純電動汽車高壓上電流程及故障診斷

楊小榮

摘 要：隨著能源和環(huán)境問題的凸顯，具有低能耗、輕污染的新能源汽車成為了當代新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的重點領(lǐng)域，對于改善能源緊缺與環(huán)境污染等問題也有著積極的推動作用。新能源汽車領(lǐng)域主要分為純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車三類，正在逐步朝著智能化、共享化以及物聯(lián)化的方向前進。不過，隨著環(huán)保的要求愈發(fā)嚴格以及碳中和戰(zhàn)略的提出，純電動汽車成為未來汽車領(lǐng)域發(fā)展的主攻方向。隨著純電動汽車的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)的問題也逐漸顯示出來，當前純電動汽車領(lǐng)域剛剛步入正軌，維修體系的不完善以及人才的稀缺造成了維修成本高、維修診斷過程復(fù)雜等現(xiàn)象。而對于純電動汽車來講，由于高壓上電導(dǎo)致的故障最為常見，因此只有深入了解純電動汽車高壓上電的流程，才能夠?qū)ο嚓P(guān)故障進行詳細診斷。本文將結(jié)合當前純電動汽車發(fā)展趨勢，對其上電流程以及控制策略進行分析，并總結(jié)出相應(yīng)的故障診斷方式，以期望為新能源汽車的維修領(lǐng)域提供建設(shè)性參考性意見。

關(guān)鍵詞：純電動汽車 高壓上電 上電流程 故障分析

High-voltage Power-on Process and Fault Diagnosis of Pure Electric Vehicles

Yang Xiaorong

Abstract：With the prominence of energy and environmental problems， new energy vehicles with low energy consumption and light pollution have become the key areas of contemporary emerging strategic industries， and they also play a positive role in improving energy shortages and environmental pollution. The field of new energy vehicles is mainly divided into three categories： pure electric vehicles， hybrid electric vehicles and fuel cell vehicles， which are gradually moving towards the direction of intelligence， sharing and IoT. However， with the increasingly stringent requirements of environmental protection and the proposal of carbon neutrality strategy， pure electric vehicles have become the main direction of development in the future automotive field. With the vigorous development of pure electric vehicles， corresponding problems have gradually emerged. At present， the field of pure electric vehicles is just on the right track. The imperfect maintenance system and the scarcity of talents have resulted in high maintenance costs and complex maintenance and diagnosis processes. For pure electric vehicles， faults caused by high-voltage power-on are the most common. Therefore， only by deeply understanding the process of high-voltage power-on of pure electric vehicles can the relevant faults be diagnosed in detail. This paper will combine the current development trend of pure electric vehicles， analyze its power-on process and control strategy， and summarize the corresponding fault diagnosis methods， in order to provide constructive reference opinions for the maintenance of new energy vehicles.

Key words：pure electric vehicle， high voltage power-on， power-on process， fault analysis

1 引言

純電動汽車驅(qū)動的過程當中不需要化石原料，不需要發(fā)動機提供動能，動力全部來源于電池，通過電池向電動機提供電能進而推動電動機的運轉(zhuǎn)。對于純電動汽車來講，除了具備新能源汽車低能耗、輕污染的特點，更能展現(xiàn)出絕佳的經(jīng)濟性和實用性。綜合近幾年新能源汽車銷售結(jié)構(gòu)來看，純電動汽車成為新能源汽車的主流，在未來，純電動汽車依舊擁有龐大的上升空間，因此對純電動汽車高壓上電流程以及故障診斷進行研究分析，能夠減少故障率的產(chǎn)生，在一定程度上促進純電動汽車的發(fā)展，保證其成為讓消費者放心的前瞻產(chǎn)業(yè)。

2 純電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展?jié)摿薮?，市場前景廣闊

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國新能源汽車產(chǎn)量和保有量近幾年來一直名列世界前茅，隨著其被列為中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和中國制造重點領(lǐng)域，在政府的扶持之下更是展現(xiàn)了更為突出的成績。當前新能源汽車的環(huán)保效益得到了大眾認可，家庭消費也成為了新能源汽車的消費主力。隨著十四五期間國家電動汽車重大科技專項戰(zhàn)略的實施，新能源汽車開發(fā)領(lǐng)域誕生了眾多國家標準，產(chǎn)生了眾多國內(nèi)外專利。無論是公共平臺還是整車技術(shù)都完成了重大突破。充電設(shè)施的逐漸完善和擴張覆蓋，純電動汽車續(xù)航、可靠性以及安全性也得到了更高范圍的提升，各項智能因素創(chuàng)新因素的應(yīng)用更是促使純電動汽車擁有了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 優(yōu)勢更為明顯，成本低效率高

