混合動力及電動汽車維修安全(上)

◆文/河北 馬金剛

近幾年，我國正在逐漸普及混合動力、純電動汽車等新能源汽車?；旌蟿恿螂妱悠嚲鶐в懈邏?，雖然特約維修站的技術(shù)人員有受到廠家的相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，但是除了特約維修站外，普通的汽車修理廠技師人員也在維修這些車輛，因此，如何保證維修安全顯得尤為重要。本文將以國外某知名車企為例，從車輛高壓系統(tǒng)部件、高壓安全與健康、安全維修制度與流程等三個方面講解如何保證電動車輛維修安全。

一、車輛高壓系統(tǒng)

1.高壓部件

帶有高壓(HV)電的汽車可分為混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)三種類型?；旌蟿恿囕v高壓部件的位置如圖1所示，插電式混合動力車輛高壓部件的位置如圖2所示，純電動車輛高壓部件的位置如圖3所示。因目前市面上，插電式混合動力車輛居多，后續(xù)部件介紹以插電式混合動力汽車為主。

圖1 混合動力車輛HV部件

①HV蓄電池充電端口；②電動空調(diào)壓縮機(EAC)；③HV電動輔助加熱器；④高壓接線盒 (HVJB) ；⑤高壓至低壓直流-直流轉(zhuǎn)換器；⑥高壓逆變器；⑦手動維修斷開裝置；⑧HV 蓄電池；⑨高壓充電器；⑩電機-發(fā)電機 (MG) ；11HV 電纜(橙色)。

圖3 純電動車輛HV部件

2.高壓電纜

為了便于識別，所有承載高壓系統(tǒng)電纜的顏色均為橙色。一般說來，當(dāng)高壓系統(tǒng)處于激活狀態(tài)時，請勿觸摸任何高壓部件或橙色電纜。每根電纜均由1個機械鎖定裝置進行固定，因此在安裝電纜時要確保電纜已完全固定，還要保證只將正確的電纜安裝到其相應(yīng)的插座上。接頭被密封，電纜被隔離，以防止異物或水的進入。

3. 插電式混合動力高壓(HV)蓄電池

高壓(HV)蓄電池的作用是存儲電能以供高壓系統(tǒng)使用。插電式混合動力高壓(HV)蓄電池標(biāo)稱電壓通常是388V。高壓蓄電池是鋰離子蓄電池，其主要部件為正電極、負電極和電解液。負電極通常由碳制成，正電極是鎳、鈷和鋁的多層結(jié)構(gòu)。每種材料都允許鋰離子在正負電極之間遷移。這些材料的組合用于提供滿足EV在功率容量和安全方面的作用的蓄電池特性。電解液包括含有鋰離子的有機碳酸鹽混合物。由于鋰能夠與水進行劇烈反應(yīng)，所以蓄電池殼體密封處理以防止進水。

4.充電插座

插電式混合動力和純電動車輛均采用一個或兩個(一個交流AC，一個直流DC)充電插座。通過充電插座，車輛可以連接至市電電源來為高壓蓄電池充電。充電插座和充電電纜隨市場的不同而異。車企提供了適用于不同充電策略(交流、直流、家用)的不同充電電纜。充電插座采用了發(fā)光二極管(LED) 和指示燈來告知用戶當(dāng)前充電狀態(tài)。

5.蓄電池充電器控制模塊(BCCM)

蓄電池充電器控制模塊(BCCM)負責(zé)確保在車輛連接至市電電源時，高壓蓄電池能夠進行充電。蓄電池充電器控制模塊會將輸入的電力轉(zhuǎn)換為對高壓蓄電池充電所需的直流(DC)電壓。

6.直流-直流(DC/DC) 轉(zhuǎn)換器

直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器利用來自高壓蓄電池的電力，將高壓轉(zhuǎn)換為12V電源電壓，為12V系統(tǒng)供電并為12V低壓蓄電池充電。注意：某些混合動力汽車車輛上的直流-直流轉(zhuǎn)換器集成在電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC) 內(nèi)。

7.電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)

電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)用于在電機和發(fā)電機之間切換電機發(fā)電機(MG) 的工作狀態(tài)。例如，將高壓電池高壓直流電轉(zhuǎn)換為電機發(fā)電機(MG)使用的交流電，以驅(qū)動電機；將電機發(fā)電機(MG)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電為高壓電池充電。該總成包含一個控制單元，該單元監(jiān)測電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)的工作狀態(tài)并調(diào)節(jié)三相交流(AC)輸出以驅(qū)動MG。

