雷凌混合動(dòng)力轎車動(dòng)力系統(tǒng)故障引起的運(yùn)行后偶發(fā)停機(jī)故障診斷排除

張 發(fā)

（廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校， 廣東 廣州 510440）

1 廣汽豐田雷凌混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本構(gòu)成與驅(qū)動(dòng)原理

雷凌混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由混合動(dòng)力傳動(dòng)橋總成、高壓蓄電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)總成、電機(jī)發(fā)電機(jī) （MG1、MG2）、帶轉(zhuǎn)換器的變頻器總成、帶轉(zhuǎn)換器的壓縮機(jī)總成以及輔助電池等組成。車上的位置布置如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力連接關(guān)系如圖2所示。

1） 發(fā)動(dòng)機(jī)總成

雷凌雙擎車輛采用8ZR-FXE阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間被延遲，延遲了實(shí)際壓縮行程，壓縮行程小于膨脹行程，所以熱效率更高、油耗低，扭矩降低需要電機(jī)輔助。

HV ECU向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送信號(hào) （目標(biāo)轉(zhuǎn)速和需求扭矩），發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)HV ECU的要求控制節(jié)氣門、燃油噴射量、點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)HV ECU發(fā)出停止信號(hào)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制其停止工作［1］。

2） 混合動(dòng)力傳動(dòng)橋總成

傳動(dòng)橋總成由復(fù)合齒輪單元、MG1、MG2、油泵、主減速器以及差速器等組成，其中復(fù)合齒輪裝置由動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)齒輪連接至MG1，行星齒輪支架連接至發(fā)動(dòng)機(jī)，齒圈連接動(dòng)力輸出至車輪，電動(dòng)機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)齒輪連接至MG2，行星齒輪支架固定至傳動(dòng)橋外殼，齒圈連接至復(fù)合齒輪，如圖3所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)布置圖

圖2 混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力連接關(guān)系圖

圖3 混合動(dòng)力傳動(dòng)橋的組成結(jié)構(gòu)

在車輛行駛時(shí)，動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)在MG1 （用于發(fā)電） 和車輪之間分配發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，如圖4所示；在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，將MG1驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（用于起動(dòng)），如圖5所示。行駛時(shí)MG2用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪，電動(dòng)機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)降低MG2的轉(zhuǎn)速，從而可利用緊湊、輕量的電機(jī)產(chǎn)生較大的扭矩。此外，減速時(shí)利用其再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量回收?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)橋利用電動(dòng)機(jī)無(wú)極變速變扭的特性達(dá)成無(wú)極變速器的功能，故該傳動(dòng)橋又稱為E-CVT變速器。

圖4 車輛行駛時(shí)

圖5 起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)

MG1、MG2均為三相交流永磁同步電機(jī)，配備定子線圈溫度傳感器、轉(zhuǎn)子解析器。其中，解析器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置、方向、轉(zhuǎn)速，是電機(jī)運(yùn)行的基本條件之一。

3） 混合動(dòng)力電池

HV電池為鎳氫蓄電池，由28個(gè)模塊串聯(lián)組成，每個(gè)模塊7.2V，總電壓為201.6V，電池智能管理單元將SOC控制在規(guī)定范圍，目標(biāo)SOC為60%。

4） 變頻器

變頻器由4部分組成，分別為：增壓轉(zhuǎn)化器，將HV電池組201.6V的直流電轉(zhuǎn)變成最高650V的高壓直流電；逆變器，將升壓后的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，給電動(dòng)機(jī)提供電能；整流器，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流成直流電后給HV電池充電；DC/DC轉(zhuǎn)換器，將HV蓄電池或發(fā)電機(jī)發(fā)出的201.6V直流電減壓至14V，給輔助蓄電池充電，并為車輛輔助設(shè)備、電子部件及發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供電能。

5） THS-Ⅱ電氣控制系統(tǒng)

THS-Ⅱ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，它可分為高壓電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下控制：監(jiān)控混合動(dòng)力組成部分的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；監(jiān)控通過車載網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的制動(dòng)信息；監(jiān)控駕駛者操作的指令；監(jiān)控輔助駕駛設(shè)備的能量消耗。THS-Ⅱ系統(tǒng)的控制功能如表1所示。

圖6 THS-Ⅱ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 雷凌混合動(dòng)力系統(tǒng)列線圖