相比較普通燃油汽車而言，純電動汽車具備成本低性能高的優(yōu)勢，駕駛成本每公里只需要0.2-0.4元，幾乎只有燃油汽車每公里駕駛成本的一半。相對于普通發(fā)動機而言，純電能的驅(qū)動，能夠在短時間內(nèi)輸出最大電流，達到扭矩峰值，且因為純電動汽車沒有變速器的緣故，有效地降低了傳動軸的能量損耗，能夠提升駕駛質(zhì)感。另外，純電動汽車中低速NVH也具有較高的優(yōu)越性，在行駛過程當中產(chǎn)生的噪音和振動遠低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，幾乎沒有怠速產(chǎn)生。

2.3 核心技術(shù)相對落后，需整體提升

盡管近年來國內(nèi)的純電動汽車無論在銷售上還是在制造水平上都有了很大程度的提高，但對標國際發(fā)展現(xiàn)狀來看，我國純電動汽車技術(shù)水平相對比較落后，核心技術(shù)方面的體現(xiàn)更為明顯。在未來，純電動汽車勢必要更大規(guī)模生產(chǎn)，所以對于其生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制以及可靠性能等方面要實現(xiàn)進一步的提升，這樣才能夠保持高效的競爭力。另外在續(xù)航能力方面純電動汽車的表現(xiàn)也不夠突出，由于相關(guān)技術(shù)以及人才的匱乏導(dǎo)致純電動汽車的故障診斷也受到了一定的阻礙，當然這些缺陷也明確了未來純電動汽車的發(fā)展方向。

3 純電動汽車高壓上電流程

3.1 高壓上電流程

對于純電動汽車來講，上電過程是電動汽車行駛前的必備工作。整個電氣系統(tǒng)包含高壓電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)以及CAN通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中高壓電氣系統(tǒng)包含電池組、電驅(qū)動系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換器、以及安全管理系統(tǒng)等，對于燃油汽車而言發(fā)動機未啟動車輛無法行駛，而對于純電動汽車來講，高壓電池為其動力源，高壓無法上電汽車無法驅(qū)動。高壓上電的過程實際上就是將動力電池所輸出的高壓電直接供給用電設(shè)備的過程。

圖中：MSD—手動維修開關(guān)

VCU：整車控制器

BMS：電池管理系統(tǒng)

MCU：電機控制器

預(yù)充電阻：具有限流作用的保護電阻

V1—監(jiān)測MSD電池串聯(lián)回路

V2—監(jiān)測預(yù)充電阻后的電壓

V3—監(jiān)測對負載的預(yù)充電壓

在純電動汽車運行的模式下，會使用整車控制器VCU來實現(xiàn)對負極接觸器閉合狀況的監(jiān)控，并通過電池管理BMS來完成對充電接觸器的管理，而判別預(yù)充電能否完成的重要標準便是所測量的電流是否達到了目標電壓值，若此時正極接觸器為閉合狀態(tài)而預(yù)充電接觸器表現(xiàn)為斷開狀態(tài)，則說明在整個電動汽車行駛模式下的高壓上電已完成，在整車上電后，BMS電池管理會被喚醒并進行自檢工作，在確保自檢結(jié)果沒問題的狀況下會直接完成反饋，再分別對主負繼電器以及主正繼電器進行粘連檢查等待上電指令，而此時想要判斷各個接觸器的連接情況，可以通過對V1、V2、V3的電壓值比分析實現(xiàn)。

3.2 高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計

3.2.1 電磁兼容性設(shè)計

電動汽車系統(tǒng)安全設(shè)計主要依據(jù)為電動汽車安全標準要求，設(shè)計的過程當中需要結(jié)合功能安全、故障保護以及高壓電安全管理控制策略和人員觸電防護等方面進行綜合考慮，通常情況下，純電動汽車高壓系統(tǒng)的電磁干擾性較強，所以為了有效避免電磁干擾的產(chǎn)生，在設(shè)計時可以采用隔離或者分開配線的方式進行電源以及信號線等設(shè)計，電源線的兩端為避免回路可采用隔離接地的方式，而為了避免互相干擾，輸入信號線和輸出信號線不僅要避免在同一個接頭上，更要避免排在一起。

3.2.2 過載以及短路的保護設(shè)計

為了有效保護純電動汽車和乘駕人的生命安全，設(shè)置高壓過載和短路防護非常有必要。高壓過載或是短路保護器的設(shè)定，可以使得在純電動汽車的高壓附件設(shè)備如果出現(xiàn)了過載或是短路等的危險狀況時，則相關(guān)電路就可以進行供電的手動斷開。也因此，在經(jīng)過保險或者接觸器的設(shè)定，如果出現(xiàn)了過載或是短路等狀況，則高壓系統(tǒng)如果偵測到電路故障時將會產(chǎn)生有效的閉合指令，并且發(fā)送聲光報警。

