純電動(dòng)汽車高壓上電流程與故障分析

盧 凱

純電動(dòng)汽車高壓上電流程與故障分析

盧 凱

（聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 聊城 252000）

根據(jù)當(dāng)前純電動(dòng)汽車發(fā)展趨勢(shì)以及純電動(dòng)汽車故障數(shù)量不斷增加的現(xiàn)象，旨在加強(qiáng)普通維修人員對(duì)純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理的掌握。文章首先對(duì)純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)之間控制關(guān)系進(jìn)行了分析，并對(duì)吉利帝豪EV450車型整車高壓上電流程控制邏輯進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)掌握的高壓上電控制邏輯總結(jié)造成高壓系統(tǒng)不上電故障的類型，主要分為高壓互鎖斷開(kāi)故障、高壓接觸器粘連故障、整車控制器故障、電池管理系統(tǒng)故障、電機(jī)控制器故障五大類。最后根據(jù)吉利帝豪EV450實(shí)際案例分析造成高壓系統(tǒng)不上電故障的可能原因，分析過(guò)程主要通過(guò)車主描述故障現(xiàn)象、故障現(xiàn)象復(fù)原以及故障診斷儀顯示故障碼進(jìn)行故障碼（DTC）分析，確認(rèn)為整車控制器（VCU）電源故障或VCU自身故障，然后對(duì)VCU電源線路進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，確認(rèn)造成高壓不上電故障的原因?yàn)?B電源熔絲損壞。因此，故障診斷分析時(shí)，不僅對(duì)高低壓電控都非常了解，還要掌握整車控制單元、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制單元等系統(tǒng)之間的控制邏輯，出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)故障現(xiàn)象和故障碼，綜合判斷故障范圍。

純電動(dòng)汽車；高壓上電；整車控制器；電機(jī)控制器；故障分析

純電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)依靠動(dòng)力電池提供電能，而動(dòng)力電池不需要使用汽油等化石燃料，只需要進(jìn)行充電即可。對(duì)于現(xiàn)階段油價(jià)居高不下，純電動(dòng)汽車不僅具有低能耗、輕污染的特點(diǎn)，更有很好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。從近幾年新能源汽車年銷售量來(lái)分析，純電動(dòng)汽車越來(lái)越受到大眾的歡迎。在純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)維修案例中，最常見(jiàn)的故障就是純電動(dòng)汽車高壓不上電故障。維修純電動(dòng)汽車就必須要掌握純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)控制關(guān)系，如圖1所示。因此，對(duì)純電動(dòng)汽車高壓上電流程以及故障進(jìn)行分析，能夠減少純電動(dòng)汽車故障率，提升客戶的使用信心，在一定程度上促進(jìn)純電動(dòng)汽車的發(fā)展。

圖1 一般純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)控制關(guān)系示意圖

1 整車高壓系統(tǒng)上電流程及原理分析

帝豪EV450上高壓電時(shí)，首先需車身控制模塊（Body Control Module, BCM）控制適應(yīng)巡航控制（Adaptive Cruise Control, ACC）、IG1、IG2繼電器接通低壓電，然后整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）、電機(jī)控制器（Motor Control Unit, MCU）、動(dòng)力電池控制器（Battery Management System, BMS）等進(jìn)入自檢狀態(tài)，此時(shí)低壓上電完成。然后按下啟動(dòng)鍵START，中央集控器BCM將上高壓電請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送至VCU，同時(shí)VCU確認(rèn)制動(dòng)信號(hào)正常；同時(shí)通過(guò)V-CAN與BCM進(jìn)行唯一識(shí)別碼認(rèn)證、互鎖信號(hào)及碰撞信號(hào)的確認(rèn)，一切正常后VCU通過(guò)P-CAN向BMS發(fā)送上高壓電信號(hào)，BMS接收到上高壓電信號(hào)后，首先檢驗(yàn)動(dòng)力電池高壓接觸器狀態(tài)、漏電傳感器信號(hào)、絕緣電阻以及單體電壓、溫度等。一切正常后BMS發(fā)送接通預(yù)充接觸器和負(fù)極接觸器信號(hào)，電力電子裝置（Power Electronics Unit, PEU）檢測(cè)預(yù)充完成，通過(guò)P-CAN發(fā)送預(yù)充完成信號(hào)給BMS，BMS接收到預(yù)充完成信號(hào)后發(fā)送主正接觸器接通信號(hào)，負(fù)責(zé)監(jiān)控高壓上電狀態(tài)的PEU檢測(cè)到高壓上電完成，然后通過(guò)P-CAN將高壓上電完成信號(hào)發(fā)送給VCU，VCU通過(guò)V-CAN把高壓上電完成信息發(fā)送給儀表，儀表上顯示整車READY[1]。如圖2所示。