電力變頻轉(zhuǎn)換器帶有三根連接至電機發(fā)電機(MG)的HV電纜。這三根電纜均承載交流(AC)電流，這些電流以三個單獨的相位(三相)的方式流至電機發(fā)電機(MG)。

8.混合動力電機發(fā)電機(MG)

當(dāng)車輛處于混合動力或EV模式時，電機發(fā)電機(MG)為車輛提供推進力，并接收來自電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)的高壓三相交流(AC)電源。混合動力電機發(fā)電機(MG)也可以作為發(fā)電機工作，在車輛超速情形下或內(nèi)燃發(fā)動機運轉(zhuǎn)時為高壓蓄電池充電。這種充電狀況稱為再生制動。

9.BEV 電機發(fā)電機(MG)

BEV 電機發(fā)電機(MG)接收來自電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)的高壓三相交流(AC)電源，為車輛提供推進力。BEV 電機發(fā)電機(MG)也可以作為發(fā)電機工作，在車輛超速情形下或制動時為HV蓄電池充電。即再生制動。

10.電動空調(diào)(eAC)壓縮機

電動空調(diào)(eAC)壓縮機是電機操縱，使AC系統(tǒng)能夠在不啟動發(fā)動機的情況下泵送制冷劑，從而保持座艙溫度以便為乘客提供持續(xù)的舒適度設(shè)置。電動空調(diào)(eAC)也對高壓蓄電池冷卻回路進行溫度調(diào)節(jié)。

11.高壓冷卻液加熱器(HVCH)

處于EV模式時，車輛需要使用高壓冷卻液加熱器(HVCH)來為座艙提供熱量，高壓冷卻液加熱器(HVCH)由高壓電路進行供電。該裝置集成在發(fā)動機冷卻回路中。

12.高壓接線盒(HVJB)

高壓接線盒(HVJB)接收來自高壓蓄電池的電源，并將電力分配給高壓部件，例如，包括eAC壓縮機、直流-直流轉(zhuǎn)換器、AC加熱器等。當(dāng)車輛連接至電網(wǎng)供電進行充電時，高壓接線盒(HVJB)還會接收來自蓄電池充電器控制模塊(BCCM)的電源。高壓接線盒(HVJB)內(nèi)含有高壓系統(tǒng)保險絲。注意：并非所有EV車型都配備此部件。

13.手動維修斷開高壓隔離裝置

一些車輛采用了手動維修斷開(高壓斷開隔離裝置)，作為高壓斷電程序的一部分，可以拆卸該部件，以斷開高壓供電連接。手動維修斷開裝置含有一個大電流保險絲以防發(fā)生短路故障，在拆卸該裝置后，它將會隔離高壓蓄電池處的HV 電路。手動維修斷開裝置由一個低壓電流感測HVIL(高壓互鎖)電路進行監(jiān)測。注意：務(wù)必參考維修手冊以了解正確的手動維修斷開裝置接頭拆卸程序。

14.高壓(HV)電路

高壓(HV)電路部件基本電路圖如圖4所示。在汽車領(lǐng)域，高壓電路歸類為標(biāo)稱工作電壓為50V以上的直流(DC)或交流(AC)電路。電動車(EV)上使用的高壓電路的連接方式與傳統(tǒng)低壓12V電路不同，詳見后述。在對高壓系統(tǒng)執(zhí)行工作時，必須要格外小心。

圖4 高壓(HV)電路部件基本電路

高壓電路結(jié)構(gòu)由I和M兩個字母識別，字母I用于識別電源是否與接地點直接相連，字母M用于識別耗電元件是否直接連接到接地點，即I為未直接連接到地面(與地面絕緣)，T為直接連接到地面，而N為在電源處直接連接到地線，零線連接至地面。所以，高壓網(wǎng)絡(luò)共有三種配置，即TN、TT或IT。從高壓的安全性的容錯考慮，高壓混合動力車輛一般采用IT結(jié)構(gòu)，即I為高壓電源(無論是正還是負)與車體絕緣；T為耗電元件直接連接到車體。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

