一種電動壓縮機CAN 控制策略及故障處理方法研究

陳 俊， 葉新偉， 戴伶俐， 鮑建名

（1.濰柴動力股份有限公司， 上海 201100；2.上海光裕汽車空調(diào)壓縮機有限公司， 上海 201807）

在傳統(tǒng)動力車型上， 空調(diào)壓縮機大多固定在發(fā)動機輪系中， 由發(fā)動機提供制冷劑循環(huán)的動力； 在新能源車型上，電動空調(diào)壓縮機通過高壓電驅(qū)動壓縮機內(nèi)部的電機， 電機旋轉(zhuǎn)提供制冷劑的循環(huán)動力。 相比傳統(tǒng)的機械壓縮機， 電動壓縮機在結(jié)構上多了控制器、 電機等部分， 在控制方法上也有PWM、 ON/OFF、 CAN等方式， 由于其可布置位置、結(jié)構件、 控制方法都變得多樣化， 電動空調(diào)壓縮機在發(fā)生故障時也較難排查。

W公司在氫燃料電池車型 （下文稱FCV）、 純電動車型（下文稱BEV） 空調(diào)系統(tǒng)上設計了同一套CAN控制策略， 當用戶通過位于乘員艙內(nèi)的空調(diào)控制器發(fā)出制冷請求時， 空調(diào)控制器會將制冷請求轉(zhuǎn)為CAN報文， 電動壓縮機在接收到CAN報文后執(zhí)行相應的指令， 同時， 電動壓縮機會通過CAN線將壓縮機當前工作的狀態(tài)發(fā)送到CAN網(wǎng)絡中。

1 電動壓縮機CAN控制策略及電器原理圖

1.1 CAN網(wǎng)絡拓撲圖

FCV、 BEV的CAN網(wǎng)絡拓撲如圖1 所示， 分別為車身CAN、 動力CAN、 充電CAN。 其中， VCU、 儀表、 ABS、 行駛記錄儀、 BCM、 DCM、 遠程終端、 換擋手柄、 空調(diào)面板、空調(diào)壓縮機、 低速行人報警、 BMS 在車身CAN 網(wǎng)絡中；VCU、 OBD、 五合一在動力CAN網(wǎng)絡中； 快充和BMS在充電CAN網(wǎng)絡中。 VCU和BMS具有網(wǎng)管能力， 分別傳遞給各自對應的兩路CAN網(wǎng)絡信息。

圖1 網(wǎng)絡拓撲示意

車身CAN網(wǎng)絡上2個120Ω終端電阻在VCU和BMS中， 動力CAN網(wǎng)絡上2個120Ω終端電阻在VCU和五合一中， 快充CAN網(wǎng)絡上2個120Ω終端電阻在快充和BMS中。 由于3個CAN網(wǎng)絡各有2個120Ω的電阻并聯(lián)， 當整車低壓電下電后，測試低壓接插件CAN H和CAN L針腳間的電阻約為60Ω。

1.2 CAN控制策略

空調(diào)面板與空調(diào)壓縮機之間基于J1939的協(xié)議進行通信， CAN總線速率： 250kb/s； 發(fā)送周期100ms。 空調(diào)面板發(fā)出的信號與空調(diào)壓縮機反饋的信號都為單幀信號， 每幀信號帶有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)， 這樣可以使所有空調(diào)控制信息和反饋信息均在單幀內(nèi)完成。

空調(diào)面板的通信ID為： 0x1801EFF8， 空調(diào)壓縮機的通信ID為： 0x1801F8EF， 表1和表2為空調(diào)面板與空調(diào)壓縮機的通信矩陣表。 空調(diào)面板將空調(diào)壓縮機的目標轉(zhuǎn)速、 最大允許功率、 壓縮機的開關機命令通過CAN線發(fā)送至網(wǎng)絡上，空調(diào)壓縮機在收到報文后通過CAN線將壓縮機的溫度、 轉(zhuǎn)速、 功率和故障信息發(fā)送至總線， 實現(xiàn)信號采集、 故障報警、 過溫保護、 過壓/欠壓保護、 過流保護、 短路保護及反接保護等功能。