圖2 高壓上電原理

2 高壓系統(tǒng)不上電故障類型

由于純電動(dòng)汽車電路復(fù)雜，既存在高壓電路又存在低壓電路，而電路又很容易出現(xiàn)斷路、短路、虛接等故障。為了保證駕駛?cè)藛T的安全，就必須對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防各故障的出現(xiàn)。因此，在絕緣阻值、電壓、電流、高壓接觸器、高壓互鎖回路、充電互鎖的檢測(cè)與故障處理方面尤其重要[2]。由于純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別，高壓上電的過(guò)程是由低壓供電系統(tǒng)根據(jù)各類傳感器的反饋數(shù)據(jù)來(lái)控制繼電器實(shí)現(xiàn)的，以保證此過(guò)程的安全、有效。這種設(shè)計(jì)同時(shí)也保證了車輛在啟動(dòng)和行駛階段的高壓用電安全。在純電動(dòng)汽車使用過(guò)程中，不能正常上高壓電，比較常見(jiàn)故障是高壓互鎖斷開(kāi)、高壓接觸器粘連、整車控制器故障、電池管理系統(tǒng)故障、電機(jī)控制器故障等[3]。

2.1 高壓互鎖斷開(kāi)故障

高壓互鎖是指使用低壓信號(hào)監(jiān)視高壓回路完整性的一種安全設(shè)計(jì)方法。直接對(duì)高壓部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)比較困難，所以通常采用低壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)確認(rèn)整車高壓系統(tǒng)回路電氣完整性，確保所有高壓部件和高壓線束插接件都插接到位，無(wú)斷路或短路現(xiàn)象；能夠識(shí)別高壓回路的非正常斷開(kāi)，并及時(shí)斷開(kāi)高壓，避免出現(xiàn)安全事故[4]。而由于新能源汽車各個(gè)廠家的設(shè)計(jì)理念、控制邏輯、系統(tǒng)集成度都不盡相同，每個(gè)新能源汽車車企的高壓互鎖系統(tǒng)硬件構(gòu)成與控制邏輯也不同。

圖3 帝豪EV450高壓互鎖系統(tǒng)

2.2 高壓接觸器粘連故障

高壓接觸器類似低壓電控制系統(tǒng)上的繼電器，主要承擔(dān)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池與電機(jī)控制器、車載充電機(jī)等高壓部件之間高壓電能的通斷，并保障高壓電路及電路上各種電氣部件的安全。而高壓接觸器與傳統(tǒng)繼電器相比，高壓部件一般處于封閉狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)診斷比較繁瑣，因此，高壓接觸器的狀態(tài)必須使用其他傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要檢測(cè)接觸器觸點(diǎn)是否粘連或者無(wú)法正常閉合，主要根據(jù)觸點(diǎn)兩端電壓壓差的變化程度進(jìn)行故障判斷。

高壓接觸器觸點(diǎn)失效的模式主要有閉合失效和開(kāi)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(gè)失效模式當(dāng)中最主要的原因，說(shuō)明觸點(diǎn)分離時(shí)熔焊力大于觸頭分離力；（2）卡死，產(chǎn)生該種現(xiàn)象說(shuō)明移動(dòng)觸點(diǎn)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(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，因此，電弧在長(zhǎng)度較小的時(shí)候會(huì)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[5]。

當(dāng)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到觸點(diǎn)兩端電壓壓差異常時(shí)，便會(huì)發(fā)送高壓接觸器粘連故障而使車輛在啟動(dòng)階段無(wú)法上高壓電或行駛過(guò)程限制高壓電的供應(yīng)直至斷開(kāi)高壓供應(yīng)，最后致使純電動(dòng)汽車產(chǎn)生無(wú)法上高壓電故障現(xiàn)象。