由以上介紹可知，出于安全考慮，高壓電路未使用典12V電路中使用的接地回路連接，高壓回路低壓側(cè)與車身/底盤隔離。這是因為如高壓電路使用了車身，則將會存在發(fā)生電擊的高風(fēng)險。高壓部件外殼連接至車身/底盤，這樣設(shè)計是為了在高壓系統(tǒng)中發(fā)生電氣故障時保證安全。等電位連接系統(tǒng)將耗電元件殼體連接至車身。每個高壓部件都是等電位連接系統(tǒng)的組成部分，其連接是直接通過帶狀搭鐵線實現(xiàn)或經(jīng)由自身殼體固定連接實現(xiàn)的。例如，在一些車型上，電動空調(diào)壓縮機直接連接至發(fā)動機，發(fā)動機具有將其自身連接至車身/底盤的帶狀搭鐵線。

圖5 IT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

15.高壓互鎖(HVIL)

高壓互鎖回路是一個安全系統(tǒng)，用于防止高壓電纜在因為任何原因斷開時帶電。高壓互鎖回路由蓄電池電量控制模塊(BECM)進行控制。高壓互鎖電路如圖6所示。高壓互鎖環(huán)路電路集成在HV部件接頭電路中。該環(huán)路電路用于監(jiān)測HV部件連接，這些線束連接與其對應(yīng)的部件牢固相連。每個環(huán)路都有一個12V，10mA傳感器電路，該電路由電量控制模塊進行監(jiān)測。如果任何環(huán)路發(fā)生斷路，則電量控制模塊將會報告高壓互鎖故障。以插電式混合動力汽車為例，如果發(fā)生故障，則電量控制模塊會將高壓互鎖環(huán)路狀態(tài)發(fā)送至動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)。動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)將會請求電量控制模塊打開高壓蓄電池接觸器(取決于下面所述的車輛工作狀態(tài))，從高壓電路上斷開和隔離高壓蓄電池，并讓高壓電路電容器進行放電。如果在車輛待機狀態(tài)下發(fā)生故障，則HVB接觸器將保持打開。如果在運行狀態(tài)下發(fā)生故障，則接觸器將會在車輛靜止時打開。

電量控制模塊(BECM)利用兩個獨立的高壓互鎖電路，如果任何一個電路中發(fā)生故障，可以確定需要對哪個接頭進行故障分析(DTC故障代碼不同)。如果車輛發(fā)生事故，則約束控制模塊(RCM)將會向電量控制模塊(BECM)發(fā)送“碰撞信號”。在收到約束控制模塊(RCM)信號后，電量控制模塊(BECM)將會打開高壓蓄電池接觸器。

①HV 蓄電池和模塊；②HV蓄電池接頭；③電動空調(diào)(A/C)壓縮機；④高壓冷卻液加熱器 (HVCH)；⑤蓄電池充電器控制模塊(BCCM)；⑥直流-直流轉(zhuǎn)換器；⑦約束控制模塊(RCM)；⑧電流感測；⑨高壓接頭；⑩高壓接線盒(HVJB)；11 碰撞檢測信號；12電阻器。

16.高壓HV 系統(tǒng)故障

HV蓄電池由一體式蓄電池電量控制模塊(BECM)進行管理，后者通過12V電氣系統(tǒng)進行操作和通信。低壓12V接觸器可將高壓蓄電池與高壓系統(tǒng)隔開。電量控制模塊(BECM)提供控制電子設(shè)備來關(guān)閉或打開接觸器，以便連接或斷開高壓蓄電池與高壓系統(tǒng)之間的連接。該接觸器對系統(tǒng)的安全操作發(fā)揮著重要作用，因此其活動會受到密切監(jiān)測。任何接觸器激活前，電量控制模塊(BECM)都會遵照嚴(yán)格的安全流程。打開點火開關(guān)后，電量控制模塊(BECM)將會進行多項安全檢查，然后才會激活接觸器。關(guān)閉點火開關(guān)后，接觸器將會打開，任何高壓電纜上都不應(yīng)該存在任何高壓。高壓HV及內(nèi)部接觸器如圖7所示。

圖7 高壓HV及內(nèi)部接觸器

如果電量控制模塊(BECM)檢測到蓄電池管理系統(tǒng)出現(xiàn)任何問題，則將會記錄相應(yīng)的故障診斷碼(DTC)，儀表盤(IC)上將會顯示警告圖標(biāo)。故障代碼類別列于表1。

