純電動汽車啟動故障診斷方法及應(yīng)用

邵凌宇，周曉龍，郭宏偉，吉 巖，陳仁奎，王海彬（中國第一汽車集團有限公司，吉林 長春130011）

隨著新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，新能源汽車出現(xiàn)的相關(guān)故障也逐漸凸顯出來。充分認識純電動汽車啟動系統(tǒng)構(gòu)成和策略，可以更好助力分析汽車啟動系統(tǒng)故障，并運用快捷方法高品質(zhì)、高效率地解決所出現(xiàn)的問題。

1 系統(tǒng)功能及構(gòu)成

1.1 啟動過程簡述

新能源汽車啟動系統(tǒng)功能為：在觸發(fā)啟動命令后，經(jīng)過各相關(guān)控制器自檢合格，整車控制單元發(fā)送指令給電池管理系統(tǒng)控制電池組為整車高、低壓線路供電使車輛啟動。

1.2 啟動系統(tǒng)構(gòu)成概述

新能源汽車啟動系統(tǒng)主要由動力電池系統(tǒng)（主要包含電池模組、電池管理系統(tǒng)等，其中電池管理系統(tǒng)Battery Management System簡稱BMS）、動力電機系統(tǒng)（主要包含驅(qū)動電機、電機控制器等，而電機控制器Motor Control Unit簡稱MCU）、直流/直流轉(zhuǎn)換器(Direct Current，DC/DC)、高壓配電盒(Power Distribution Unit，PDU)、車身控制器(Body Control Module，BCM)系統(tǒng)（主要包含鑰匙探測系統(tǒng)、啟動開關(guān)、制動踏板信號等）以及關(guān)鍵的整車控制器(Vehicle Control Unit，VCU)等構(gòu)成。某車型各系統(tǒng)的控制器位置示例如圖1所示。

圖1 相關(guān)各控制器位置圖

2 工作原理

純電汽車工作原理以奔騰E01車型為例，在駕駛員踩踏制動踏板同時按下啟動開關(guān)后，BCM與VCU得到啟動信號，并通過一系列判斷后，VCU命令BMS供給整車高壓系統(tǒng)300～500V的高壓直流電，車輛上電成功后儀表獲得信息，顯示“READY”啟動成功。掛擋后，直流高壓電通過電機控制器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，輸出給電機將電能轉(zhuǎn)化為動能，驅(qū)動汽車行駛。VCU通過綜合車輛油門制動踏板信息、車速信息、故障信息、電量信息等其它相關(guān)車輛參數(shù)，計算出需要電機輸出的扭矩值發(fā)送給MCU執(zhí)行，從而實現(xiàn)相應(yīng)的加速、減速、勻速等駕駛功能。

某示例啟動系統(tǒng)工作過程簡介如下。

1）駕駛員在踩踏制動踏板的同時按下啟動開關(guān)健，BCM通過制動踏板反饋判斷車輛處于制動狀態(tài)，BCM通過低頻天線判斷合法鑰匙是否處于車內(nèi)，BCM向轉(zhuǎn)向柱鎖(Electronic Steering Column Locks，ESCL)發(fā)出解鎖信號，ESCL反饋解鎖成功后，BCM讓IG繼電器吸合，整車上IG電，BCM通過網(wǎng)關(guān)(Gateway，GW)向控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）線上發(fā)送點火信號。

2）VCU接到CAN線上點火信號后，通過換擋器判斷擋位信息處于P擋，通過監(jiān)測模塊判斷高壓互鎖無故障，VCU收到安全氣囊控制單元（Airbag Control Unit，ACU）反饋無碰撞故障，VCU判斷防盜匹配信息通過，最終VCU通過新能源CAN向BMS發(fā)送上電指令。

3）BMS自檢無高壓絕緣故障和其它故障，以及MCU等自檢無故障；BMS控制主負繼電器和預(yù)充繼電器吸合，預(yù)充過程結(jié)束后（圖2），閉合主正繼電器，BMS在新能源CAN線上報VCU完成上電操作。