表1 空調(diào)面板的CAN通信矩陣表

表2 空調(diào)壓縮機的CAN通信矩陣表

1.3 空調(diào)制冷系統(tǒng)組成

FCV、 BEV的空調(diào)制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車基本相同， 都是由壓縮機、 冷凝器總成、 高低壓管路、 蒸發(fā)器總成等組成機械部件， 三態(tài)壓力開關、 蒸發(fā)器溫度傳感器、 空調(diào)控制器、 鼓風機/冷凝風機等組成電器件。 但新能源車型中電動壓縮機結(jié)構有所不同， 它通過高壓電驅(qū)動， 內(nèi)部的電控組件、 電機、 壓縮機完全隔離， 外部高低壓接插件直接固定到殼體上， 總成防護等級達到IP67。

如圖2所示， BEV的電動壓縮機布置于發(fā)動機艙內(nèi)， 在高度上與上輪眉相齊， 在FCV中發(fā)動機艙被氫燃料電池占據(jù)， 電動壓縮機布置于車架右側(cè)、 燃料電池散熱器內(nèi)側(cè)，空調(diào)系統(tǒng)其余部件不再綴述。

圖2 新能源車型中電動壓縮機布置位置示意

1.4 空調(diào)電器原理圖及控制邏輯

空調(diào)系統(tǒng)的電器原理圖如圖3所示， 在冷媒壓力正常、EAT （蒸發(fā)器溫度傳感器） 正常、 空調(diào)處于制冷需求、 鼓風機處于工作狀態(tài)時， 電動壓縮機才可以工作。

圖3 新能源車型中空調(diào)電器原理圖示意

在電器原理上， A2與A14腳分別與高低壓開關相連，這兩個針腳接通后表示冷媒的壓力正常； A16和A20腳分別與EAT的兩個針腳相連， 當其反饋電壓正常表示EAT正常；A3腳的電壓反饋在合適區(qū)間代表空調(diào)處于制冷需求； A15反饋鼓風機的工作狀態(tài)， 當為高電平代表鼓風機正常。 在以上條件都滿足的情況下， 空調(diào)面板的AC按鍵按下， 空調(diào)控制器會向電動壓縮機發(fā)出0x01的工作指令， 當空調(diào)控制器再發(fā)出轉(zhuǎn)速信號時， 電動壓縮機會結(jié)合使能信號和轉(zhuǎn)速信號進入工作狀態(tài)。

電動壓縮機上有高、 低壓共2個接插件， 其中低壓側(cè)有6個針腳， 除了2個針腳空置外， 其余分別為24V電源正、負極、 CAN L和CAN H； 高壓側(cè)有2個引腳， 分別為電源正、 電源負， 另外還有高壓互鎖針腳。 整車預充結(jié)束后，壓縮機高壓、 低壓即接通電源， 但其工作與否由空調(diào)控制器發(fā)出CAN線指令決定。

2 故障處理案例及分析

BEV在20年5月下線評審時， 出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)制冷功能關閉后無法再次開啟， 且在關閉空調(diào)時發(fā)動機艙冒出大量白煙； FCV在20年9月路試至2180km時， 出現(xiàn)空調(diào)制冷功能失效， 失效時未見明顯異?，F(xiàn)象。

2.1 故障診斷步驟

目前針對新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測設備， 主要有絕緣電阻儀、 萬用表和CAN診斷儀。 在檢修時， 首先需要與車輛使用者溝通， 做好故障現(xiàn)象、 發(fā)生的時間和頻率，有無特殊操作方法的記錄； 其次， 對空調(diào)系統(tǒng)各個組件進行目視檢查， 查看是否有明顯機械或者電氣損壞的痕跡。最后， 根據(jù)新能源車型特點對系統(tǒng)報文進行排查， 并根據(jù)報文提示結(jié)合控制邏輯及電器原理對報文定位的零件進行排查。

2.2 故障排查及分析

對發(fā)生故障的FCV、 BEV進行目視檢查并拍照記錄，發(fā)現(xiàn)兩輛車空調(diào)系統(tǒng)的電器件未見明顯損壞， 壓縮機、 風機的線束未見接插不良。 但BEV的壓縮機后部及鈑金表面有油污痕跡， 而FCV的壓縮機殼體表面有些泥污且外側(cè)的燃料電池散熱器表面濕度很大。