4 純電動汽車高壓上電故障

4.1 高壓互鎖故障導(dǎo)致純電動汽車不能上電

（1）故障診斷：在車子的儀表盤上，能夠正常的顯示剩余電量以及電池電壓等參數(shù)，但無法完成READY啟動無法正常運行。包括主警告在內(nèi)的系統(tǒng)故障指示燈、蓄電池充電故障指示燈、動力電池故障指示燈和切斷指示燈點都開始亮起。

（2）基本檢查：首先進行的是電動真空泵是否正常工作的判斷，打開啟動開關(guān)反復(fù)踩下制動踏板若此時能夠聽到正常的真空泵工作聲音則表示真空泵工作狀態(tài)正常;其次要進行的是對電動壓縮機以及PTC加熱器的判斷，如果此時對空調(diào)控制面板進行操作發(fā)現(xiàn)二者均未能實現(xiàn)正常工作完成制冷制熱指令，則表明此時已經(jīng)沒有高壓電輸出;最后，需要首要測量的就是蓄電池電壓，可以借用萬能表來實現(xiàn)，若數(shù)值正常但DC/DC未達到工作狀態(tài)則說明汽車能產(chǎn)生高壓輸出的故障因而無法完成高壓上電。

（3）故障判斷：針對高壓上電故障，肉眼難以判斷，可以連接診斷儀讀取故障碼完成判斷輔助。

（4）故障分析：高壓互鎖HVL的根本任務(wù)在于確認整個高壓系統(tǒng)是否具備完整性，一旦確認整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題則會立即采取安全保護措施。根據(jù)我國標準規(guī)定所有的電動汽車都要具有高壓互鎖裝置，在汽車高壓系統(tǒng)當中。產(chǎn)生斷路或者短路現(xiàn)象的主要原因就是線速接插件安裝松動，所以當BMS在檢測到HVIL有回路斷開的現(xiàn)象會判定風險的存在，通過故障報警、切斷高壓電輸出以及降低輸出功率的方式來實現(xiàn)對車輛以及乘駕人員的安全保護。

4.2 絕緣故障導(dǎo)致純電動汽車不能上電

（1）故障診斷：汽車可以啟動ON開關(guān)，但汽車的儀表盤上整車系統(tǒng)故障、動力電池故障、絕緣低故障指示燈亮起。

（2）基本檢查：此時的汽車儀表顯示正常，則說明整個BMS絕緣檢測系統(tǒng)依舊處于正常的工作狀態(tài)，但倘若此時的汽車儀表顯示絕緣無連接，則說明要進一步的故障排查，主要排查對象為低壓線路以及CAN通訊故障。

（3）故障判斷：在對高壓回路絕緣故障的判斷過程當中比較復(fù)雜，需要逐一排查控制器故障、驅(qū)動電機故障以及高壓線束或者PTC線束是否有絕緣現(xiàn)象產(chǎn)生，該過程當中需要將電機端線拆下完成進一步的判斷，如果拆下的電機端絕緣未發(fā)現(xiàn)異常，但線束絕緣電阻顯示為零則可以判定高壓無法上電的原因在于絕緣故障。判斷檢測的過程當中可以采用輔助電源法或者霍爾式電流傳感器來進行檢查。

（4）故障分析：絕緣是指在帶電器件表面覆蓋一層不導(dǎo)電物質(zhì)，該種物質(zhì)被稱為絕緣材料，對絕緣材料的性能進行比較的參數(shù)有絕緣電阻、漏電流等。電動汽車的整車系統(tǒng)中電子電氣系統(tǒng)比例大幅度增加，電氣絕緣是常見的故障，如果系統(tǒng)中只有一個點出現(xiàn)電氣絕緣，則不會產(chǎn)生明顯影響，但是隨著多點絕緣失效的產(chǎn)生會產(chǎn)生漏電影響正常工作，甚至會引發(fā)火災(zāi)。

4.3 電動汽車高壓電控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致純電動汽車不能上電

（1）故障診斷：車輛不能正常行駛，低壓蓄電池充電指示燈亮起，充電連接圖標正常顯示，但插入交流電槍=顯示充電功率為“0”。

（2）基本檢查：根據(jù)故障現(xiàn)象進行初步判斷，導(dǎo)致無法上電的原因在于高壓驅(qū)動系統(tǒng)的故障或者是交流充電系統(tǒng)的故障。整個驅(qū)動系統(tǒng)的故障既包含動力電池到驅(qū)動電機，也包含高壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，高壓驅(qū)動系統(tǒng)故障導(dǎo)致高壓無法上電的原因涉及到控制線路的問題，而對于交流充電系統(tǒng)故障來講，要排除高壓區(qū)統(tǒng)系統(tǒng)故障才能夠進行進一步的確認。但當前，我國純電動汽車高壓系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了高度集成，線束保護也比較嚴密，所以幾乎不會發(fā)生損壞。想要快速地進行檢測可以從交流充電系統(tǒng)故障進行分析，故障點可能產(chǎn)生在接觸線路、霍爾電流存感器線路等方面。