圖2 預(yù)充過程示意圖

4）VCU接到BMS上電完成反饋，儀表收到信息CAN線上“上電完成”信息，顯示“READY”狀態(tài)，車輛啟動成功。

3 啟動系統(tǒng)故障診斷與排查方法

3.1 高壓互鎖故障

故障現(xiàn)象及原因

1）故障現(xiàn)象：儀表高壓報警燈亮，顯示高壓互鎖故障。

2）故障原因：①互鎖線束存在斷路、短路故障；②高壓電器件的高、低壓插頭虛接故障；③高壓電器件內(nèi)互鎖線路斷路或阻值過高故障；④控制器監(jiān)測模塊故障；⑤監(jiān)測模塊供電、搭鐵異常導(dǎo)致監(jiān)測誤報故障。

診斷排查方法

1）互鎖線束存在斷路、短路故障。參照某示例車型（直流源型互鎖監(jiān)測模塊處于VCU內(nèi)）管理策略，監(jiān)測模塊通過低壓線路檢測高壓插頭插接狀態(tài)（圖3）；首先斷開任意高壓件的低壓插頭，分別測量互鎖針腳與車身搭鐵間的電壓和阻值，其結(jié)果應(yīng)為：VCU的輸出端(OUT)方向可測量到約5V電壓，VCU的輸入端(IN)方向可測量到對車身搭鐵10kΩ電阻；如測量結(jié)果不符，則分段測量找尋異常點；如檢測結(jié)果鎖定在線束中，則檢查途經(jīng)插頭是否存在倒針、虛接等異常狀態(tài)，再檢查是否存在因螺釘破壞或零件壓迫導(dǎo)致的線路搭鐵或斷開，根據(jù)實際情況選擇修復(fù)或更換線束。

圖3 某車型互鎖線路圖

2）高壓電器件的高、低壓插頭虛接故障。首先通過目視檢查，判斷是否存在虛接、未鎖死狀態(tài)；其次，通過EOL設(shè)備判斷某控制模塊有無通信，鎖定低壓插頭插接異常；如仍未找到故障，則通過分段測量線路通斷和阻值來鎖定斷點區(qū)域。

3）高壓電器件內(nèi)互鎖線路斷路或阻值過高故障。分段測量高壓互鎖線端口之間通斷，逐漸縮小高阻值區(qū)域；利用手動短接互鎖針腳的方法，主動隔離可疑高壓件，清除故障碼后，檢查車輛互鎖報警是否消失，以此鎖定故障零件。

4）控制器監(jiān)測模塊故障（不同車型的監(jiān)測模塊所在位置可能不同）。在測量結(jié)果符合整車邏輯的情況下，考慮故障原因為控制器監(jiān)測模塊故障導(dǎo)致，檢查更換監(jiān)測模塊所在控制器。

5）監(jiān)測模塊供電、搭鐵異常導(dǎo)致監(jiān)測誤報故障。在測量VCU的輸出端電壓與整車邏輯要求電壓差異較大的情況下，考慮故障原因為控制器監(jiān)測模塊輸出電壓異常，導(dǎo)致監(jiān)測電壓值V和V均超出閾值2.3～2.7V電壓（圖4）；測量整車供給VCU的輸入電壓源是否正常，如供電電壓正常，則考慮更換VCU，如供電電壓過低或過高，則應(yīng)排查電壓異常故障問題。

在測量VCU的輸入端與車身搭鐵間電阻值與整車邏輯要求差異較大的情況下，考慮故障原因為控制器監(jiān)測模塊輸入端與車身搭鐵間阻值異常，導(dǎo)致監(jiān)測電壓值V和V均超出閾值2.3～2.7V電壓（圖4）；測量VCU端插頭搭鐵線到車身搭鐵間電阻值，如阻值約為0Ω，則考慮更換VCU，如阻值過高，則排查線束搭鐵線通斷狀態(tài)和搭鐵點狀態(tài)。