2.2.1 對BEV進行故障排查及分析

將制冷劑壓力表接入系統(tǒng)中， 顯示系統(tǒng)壓力為4bar稍低于正常值。 接著打開空調(diào)控制面板的風量旋鈕， 并按下AC制冷按鍵， 分析報文發(fā)現(xiàn)， 空調(diào)控制器發(fā)出的啟動、 轉(zhuǎn)速指令均正常， 但電動壓縮機端反饋報文為： 壓縮機實際轉(zhuǎn)速： 0x00； 壓縮機狀態(tài)： 0x03； 第4字節(jié)無對應故障代碼； 第7字節(jié)壓縮電壓反饋0x8C， 轉(zhuǎn)化后為560V。 由于空調(diào)控制器已經(jīng)發(fā)出報文， 代表系統(tǒng)制冷劑壓力、 蒸發(fā)器溫度傳感器、 風機信號正常， 電動壓縮機反饋的報文指令代表其低壓部分無問題、 CAN收發(fā)功能和高壓電也正常。 經(jīng)過分析報文得出電動壓縮機接到工作指令但未執(zhí)行， 鑒于現(xiàn)場無壓縮機總成備件但正好有電動壓縮機內(nèi)部的電控組件， 對電動壓縮機的電控組件進行了更換。

對更換電控組件的空調(diào)系統(tǒng)進行再次測試： 開啟鼓風機并按下AC制冷按鍵， 發(fā)現(xiàn)冷凝風機立即啟動且系統(tǒng)制冷功能正常； 再次按下AC鍵后， 壓縮機停止工作， 冷凝風機延遲30s停機； 保持鼓風機開啟、 AC按鍵按下狀態(tài)， 只關閉鼓風機時， 冷凝風機也延遲30s停機， 但發(fā)現(xiàn)電動壓縮機仍在工作！ 對此段報文進行分析， 發(fā)現(xiàn)在保持鼓風機開啟、AC按鍵按下狀態(tài)， 如果只關閉鼓風機， 空調(diào)控制器仍然發(fā)出 “壓縮機開機： 0x01” 及轉(zhuǎn)速指令。

空調(diào)控制器在關機狀態(tài)下仍然發(fā)出工作指令是BEV產(chǎn)生故障的原因， 此時冷凝風機和鼓風機都已關閉， 壓縮機繼續(xù)工作會導致系統(tǒng)壓力高， 壓力達到壓縮機泄壓閥限值后， 冷媒夾雜著壓縮機潤滑油噴出產(chǎn)生白煙狀物質(zhì)， 同時使鈑金表面有油污的痕跡。 電動壓縮機控制器的熱量是通過低溫冷媒帶走的， 這也解釋了壓縮機內(nèi)部電控組件損壞現(xiàn)象。

整車下電后， 對空調(diào)面板的程序進行刷寫并對空調(diào)系統(tǒng)進行第3次測試， 如表3報文所示： 在第1行的相對時間點， 控制器發(fā)出3000r/min的轉(zhuǎn)速， 允許消耗的最大功率為5kW， 壓縮機可以開啟； 在第2行的相對時間點， 壓縮機發(fā)出2744r/min、 90℃、 2A、 560V的報文； 第3行至第9行控制器的控制報文未變， 壓縮機在第4 行的時間節(jié)點發(fā)出2793r/min、 90℃、 2A、 560V的報文， 在第6行的時間節(jié)點發(fā)出2813r/m、 90℃、 2A、 560V的報文， 在第8行的時間節(jié)點 發(fā) 出2888r/min、 90℃、 1.4A、 560V 的 報 文， 第10 行 發(fā)出2941r/min、 90℃、 1.4A、 560V的報文； 當鼓風機關閉后，在第11行的相對時間點， 控制器發(fā)出壓縮機狀態(tài)為0、 轉(zhuǎn)速為0的指令， 在第12行電動壓縮機反饋0r/min、 90℃、 0A、560V的報文。 通過報文發(fā)現(xiàn)制冷系統(tǒng)運行正常， 電動壓縮機可根據(jù)指令執(zhí)行相應的運作， 系統(tǒng)故障排除。

表3 空調(diào)控制器及壓縮機在工作時報文示意

2.2.2 對FCV進行故障排查及分析

將制冷劑壓力表接入系統(tǒng)中， 顯示系統(tǒng)壓力為6bar，隨后打開空調(diào)控制面板的風量旋鈕、 按下AC制冷按鍵， 通過讀取的報文發(fā)現(xiàn)， 空調(diào)控制器發(fā)出的啟動、 轉(zhuǎn)速指令均正常， 但電動壓縮機的CAN地址不在報文表中。

