2017款北京現(xiàn)代悅動HDc EV預充電系統(tǒng)故障

◆文/浙江 葉飛武

故障現(xiàn)象

一輛2017款北京現(xiàn)代悅動electric純電動車(車型簡稱HDc EV)，整車型號為BH7000BEVBA，VIN碼為LBEHDAWB9HZ＊＊＊＊＊＊，行駛里程為12 453km，搭載320V(SOC 8%～98%時，電壓為246.4～369.16V)鋰離子動力電池和81.4kW驅(qū)動電機。行駛過程中，儀表臺上的電動系統(tǒng)故障燈突然點亮，同時顯示“請檢查電動系統(tǒng)”、“退出READY狀態(tài)”等提示(圖1)，車輛拋錨停駛。

圖1 故障車儀表上顯示的故障信息

故障診斷與排除

接車后，首先驗證故障現(xiàn)象：點火開關(guān)電源(OFF-ACCON)轉(zhuǎn)換正常，車輛無法啟動(不能進入READY狀態(tài))。用北京現(xiàn)代車輛專用檢測儀(GDS Mobile)掃描各電控系統(tǒng)故障代碼，動力電池管理系統(tǒng)(BMS)內(nèi)故障代碼為：P1B77逆變器電容器預充電故障(圖2)。

故障碼P1B77的具體含義是：由于逆變器電容器在早期未進行適當充電，并且不能提供高壓時，記錄故障代碼P1B77，即使在主繼電器ON后，逆變器電容器的電壓仍不能達到規(guī)定范圍時，電機控制模塊(MCU)確定此情況為故障。點火開關(guān)OFF時，刪除故障代碼。

故障碼P1B77的檢測條件：在IG ON時，避免由于預充電故障導致的繼電器控制故障，或者由于高壓缺失導致的動力蓄電池故障。

圖2 BMS系統(tǒng)故障代碼

引發(fā)故障碼P1B77的可能原因有：主繼電器、預充繼電器、預充電阻、動力蓄電池模塊和BMS之間的線束、BMS、MCU，這些部件不良均會觸發(fā)故障碼P1B77。

利用專用診斷儀，讀取故障車上與故障碼P1B77有關(guān)的數(shù)據(jù)凍結(jié)幀(圖3、圖4)。對圖3數(shù)據(jù)進行分析，蓄電池DC電壓為363.9V，說明動力電池電壓正常；對圖4數(shù)據(jù)進行分析，換向器電容電壓為272V，說明逆變器電容器通過預充電路接收動力電池的電壓不足。通過二者電壓比對分析，說明高壓在一定時間內(nèi)，逆變器電容器與動力電池電壓不能達到規(guī)定的范圍值，所以產(chǎn)生故障碼P1B77。

圖3 BMS系統(tǒng)P1B77數(shù)據(jù)凍結(jié)幀1

圖4 BMS系統(tǒng)P1B77數(shù)據(jù)凍結(jié)幀2

BMS系統(tǒng)報P1B77故障碼時，從圖4側(cè)數(shù)據(jù)中可以看到故障車的絕緣電阻為1 000kΩ，說明高壓系統(tǒng)絕緣性能正常。由此，初步判斷該車故障可能是由電機控制模塊(MCU、逆變器電容器)內(nèi)部異常、高壓供電線路不良或高壓系統(tǒng)內(nèi)某部件消耗預充電流，迫使預充電路電壓降低所導致的。

操作點火開關(guān)由OFF位到READY位，通過GDS檢測儀進入BMS系統(tǒng)進行動態(tài)數(shù)據(jù)分析，蓄電池DC電壓為364V(圖5)，處于正常范圍；換向器電容電壓瞬間能升到270V(電壓過低)，但之后會很快降到0(異常)。

通過GDS檢測儀進入BMS系統(tǒng)，進行預充電路執(zhí)行器驅(qū)動測試(圖6)，操作(主繼電器(-)/預先充電繼電器同時ON)進行執(zhí)行器驅(qū)動測試，同時讀取動態(tài)數(shù)據(jù)分析。在執(zhí)行操作時，蓄電池DC電壓363.9V，處于正常范圍；蓄電池DC電流達到4.4A，電流過大；換向器電容電壓只能達到258V，電壓過低。

圖5 BMS系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)曲線

圖6 執(zhí)行器驅(qū)動測試

通過檢測分析，該車故障是因為預充電流經(jīng)過預充電阻時，而預充電阻所能承受的電流有限，負載電流過大時會降低電壓，使得經(jīng)過預充電阻的高壓下降了約100V，因此系統(tǒng)生成故障碼P1B77。