圖4 直流源VCU互鎖監(jiān)控示例圖

3.2 高壓絕緣故障

故障現(xiàn)象及原因

1）故障現(xiàn)象：儀表高壓報警燈亮，顯示高壓絕緣故障。

2）故障原因：①高壓電器件內(nèi)部故障；②高壓線束故障；③高壓插頭、充電口進水故障；④絕緣阻抗監(jiān)測裝置誤報故障。

診斷排查方法

在檢測維修前，需斷開車輛小電源和維修開關(guān)，車輛靜置10min，穿戴好絕緣防護用品后方可開始排查診斷高壓線路。

1）高壓電器件內(nèi)部短路故障。斷開任意高壓插頭，此處舉例壓縮機高壓插頭，使用絕緣表在500V擋位測量高壓正極端和高壓負極端到車身搭鐵間絕緣電阻值，參照該示例內(nèi)部標準，如絕緣阻值小于500kΩ則不符合要求（該車型檢測值一般＞2.5MΩ），依次斷開各個高壓零部件，重復(fù)測量絕緣電阻，直到在斷開某高壓零件后，絕緣阻值測量結(jié)果符合要求，則鎖定該故障零件不絕緣，詳細檢查高壓件和插頭是否短路。圖5和圖6為某兩款不同車型的高壓線路簡圖。

圖5 車型一高壓線路簡圖

圖6 車型二高壓線路簡圖

2）高壓線束故障。同上方法，在鎖定絕緣故障點后，拔下高壓插頭，目視檢查插頭是否存在內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)位移（插針歪斜、銅環(huán)脫落、漏出等）或燒焦等破損故障，如存在，建議更換該段高壓線束，防止出現(xiàn)二次故障。

3）高壓插頭、充電口進水故障。車輛淋雨后出現(xiàn)的絕緣故障，一般首先檢查交、直流充電口（圖7）絕緣阻值；車輛交流充電插座的絕緣電阻，包括充電時傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的電路，當(dāng)充電接口斷開時應(yīng)不小于1MΩ，即分別測量N和L端子與PE端子之間的絕緣阻值；直流充電口絕緣阻值的測量標準與其它高壓元器件測量標準相同，分別測量DC+和DC-端子與PE端子之間的絕緣阻值；如充電口無問題，則檢查其它高壓插頭是否存在進水情況。

圖7 直流、交流充電口圖示

4）絕緣阻抗監(jiān)測裝置誤報故障（不同車型的監(jiān)測模塊所在位置可能不同）。如經(jīng)反復(fù)測量，車輛（示例車型為漏電檢測裝置集成在BMS內(nèi)）所有測量絕緣阻值都符合要求，嘗試斷開大電池的直流母線，保持低壓線束連接，清除故障碼后檢查是否仍有絕緣故障，如仍有絕緣故障，則考慮故障原因為BMS內(nèi)檢測裝置測量故障或電池內(nèi)部絕緣故障引起，建議將電池返廠維修。

3.3 CAN通信故障

故障現(xiàn)象及原因

1）故障現(xiàn)象：控制器無通信現(xiàn)象。

2）故障原因：①網(wǎng)關(guān)故障；②CAN線電壓異常故障；③個別控制器通信丟失故障。

診斷排查方法

1）網(wǎng)關(guān)故障。利用設(shè)備檢查時，如全部控制器無通信，需優(yōu)先檢查網(wǎng)關(guān)；根據(jù)電器原理圖，檢查網(wǎng)關(guān)的常電B+和IG熔斷絲，其次檢查網(wǎng)關(guān)插頭的電、搭鐵與車身搭鐵間的電壓和電阻，如皆無問題，則考慮更換網(wǎng)關(guān)。

2）CAN電壓異常故障。當(dāng)出現(xiàn)多控制器同時不通信的情況，優(yōu)先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖（圖8）進行判斷，如為同一條CAN線上的多控制器不通信，則需要針對性測量CAN線的如下特性：①檢查CAN高電壓與CAN低電壓（一般CAN高電壓約為2.7V，CAN低電壓約為2.3V，和為5V）；②檢查CAN線是否存在與車身搭鐵短路；根據(jù)該車型網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，在下電情況下檢查兩個終端電阻阻值，CAN高到CAN低之間的電阻應(yīng)約為60Ω，單獨測量終端電阻應(yīng)約為120Ω。完成上述測量后，對照車型的電器原理圖、線束圖、網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，首先檢查各中轉(zhuǎn)插頭是否存在虛接等情況，再逐個拆掉非終端電阻所在的控制器和線束插頭，并每次測量上述CAN線特征，直到鎖定發(fā)現(xiàn)引起故障所在的控制器區(qū)域。