2 應(yīng)用“列線圖”分析混合動(dòng)力傳動(dòng)橋動(dòng)力分配與工況

列線圖是諾謨圖的一種，用以表達(dá)代數(shù)方程各變量相互關(guān)系的一種圖形。列線圖直觀再現(xiàn)了行星齒輪的工作情況，故障發(fā)生時(shí)存儲(chǔ)的定格數(shù)據(jù)主要用于分析發(fā)生故障時(shí)存在何種駕駛條件［2］。

如圖7所示，縱軸表示旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速；縱軸的間距表示傳動(dòng)比，在雷凌P410傳動(dòng)橋中動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為0.72:0.28，電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為2.64:1；箭頭表示扭矩方向。紅色箭頭 （正扭矩） 表示MG作為電動(dòng)機(jī)工作，藍(lán)色箭頭 （負(fù)扭矩） 表示MG作為發(fā)電機(jī)工作。如果MG1和MG2的旋轉(zhuǎn)方向和扭矩方向相同，則系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。如果方向相反，則系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。

如根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可以繪制出列線圖 （圖8），可判定車輛同時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)和MG2驅(qū)動(dòng)，MG1正在產(chǎn)生電能時(shí)出現(xiàn)故障。嘗試再現(xiàn)故障時(shí)可以使用這些結(jié)果，也可以作為分析故障范圍的依據(jù)。

表1 THS-Ⅱ系統(tǒng)的控制功能表

表2 某DTC下定格數(shù)據(jù)

圖8 表2工況列線圖

3 故障案例

3.1 案例1

一輛2016款廣汽豐田雷凌混合動(dòng)力轎車，行駛里程為4.2萬(wàn)公里，因偶爾無(wú)法行駛到店保修?？蛻舴从常涸撥嚺紶柍霈F(xiàn)無(wú)法行駛的故障，同時(shí)組合儀表上的主報(bào)警燈、發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈等多個(gè)指示燈點(diǎn)亮，且多功能顯示屏提示“混合動(dòng)力系統(tǒng)故障，換至P擋，請(qǐng)參見維修手冊(cè)”，如圖9所示。

圖9 車輛儀表顯示

查閱該車型廠家培訓(xùn)資料，混合動(dòng)力系統(tǒng)控制裝置失效保護(hù)表［3］如圖10所示。

圖10 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制裝置失效保護(hù)表

初步判斷故障范圍在電機(jī)、電機(jī)控制器、混合動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等方面。由于故障涉及動(dòng)力中斷、停機(jī)等情況且均為偶發(fā)性，給試車帶來(lái)了一定的困難和安全隱患。由于沒有較好的試車場(chǎng)所與環(huán)境，技師團(tuán)隊(duì)決定先從故障碼、定格數(shù)據(jù)入手，先界定混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩大動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)中發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2的工作狀態(tài)。

1） 問診故障發(fā)生場(chǎng)景、過往維修記錄，獲知該車在半年前發(fā)生了一次碰撞事故，曾更換了前保險(xiǎn)杠和左前翼子板，故障發(fā)生在近期暴雨天氣。驗(yàn)證故障現(xiàn)象，組合儀表上READY指示燈正常點(diǎn)亮，觀察無(wú)任何故障指示燈點(diǎn)亮，車輛能夠正常行駛，基于偶發(fā)性及試車環(huán)境 （無(wú)暴雨天氣），試車重現(xiàn)故障暫且擱置。

2） 使用豐田專用診斷儀GTS讀取故障碼，無(wú)當(dāng)前碼，歷史碼顯示為：P0A3F21——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)“A”位置傳感器信號(hào)振幅＜最?。籔1CAD49——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)“A”位置傳感器內(nèi)部電子故障。

3） 讀取待定定格數(shù)據(jù)，篩選相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 相關(guān)定格數(shù)據(jù)

4） 運(yùn)用“列線圖”分析，當(dāng)前車輛處于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前行，MG1處于發(fā)電狀態(tài)，MG2處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。基于該車輛驅(qū)動(dòng)原理，處于定速巡航階段應(yīng)該為發(fā)動(dòng)機(jī)、MG2共同驅(qū)動(dòng)車輛，MG1發(fā)電供MG2使用，同時(shí)控制SOC在60%的目標(biāo)范圍左右。而當(dāng)前SOC處于控制上極限 （約80%），HV控制單元不允許MG1繼續(xù)發(fā)電繼而控制系統(tǒng)停機(jī)，從而可以鎖定故障范圍在MG2無(wú)法正常工作。