由于空調(diào)控制器已經(jīng)發(fā)出報文， 只是壓縮機端無反饋報文， 決定從電動壓縮機側(cè)進行排查。 為保證維修安全，需要將鑰匙打到OFF擋、 關閉24V蓄電池開關， 拔除MSD維修開關10min后再進行檢查。 拔開與電動壓縮機相連的低壓線束， 發(fā)現(xiàn)如圖4所示的低壓線束的母端接插件已有銅銹， 觀察圖5中壓縮機的接插件， 發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部也有銅銹。 由于與壓縮機低壓端對接的線束上有CAN線， 如果續(xù)接可能會導致CAN線電壓到達不了限值而導致信息傳遞異常， 故如圖6所示， 將已經(jīng)生銹的接插件針腳拆除， 利用酒精清洗、 物理去除的方法進行銅銹的處理。

圖4 低壓線束接插件表面的銅銹

圖5 電動壓縮機低壓接插件內(nèi)銅銹

圖6 清洗低壓線束銅銹

待低壓接插件的針腳干燥后， 執(zhí)行以下檢測： 保持560V高壓、 24V低壓不上電的狀態(tài)， 對CAN H和CAN L的電阻進行測量， 其電阻值為60Ω； 保持560V高壓不上電，24V低壓上電， 如圖7所示， 測量CAN H和CAN L的電壓分別為2.6V、 2.2V， 測量電源正為22.4V， 電源搭鐵正常。 通過檢測發(fā)現(xiàn)低壓接插件線束正常， 將針腳與密封圈恢復至接插件中。

圖7 CAN線電壓測量示意

更換新的電動壓縮機后， 將系統(tǒng)高壓、 低壓線束連接后測試， 發(fā)現(xiàn)壓縮機反饋電壓為0x04， 此報文提示高壓回路開路， 更換五合一熔斷絲后電動壓縮機啟動正常。

但低壓接插件銹蝕一般不會導致高壓回路熔斷絲燒斷， 再次檢查高壓線束發(fā)現(xiàn)其端面有不易察覺的小水珠，如圖8所示， 在接插件的背面發(fā)現(xiàn)線束有斜向受力留下的泥污。 如圖9所示， 翻看之前拍攝的照片發(fā)現(xiàn)電動壓縮機的高壓線束直接朝上且有與車架接觸產(chǎn)生彎折。 這種彎折的布線方式導致高壓接插件的密封堵帽長期受力不均勻， 雖然壓縮機總成防護及線束防護等級達到IP67， 但雨水仍會慢慢的從密封堵帽滲透進接插件內(nèi)進而導致熔斷絲燒斷。

圖8 高壓接插件背面不均勻的泥污

圖9 高壓線斜向受力

對FCV車型電動壓縮機的布置位置進行分析， 發(fā)現(xiàn)其布置于散熱器正后， 而散熱器吸風時正好將雨水吹拂至其外殼及對接的線束上， 加之選型的此款電動壓縮機高壓、低壓接插件朝上， 高壓線及低壓線在布置彎折段時未未留夠足夠的長直段， 這些原因綜合導致電動壓縮機損壞。

3 總結(jié)

1） 新能源車型在維修時， 需要做好故障現(xiàn)象、 發(fā)生時間和頻率的記錄。 在目視檢查后， 利用CAN診斷儀器讀取報文并確定故障信息， 結(jié)合控制原理及電器原理圖的知識有助于迅速定位具體的硬件。

2） 若需要對電動壓縮機的高、 低壓線束進行拔除， 需要將MSD拔下并等待10min以上， 以保證變頻器總成內(nèi)高壓電處于完全放完狀態(tài)。 同時， CAN線的收發(fā)不需要高壓上電， 可在低壓狀態(tài)讀取CAN線報文、 測量CAN線電壓和電阻等操作， 再進行高壓側(cè)的檢查。

3） 不要將電動壓縮機布置于易被雨水噴濺的位置， 若無法避免則應該選型接插件側(cè)出的電動壓縮機型號， 連接壓縮機的線束需要先沿直線段布置， 然后再進行捆扎。

4） 在故障處理后， 需要分析故障產(chǎn)生的根本原因， 并在設計或工藝上進行規(guī)避。