圖8 某車型網(wǎng)絡(luò)拓撲圖示例（圖片已模糊處理）

3）個別控制器通信丟失故障。優(yōu)先檢查該控制器的B+和IG電熔斷絲，其次檢查控制器插頭的電、搭鐵、CAN線針腳是否符合相應(yīng)線路特征，通過上述步驟判定車身線路狀態(tài)，也可以嘗試外接控制器測試。

3.4 其它類故障

故障現(xiàn)象及原因

1）故障現(xiàn)象：車輛無法啟動，無明確故障碼反饋。

2）故障原因：①啟動開關(guān)、制動踏板信號反饋硬線故障；②蓄電池電壓低故障；③IG繼電器不工作故障；④駐車系統(tǒng)故障；⑤防盜系統(tǒng)故障；⑥控制器自檢故障；⑦預(yù)充失敗故障。

診斷排查方法

1）啟動開關(guān)、制動踏板信號反饋硬線故障。參照第2章節(jié)示例車型點火模式，BCM需要檢測點火邏輯條件、檢查啟動開關(guān)和制動踏板信號線路。例如，可通過啟動開關(guān)背光燈效果、制動燈反饋狀態(tài)等探查線路是否正常，參照車型原理圖（圖9）、線束圖，斷開控制器端相應(yīng)插頭，通過開關(guān)不同狀態(tài)對應(yīng)的線路通斷或搭鐵狀態(tài)來檢查線路是否正常；根據(jù)檢查結(jié)果決定是否更換相應(yīng)的啟動開關(guān)、制動開關(guān)或相關(guān)線路。注：不同車型的啟動原理存在差異，需參照車型設(shè)計邏輯和原理圖進行分析判斷。

圖9 某車型原理：啟動開關(guān)（左）和制動開關(guān)（右）

2）蓄電池電壓低故障。一般當(dāng)車輛蓄電池電壓低于9V左右時，部分控制器停止工作，報低電壓故障，例如車輛天線功能失效，導(dǎo)致無法找到鑰匙等。

3）IG繼電器不工作故障。參照第2章節(jié)示例車型模型，IG繼電器吸合必要條件為兩點：①檢測到合法鑰匙；②ESCL正常解鎖。分析時可通過鑰匙上面的紅色指示燈閃爍情況、儀表提示情況來初步判斷BCM是否正確識別到鑰匙，如車輛提示無法找到鑰匙或鑰匙功能失效，則應(yīng)檢查車輛配鑰匙記錄、車輛故障碼信息以及車輛天線和射頻收發(fā)裝置，并嘗試重新匹配鑰匙；如BCM反饋ESCL未正常解鎖故障碼，則應(yīng)檢查ESCL和BCM之間的線路或嘗試更換ESCL；排除上述故障，如果IG繼電器使能端有正常響應(yīng)點火，則嘗試更換IG繼電器，或手動短接IG繼電器供電端與輸出端，測試車輛是否可以正常點火。

4）駐車系統(tǒng)故障。一般車輛啟動時需要處于P擋，駐車系統(tǒng)故障修復(fù)后，可能需要重新對卡鉗進行標定，確保EPB功能、駐車功能可以正常使用，一般車輛可以通過程序命令自動進行標定，或通過手動操作EPB開關(guān)反復(fù)夾緊卡鉗進行自學(xué)習(xí)，當(dāng)完成標定后，車輛可以正常掛入P擋和點火啟動。