5） 分析待定故障碼設(shè)置條件及故障可能部位，均與電機(jī)解析器有關(guān)。根據(jù)維修手冊(cè)指引，MG2電動(dòng)機(jī)解析器可能是造成故障的原因，檢查電動(dòng)機(jī)解析器內(nèi)部電阻以及逆變器至解析器的連接情況，經(jīng)檢測(cè)相關(guān)測(cè)量值 （表4） 均符合規(guī)定狀態(tài)。

表4 相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)

6） 由于偶發(fā)故障，基于以上診斷分析與問診情況，決定用高壓水槍重點(diǎn)對(duì)車輛左前側(cè)進(jìn)行淋雨測(cè)試，儀表MIL、主報(bào)警燈均點(diǎn)亮，從而堅(jiān)定對(duì)MG2解析器線路、連接器進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)MG2解析器防水膠塞已缺失，仔細(xì)檢查MG2解析器端子發(fā)現(xiàn)有輕微氧化腐蝕。

7） 使用除銹劑清理端子上的氧化物，更換MG2解析器導(dǎo)線連接器，清除故障碼。再次用高壓水槍進(jìn)行淋雨測(cè)試，故障現(xiàn)象不再出現(xiàn)。交車1個(gè)月后回訪，客戶反映一切正常。

3.2 案例2

一輛2017年產(chǎn)雷凌轎車，車主為某平臺(tái)網(wǎng)約車用戶，行駛里程為8.7萬(wàn)公里?？蛻舴从常很囕v有時(shí)需操作2～3次才能起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，且加速不如以前，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮；運(yùn)行過程中偶爾出現(xiàn)車輛電量不足，請(qǐng)及時(shí)充電的提示信息。一次高速行駛出現(xiàn)車速?gòu)?0km/h左右瞬時(shí)下降至40km/h左右，停車后恢復(fù)。因故障嚴(yán)重影響行車安全，車主就近下高速后致電保險(xiǎn)公司拖車到店保修。

1） 問診故障發(fā)生場(chǎng)景、頻率、過往維修記錄等信息，車主因擔(dān)心廠家不給保修隱瞞了曾在外進(jìn)行了追尾交通事故維修。

2） 使用診斷儀讀取故障碼，顯示U0120、U0164、B124B、P3190等多個(gè)故障碼，清除再次讀取出P3190發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足的故障碼。

3） 讀取定格數(shù)據(jù)，篩選相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

表5 相關(guān)定格數(shù)據(jù)

4） 運(yùn)用“列線圖”分析，當(dāng)前車輛處于MG2驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，MG1處于起動(dòng)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)?；谠撥囕v驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)SOC下降時(shí)，MG1會(huì)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛同時(shí)帶動(dòng)MG1發(fā)電，控制SOC在60%的目標(biāo)范圍左右。而當(dāng)前SOC為36.6%處于接近控制下極限，HV控制單元不允許MG2繼續(xù)用電繼而控制系統(tǒng)停機(jī)，從而可以鎖定故障范圍在發(fā)動(dòng)機(jī)未能正常工作。值得說(shuō)明的是，在試車過程中未能直觀感受到發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)瞬間感受到為較強(qiáng)力制動(dòng)感。

5） 分析故障碼P3190設(shè)置條件及故障可能部位、診斷流程，總結(jié)出如下檢查流程［4］，如圖11所示。

6） 按檢查計(jì)劃實(shí)施檢查，進(jìn)入保養(yǎng)模式強(qiáng)制起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在60s內(nèi)執(zhí)行：將電源開關(guān)置于IG-ON位置，選擇駐車擋P時(shí)，2次完全踩下加速踏板；選擇空擋N時(shí)，2次完全踩下加速踏板；選擇駐車擋P時(shí)，2次完全踩下加速踏板。踩下制動(dòng)踏板時(shí)，通過將電源開關(guān)置于ON （READY） 位置起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。檢查燃油壓力正常，進(jìn)氣系統(tǒng)未見漏氣，空氣流量計(jì)靜態(tài)數(shù)值起動(dòng)后響應(yīng)均正常。短期燃油修正為5%，長(zhǎng)期燃油修正為3%，屬正常。后對(duì)缸壓、火花塞、噴油嘴等部件均進(jìn)行了檢查，用內(nèi)窺鏡子檢查氣門積碳未見異常。