接下來逐個斷開高壓系統(tǒng)部件的方法進行故障排查。在斷開高壓接線盒端空調(diào)PTC加熱器模塊的高壓DC線時，通過GDS檢測儀進入BMS系統(tǒng)進行執(zhí)行器驅(qū)動測試和動態(tài)數(shù)據(jù)分析(圖7)，蓄電池DC電壓363.9V，屬于正常；預充電流為0，說明預充電流在mA級，恢復正常；換向器電容電壓367V，恢復正常。由此基本斷定該車故障是由于空調(diào)PTC加熱器模塊不良，消耗了4.4A的預充電流所致。

圖7 預充電正常上電測試數(shù)據(jù)

從高壓接線盒端空調(diào)PTC加熱器模塊的高壓DC線連接器處直接測量空調(diào)PTC加熱器模塊電阻，為181.9Ω(圖8)，說明空調(diào)PTC加熱器模塊內(nèi)部存在短路現(xiàn)象，持續(xù)消耗較大電流。

空調(diào)PTC加熱器模塊安裝在儀表臺內(nèi)部的暖風箱內(nèi)。為了進一步檢測，筆者又拆解了空調(diào)PTC加熱器模塊外殼，對空調(diào)PTC加熱器模塊電路進行測量。在測量其中的一個場效應管(IGBT)時發(fā)現(xiàn)，G(柵極)、c(集電極)、e(發(fā)射極)任意管腳之間的電阻值均在3Ω左右(圖9)，說明該IGBT已經(jīng)被擊穿從而發(fā)生短路，導致空調(diào)PTC加熱器模塊消耗了4.4A的預充電流，并產(chǎn)生P1B77故障碼。

圖8 測量空調(diào)PTC加熱器模塊總成電阻

圖9 測量空調(diào)PTC加熱器模塊IGBT電阻

為了進一步驗證該車故障診斷得是否準確，筆者又斷開了高壓接線盒處的空調(diào)PTC加熱器模塊高壓DC線連接器，短接高壓互鎖端子(圖10)，目的是為了避免BMS系統(tǒng)報故障碼P0A0D-高壓系統(tǒng)互鎖電路電壓高，否則高壓系統(tǒng)將無法上電，然后啟動車輛，進入READY狀態(tài)，該車故障現(xiàn)象消失。

由于沒有單獨的場效應管(IGBT)，只好更換了空調(diào)PTC加熱器模塊總成(圖11)，該車故障被徹底排除。

圖10 短接高壓接線盒端空調(diào)PTC連接器互鎖線

圖11 空調(diào)PTC加熱器模塊總成

維修小結(jié)

因預充電路系統(tǒng)故障，在用GDS檢測儀驅(qū)動測試預充電路(主繼電器-/預先充電繼電器同時ON)時，為了防止預充電阻電流過大(過熱)而損壞，在驅(qū)動測試上電時，應盡可能縮短驅(qū)動測試上電時間。

在同一PCB板(模塊)上面的場效應管(IGBT)，外圍電路形式可能會不同，在測量IBGT時，標準的測量方法是需要將IGBT從PCB板上面拆下來測量，以避免外圍電路出現(xiàn)分流導致電阻減小，使得測量的電阻值出現(xiàn)異常，引起誤判。而在該車診斷過程中，筆者沒有拆下IGBT而是在車上測量，是因為筆者對于該車空調(diào)PTC加熱器模塊的IGBT電路測量數(shù)據(jù)比較熟悉。

專家點評焦建剛

本案例故障是由于控制熱空調(diào)加熱器(PTC陶瓷發(fā)熱器)的絕緣柵雙極型晶體管短路，導致空調(diào)PTC發(fā)熱器模塊消耗了的預充電流，使得預充電電壓不能上升到動力蓄電池的額定電壓。

文章對故障現(xiàn)象的描述、分析、判斷和修理都非常正確，具有一定的參考價值。但是，文章有一個不足之處，就是對于電動汽車預充電電路的作用和工作原理沒有做介紹，讀者要深入了解什么是電動汽車的預充電還要去找資料參考。所以，筆者在此作簡單的補充。

根據(jù)電動汽車和人體安全標準規(guī)范，在最大交流工作電壓小于660V，最大直流工作電壓小于1 000V，以及整車質(zhì)量小于3 500kg的條件下，電動汽車的高壓安全要求：“對高于60V的高壓系統(tǒng)的上電過程至少需要100ms，在上電過程中應采用預充電過程來避免高壓沖擊”。為此，電動汽車預充電電路采用給電機控制器(即逆變器) 的大電容進行充電，以減少主繼電器接觸時火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。預充電電路結(jié)構(gòu)示意圖以及預充電過程波形如圖12所示。評價預充電任務完成就是在規(guī)定時間內(nèi)預充電電容C上的電壓不小于動力蓄電池的90%。由此可以看出，在高壓設計過程中，加入預充電管理是法規(guī)標準和安全設計的必然要求。

圖12 預充電電路結(jié)構(gòu)示意圖以及預充電過程波形圖