5）防盜系統(tǒng)故障。車輛防盜匹配步驟會將隨機生成和特定算法生成的幾串?dāng)?shù)據(jù)同時寫入需要進行防盜匹配的控制器（如BCM、VCU、ESCL、T-box等），且部分控制器的某些防盜數(shù)據(jù)寫入后不可擦除或復(fù)寫（例如ESCL），故出現(xiàn)防盜匹配時寫入錯誤的數(shù)據(jù)或車輛維修時更換了需要防盜匹配的零部件時，需要根據(jù)車型邏輯進行判斷是否需要同步更換其它特定控制器并重新進行防盜匹配寫入。

6）控制器自檢故障。VCU在給BMS發(fā)送上電指令之前，會確保主要控制器（例如BMS、MCU、PDU、移動出行Tbox、ACU等）無影響整車上電的故障，不同車型控制邏輯會有所不同。

7）預(yù)充失敗故障。當(dāng)車輛存在預(yù)充失敗故障提示時，表示車輛已經(jīng)滿足前期條件并上高壓，但在給高壓線路中大電容充電的過程中，出現(xiàn)故障導(dǎo)致車輛預(yù)充失敗，需要重點檢查高壓線路正負極之間是否存在短路，是否存在燒毀導(dǎo)致短路的其它高壓電器件，也可通過斷開高壓件的高壓插頭并短接其低壓線束上的互鎖線路的方式反復(fù)上電進行分析排除。

4 案例分析

故障描述：某新能源車輛電機故障無法啟動。

4.1 故障現(xiàn)象與原因分析

1）故障現(xiàn)象：儀表顯示驅(qū)動電機故障和系統(tǒng)故障，檢測報電機旋變信號故障。

2）可能存在的故障原因有：①電機內(nèi)部損壞導(dǎo)致旋變信號線路故障；②電機旋變信號線在線束中轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)斷開、短接、搭鐵等故障。

4.2 故障排查

1）通過故障碼，可以鎖定故障問題原因來自旋變信號線，所以首先對信號線進行排查。通過該車型原理圖（圖10）、線束圖，確認電機旋變信號線路為：電機→中轉(zhuǎn)插頭→VPU（MCU+VCU+DC/DC集成總成）。依次檢查VPU、電機、中轉(zhuǎn)插頭插接狀態(tài)是否完好，并檢查外觀確認插針無氧化、退針等明顯異常。

圖10 某示例車型VPU原理圖

2）由于該車型旋變信號電阻值已知，可通過阻值檢測旋變信號是否故障（斷開或短路）；首先拔下電機端低壓插頭，利用自制插頭對接電機母端插頭，測量旋變信號對應(yīng)的sin+和sin-之間（約為40Ω），cos+和cos-之間（約為40Ω），exc+和exc-之間的電阻（約為20Ω），阻值無異常，基本排除電機旋變信號故障的可能性。

3）考慮到電機旋變信號線路為：電機→中轉(zhuǎn)插頭→VPU，需要再次插上電機低壓插頭，并斷開VPU端低壓插頭，重復(fù)上述旋變信號電阻測量步驟，測量結(jié)果與電機處測量結(jié)果相同無異常。

4）VPU處插頭和電機低壓線束插頭，都已經(jīng)過排查無問題；但是考慮到本款車型將MCU、VCU、DC/DC集成在同一個總成上，導(dǎo)致該總成低壓插頭PIN針較為密集（圖11），出問題的概率較大，所以再次檢查VPU的低壓插頭內(nèi)6個旋變信號與插頭內(nèi)其它任意PIN針的通斷。

圖11 某示例車型VPU插頭

5）最終檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩根位置相鄰的sin+信號和cos+信號線互相之間短接，拆開插頭并捋順PIN針、修復(fù)短接點后，車輛旋變信號故障通過設(shè)備清除不再復(fù)現(xiàn)，系統(tǒng)故障燈和電機故障燈消除，車輛可以正常啟動，故障排除。

5 結(jié)束語

隨著汽車電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，以及各廠家新能源車型的不斷推出和創(chuàng)新，汽車各控制器邏輯也在不斷與時俱進，診斷工程師在診斷分析時也要做到對車型邏輯設(shè)計方面有更細致和更全面的了解，對車輛電器模型和線路了然于心，在實際工作中不斷積累經(jīng)驗，將理論與實際相結(jié)合，并不斷成長。