圖11 P3190故障診斷計(jì)劃程序

7） 將車輛進(jìn)入保養(yǎng)模式，接上診斷儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄制。過程中采用頻繁過減速帶的方式模擬振動(dòng)等因素，故障得以再現(xiàn)。查看定格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)瞬間燃油壓力為0，初步判定故障點(diǎn)在燃油泵線路上。

8） 查找燃油泵控制電路，仔細(xì)檢查相關(guān)繼電器、連接器、搭鐵點(diǎn)，最終發(fā)現(xiàn)燃油泵搭鐵點(diǎn)LF存在虛接 （圖12）。緊固該搭鐵點(diǎn)后，重復(fù)步驟7，HV電池SOC恢復(fù)目標(biāo)值附近。經(jīng)與車主反饋，確認(rèn)該車事故維修經(jīng)歷，其追尾撞擊位置包括該搭鐵點(diǎn)LF處，交車1個(gè)月后回訪，客戶反映一切正常。

圖12 燃油泵搭鐵點(diǎn)位置

4 總結(jié)

本文詳細(xì)講述了2例廣汽豐田雷凌混合動(dòng)力轎車動(dòng)力系統(tǒng)故障的診斷與排除，一例是出現(xiàn)動(dòng)力不足、偶爾無(wú)法行駛，另一例出現(xiàn)運(yùn)行后偶發(fā)停機(jī)故障，由于故障現(xiàn)象具有相似性且均為偶發(fā)性，故障范圍涵蓋涉及發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)，覆蓋了油電混合車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩種動(dòng)力源。油電混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)的診斷區(qū)別于燃油汽車的單一動(dòng)力源，且混聯(lián)式混合動(dòng)力動(dòng)力源間能量存在相互轉(zhuǎn)換，在不同工況下動(dòng)力分配不同方式，充分理解混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)的工作原理，是診斷行駛故障的基本能力要求。應(yīng)用列線圖能直觀再現(xiàn)各動(dòng)力部件工作情況或駕駛條件，故障發(fā)生時(shí)利用存儲(chǔ)的定格數(shù)據(jù)分析發(fā)生故障時(shí)存在何種駕駛條件。列線圖既可以幫助加深對(duì)混合動(dòng)力分配的理解，又可以用于分析故障發(fā)生時(shí)的車輛工況，為鎖定動(dòng)力故障類的故障范圍提供指引。

回顧前文圖10，當(dāng)MG2發(fā)生故障時(shí)，車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，MG1會(huì)發(fā)電，車輛在此狀況下可運(yùn)行至高壓蓄電池SOC控制上限，系統(tǒng)會(huì)停機(jī)工作；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，車輛只能由MG2驅(qū)動(dòng)，受HV電池容量及SOC控制下限，車輛只能較低速運(yùn)行幾公里。其在列線圖上可以表示為圖13、圖14。

圖13 MG2故障引起的運(yùn)行停機(jī)

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)故障引起的運(yùn)行停機(jī)

對(duì)于偶發(fā)性故障，尤其是動(dòng)力行駛類故障，對(duì)于試車的環(huán)境等要求較高，如果能明確故障發(fā)生工況、可能觸發(fā)條件，再針對(duì)性地創(chuàng)設(shè)條件模擬試車，才能避免事倍功半。案例中滲水腐蝕、虛接等誘因在偶發(fā)故障中較為典型，此類故障觸發(fā)情景需技師在問診過程中有意識(shí)地挖掘。兩個(gè)案例的故障點(diǎn)均可以追溯到事故車的維修歷史，事故車維修過程的品質(zhì)意識(shí)與品質(zhì)監(jiān)管有待改善。

當(dāng)前混合動(dòng)力汽車作為新能源與節(jié)能汽車的典型技術(shù)路線，混合動(dòng)力汽車其動(dòng)力系統(tǒng)較燃油汽車更為復(fù)雜，加之保有量為近年來(lái)才逐步提升，占混動(dòng)汽車銷量的主體車企在該領(lǐng)域技術(shù)成熟度較高，進(jìn)廠維修案例較少。對(duì)車型的基本控制原理理解，區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車的方法掌握，維修經(jīng)驗(yàn)案例積累均有待提高。