del código de avería P0A7E que puede estar acompañado de P3000

- Síntomas: 

• Aumenta el consumo de combustible empeorando la eficiencia del vehículo.
• Se reducen las prestaciones.
• Se desactiva la potencia que aporta el sistema eléctrico al conjunto híbrido.
• Aparecen más códigos de avería relacionados como por ejemplo el P3000.

- Posibles causas:

• Avería en alguno de los sensores de temperatura de la batería de alta tensión.
• El bus de interconexiones de la batería que comprende la instalación de los módulos y la instalación de los sensores de temperatura está defectuoso, tiene alguno de sus cables seccionado o desconectado (desoldado).
• Avería o defecto de funcionamiento de la turbina del ventilador de la batería.
• Error en el programa de gestión y supervisión del módulo de control de la batería HVBMS.

- Procedimiento de diagnosis:

1º) Conectar el interface de diagnosis y consultar e identificar todos los códigos de error relativos al sistema híbrido.

2º) Consultar los parámetros del bloque de valores de medición del sistema híbrido.

3º) Identificar y seleccionar los valores de los 3 sensores de temperatura NTC de los que está provista la batería de tracción. También es interesante contrastar estos valores con el del sensor de temperatura del aire aspirado para vntilar los módulos de la batería:

Estando el ventilador desactivado, las lecturas de estos 4 sensores de temperatura deben de estar próximas. Además, si nuestro interfaz de diagnosis nos lo permite, también es interesante activar el funcionamiento de la turbina del ventilador para comprobar su funcionamiento (apartado de activaciones). De lo contrario, sería necesario aplicarle una alimentación externa para forzar su funcionamiento estando desconectado de la HVBMS en el momento de la prueba de funcionamiento.

4º) Verificación visual del ventilador y su colector.

Normalmente, en la gran mayoría de los casos, el origen que ha causado este código de avería (P0A7E) es debido al esuciamiento y la acumulación de pelos, pelusas y polvo en el colector de la turbina de ventilación de la batería, según se muestra en las siguientes imágenes:

En este caso la reparación pasa por limpiar el colector y la turbina.

Este problema ha sido causado en múltiples unidades, tanto Prius como Auris. Por consiguiente, añadir que Toyota a raíz de esto desarrolló un boletín de servicio técnico para prevenir este defecto. Se trata del boletín CP-0086T-1216. La solución que aplica Toyota con este boletin es instalar un pequeño filtro en el colector de la turbina de ventilación según se aprecia en la siguiente imagen:

Si por el contrario ocurre que la turbina del ventilador y su colector no están sucios y funcionan correctamente, entonces deberíamos comprobar los sensores de temperatura de la batería. Para ello será necesario desmontarla y pasar al paso 5º del caso A ya descrito.

6º) Verificación y reparación de los sensores de temperatura de la batería de tracción.

Con la batería de tracción desmontada, se procede a retirar las carcasas que cierran los pasajes de ventilación de la misma. En este punto es necesario que verifiquemos las líneas de fieltros aislantes que impiden que la corriente de aire creada por la turbina se escape. Entonces comprobamos que los fieltros no se han deformado ni despegado. 

A continuación localizamos la ubicación de los sensores de temperatura según se muestra en la siguiente imagen, tres sensores ubicados entre los módulos y un sensor más ubicado en el colector de admisión del conducto de ventilación de la batería:

Ubicación de los sensores de temperatura de la batería de tracción

Una vez llegado a este punto procedemos a verificar con el multímetro la instalación eléctrica de cada sensor mediante cuatro pruebas: continuidad, derivaciones (+ ; -) y cortocircuitos. Recordar que la instalación eléctrica de las 3 NTCs ubicadas entre los módulos están incluidas dentro del bus naranja de interconexiones de la batería de tracción. Si observásemos algúno de estos cables seccionado o desoldado procederíamos a su reparación.

Bueno, amigos de la electromecánica, espero que este post os quite el reparo y os anime a intervenir en trabajos de diagnóstico y reparación de las baterías de alta tensión que incorporan los modelos híbridos existentes en el parque de vehículos actual.

Nota: Para más información acerca de la batería o del Toyota Auris híbrido, consúltense los cursos de Tracción Híbrida y Toyota Auris 140 Híbrido del Campus On-Line en Grup Eina Digital.