（3）故障判斷：在判斷過程需要連接解碼儀讀取故障碼來進行診斷，診斷的過程首先要排除高壓互鎖故障，如果高壓互鎖故障排除后重新上高壓電依舊顯示無法上電，則需要對CC短路或者VTOG控制電路故障進行進一步判斷，此時故障原因可能是保險絲燒斷導(dǎo)致，應(yīng)采取及時更換的措施，該驅(qū)動系統(tǒng)故障排除后若插上交流充電槍依舊無法充電功率顯示，則可以判斷為霍爾傳感器以及線路故障，應(yīng)及時采取相關(guān)線路修復(fù)措施。

（4）故障分析：一般情況下，如果不能確定是高壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)產(chǎn)生的故障根據(jù)維修效率和控制原理，應(yīng)該先解決低壓系統(tǒng)問題，排除之后再實現(xiàn)高壓系統(tǒng)故障的判斷。

4.4 高壓接觸器故障導(dǎo)致純電動汽車不能上電

（1）故障診斷：車輛無法正常啟動，行駛中拋錨。表顯示無法正常充電。

（2）基本檢查：在電動汽車當中高壓直流接觸器主要負責的是電池以及各個電器之間的電能通斷，最終達到高度隔離的效果。但高壓接觸器一般處于封閉狀態(tài)，所以想要實現(xiàn)內(nèi)部故障的監(jiān)控十分困難，基本檢查的過程當中必須要通過相關(guān)電子技術(shù)檢測手段的輔助，一旦高壓接觸器的觸點發(fā)生粘連或者斷開會導(dǎo)致高壓系統(tǒng)功能喪失，主要檢測點為觸點兩端電壓，并通過診斷算法來進行故障排除。

（3）故障判斷：高壓直流接觸器失效機理分為驅(qū)動線圈失效、內(nèi)部電子元器件實效、運動機構(gòu)卡塞、腔內(nèi)異物以及接觸器不合理的使用而造成的失效。其中由于不合理使用而造成的失效主要是由于動靜觸頭結(jié)合面的惡化引起的，最常見的情況就是觸點失效，高壓接觸器觸點失效的模式主要有閉合失效和開斷失效兩種，引起這兩種失效的原因多種多樣，其中主要的失效模式包含以下三種：

①粘連，粘連是整個失效模式當中最主要的原因之一，說明分段斷時的熔焊力大于觸頭分離力;②卡死，產(chǎn)生該種現(xiàn)象說明進觸點以及銜接部分出現(xiàn)了多余的雜物，主要原因在于磁感應(yīng)強度過強，因此，電弧在長度較小的時候會被快速熄滅產(chǎn)生燃燒物的堆積;③耐壓下降，產(chǎn)生耐壓值下降的原因在于電弧觸頭燒蝕所致。

（4）故障分析：電動汽車高壓系統(tǒng)中接觸器的配置是為了實現(xiàn)自我保護功能，能夠及時地切斷高壓回路，一旦接觸器失效不僅汽車不能正常啟動，更會對車身以及人身安全造成威脅，所以應(yīng)該進行安全有效的實時監(jiān)控及時處理故障。接觸器失效由多個原因構(gòu)成，在對其判斷的過程當中異常繁瑣復(fù)雜，必須采用電子技術(shù)手段進行輔助才能實現(xiàn)。

5 綜述

近年來，純電動汽車的銷量正在逐步上升，高電池為其動力源，所以一旦高壓無法上電汽車便無法驅(qū)動，導(dǎo)致汽車高壓上電故障的原因有很多其中絕緣故障、高壓互鎖故障以及控制系統(tǒng)故障和接觸器故障最為常見。只有對其上電流程進行深入了解，才能實現(xiàn)積極有效的判斷。不過，當前的純電動汽車越來越智能化，因此，在進行故障判斷時需要通過科學(xué)輔助進行高效的判斷。

課題名稱：積極教學(xué)法在《新能源汽車故障診斷》課程中的實踐和探索

課題類別：蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)2021年度教科研項目 課題批準號：JY2021-07

此論文為蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)2021年度教科研項目：“積極教學(xué)法在《新能源汽車故障診斷》課程中的實踐和研究”的階段性成果。

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