表1 故障碼類別

(1)非嚴(yán)重故障

儀表盤(IC)顯示1個琥珀色三角警示牌，并附有相應(yīng)的文本信息，以告知駕駛員在當(dāng)前車輛狀況下HV 系統(tǒng)不可用。如果車輛狀況發(fā)生改變，指示燈將會熄滅，高壓系統(tǒng)將變?yōu)榭捎?。如果指示燈一直亮著，駕駛員仍可駕駛車輛，但可以選擇參閱車主手冊和/或安排故障維修。呈現(xiàn)這種問題的車輛狀況示例為：當(dāng)高壓蓄電池溫度過低時。

(2)嚴(yán)重故障

儀表盤(IC)顯示1個紅色三角警示牌，并附有相應(yīng)的文本信息，以告知駕駛員高壓系統(tǒng)不可用。相關(guān)故障將是永久性的，無法自行修復(fù)。只有糾正車輛的故障，高壓系統(tǒng)才能正常工作。呈現(xiàn)這種故障的車輛狀況示例為：高壓電纜連接不牢固(高壓互鎖電路打開)。

(3)檢測到接觸器粘連

如果電量控制模塊(BECM)確認接觸器在被指令打開時未打開，則儀表盤上將顯示。如果接觸器粘連在關(guān)閉位置，則HV電纜可能保持帶電狀態(tài)，在這種情況下，必須將車輛隔離，嚴(yán)禁嘗試執(zhí)行HV系統(tǒng)斷電程序。務(wù)必確保查閱認可的《車間維修手冊》程序，并遵循其中的建議。

二、電氣架構(gòu)的電氣故障

1.故障1

如圖8所示，如果高壓帶電側(cè)因故障與用電器殼體相連，人是否會中電？答案是：否。在IT網(wǎng)絡(luò)中，帶電線路和中性線與接地線路絕緣，而耗電設(shè)備殼體被單獨接地。盡管帶電導(dǎo)體已與金屬殼體相連接，電流構(gòu)不成回路，無電流通過。HV電路將保持完好狀態(tài)，并且仍然能夠工作，并且無觸電的風(fēng)險?？梢姡讼到y(tǒng)具有容錯并且非常安全的配置。但是，故障發(fā)生后，系統(tǒng)架構(gòu)已發(fā)生變化，雖然系統(tǒng)仍然將保持完好且可運行的狀態(tài)，電路的安全系數(shù)將會降低。為了克服這個問題，車輛使用了一個絕緣監(jiān)測裝置，用于在出現(xiàn)這種情況后提醒用戶，此時用戶需要尋求技術(shù)幫助來檢查系統(tǒng)，必要時進行維修。

圖8 電氣故障1

2.故障2

如圖9所示，如果高壓帶電側(cè)因故障與用電器1殼體相連，高壓中性側(cè)因故障與用電器2殼體相連，等電位連接線連接良好，接觸的人是否會觸電？答案是：否。電流將會流過等電位連接線并造成短路，從而導(dǎo)致HV 系統(tǒng)中的保險絲熔斷和失效。

圖9 電氣故障2

3.故障3

如圖10所示，在故障2的基礎(chǔ)上，如果兩個用電器的等電位連接線都斷開，與兩個耗電設(shè)備殼體接觸的人是否會觸電？答案是：是。與兩個耗電元件殼體接觸的人員將會遭受電擊，因為他們提供了從電源至負極的導(dǎo)電路徑。電流將會繼續(xù)流過該人員的身體。

①高壓正極；②高壓負極；③用電設(shè)備殼體；④等電位連接。

綜上，高壓系統(tǒng)的所有電氣部件都有一個接至車輛底盤的電氣接地連接。這將確保不會因為高壓部件和金屬底盤部件之間的壓差產(chǎn)生電擊。具有單獨的電氣接地的高壓部件包括：高壓蓄電池、電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)、直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器、蓄電池充電器控制模塊(BCCM)、高壓接線盒(HVJB)、高壓冷卻液加熱器、電動空調(diào)(A/C)壓縮機和混合動力驅(qū)動總成(包括電動發(fā)電機MG)使用發(fā)動機和變速器接地連接。