2.3 整車控制器故障

整車控制器是純電動(dòng)汽車的主要控制模塊之一，參與高壓系統(tǒng)的管理和監(jiān)控工作，主要協(xié)助BMS進(jìn)行高壓接觸器的通斷管理，并通過(guò)控制器域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）總線獲取其他高壓管理模塊的電壓、電流、故障碼等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。如果高壓系統(tǒng)發(fā)出故障碼時(shí)，整車控制器會(huì)根據(jù)故障等級(jí)以及內(nèi)部處理機(jī)制采取相應(yīng)的措施。純電動(dòng)汽車上高壓或者充電需要使用高壓電時(shí)，都需要接收到整車控制器的允許信號(hào)。而當(dāng)整車控制出現(xiàn)故障，不能對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行正常管理和監(jiān)控時(shí)，整車控制器將不會(huì)發(fā)送允許上高壓信號(hào)，則導(dǎo)致高壓系統(tǒng)無(wú)法正常上電，所以整車控制器故障也可能導(dǎo)致車輛無(wú)法正常上高壓電。

2.4 電池管理系統(tǒng)故障

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的總電壓、單體電壓、最高/低電壓、總電流、單體溫度以及最高/低單體溫度等數(shù)據(jù)都是由電池管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。電池管理系統(tǒng)根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）、充放電模式以及故障診斷等，是動(dòng)力電池的核心控制器。動(dòng)力電池的各種數(shù)據(jù)都是通過(guò)BMS系統(tǒng)與整車控制進(jìn)行交流。當(dāng)BMS系統(tǒng)發(fā)生故障，則無(wú)法對(duì)電動(dòng)汽車的電池組進(jìn)行有效地監(jiān)控，而整車控制器也接收不到BMS系統(tǒng)交流信號(hào)，此時(shí)動(dòng)力電池?zé)o法被控制，那么動(dòng)力電池高壓電無(wú)法輸入到各高壓用電設(shè)備，如果BMS系統(tǒng)長(zhǎng)期有故障，將直接影響動(dòng)力電池的使用安全及使用壽命。因此，BMS系統(tǒng)出現(xiàn)故障也可能導(dǎo)致車輛無(wú)法上高壓電。

2.5 電機(jī)控制器故障

動(dòng)力電池組的電能無(wú)法直接傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電機(jī)，中間需要電機(jī)控制器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，同時(shí)電機(jī)控制器檢測(cè)三相電流信號(hào)和采集電機(jī)位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效控制，而電機(jī)控制器的電能轉(zhuǎn)化主要體現(xiàn)在車輛正常行駛時(shí)把動(dòng)力電池高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)在車輛制動(dòng)時(shí)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電給動(dòng)力電池組充電[6]。而有些車型的直流/直流（Direct Current/Direct Current, DC/ DC）轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于燃油汽車上的發(fā)電機(jī)，一般集成在電機(jī)控制器里面，其主要功能是當(dāng)?shù)蛪盒铍姵靥濍姇r(shí)，將動(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)換成電壓直流電，給低壓蓄電池充電。如果電機(jī)控制器出現(xiàn)故障，車輛將無(wú)法進(jìn)行正常的電能轉(zhuǎn)換，此故障也將發(fā)送到整車控制器，整車控制器將不會(huì)發(fā)送允許上高壓信號(hào)，車輛將無(wú)法上高壓電。因此，電機(jī)控制器出現(xiàn)故障也可能導(dǎo)致車輛無(wú)法上高壓電。

3 故障診斷分析

3.1 高壓不上電故障描述

某天車主反映吉利帝豪EV450汽車啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)無(wú)法上高壓故障，根據(jù)車主描述，踩下制動(dòng)踏板，按下START上高壓電時(shí)，儀表盤(pán)上系統(tǒng)故障燈閃爍，車輛模式指示燈不顯示，ready 燈未亮，車輛無(wú)法正常上高壓，而導(dǎo)致車輛無(wú)法行駛。

3.2 故障診斷過(guò)程

第一步：讀取故障碼（Diagnostic Trouble Code, DTC）。

盡管農(nóng)民工面對(duì)異己的城市感受到巨大的不適與惶惑，并且遭遇到一系列的歧視、侮辱，但真正愿意離開(kāi)城市返回鄉(xiāng)村的卻少之又少。“對(duì)大城市的懷戀比任何一種思鄉(xiāng)病都更醒目。對(duì)他來(lái)說(shuō)，家就是這類大城市中的任何一個(gè)，但甚至最鄰近的村落也成了陌生的異域。他寧可死于人行道上，也不愿‘回’到鄉(xiāng)村?！雹徂r(nóng)民工無(wú)法抗拒都市化的浪潮，這是他們的必然命運(yùn)。

連接診斷儀器至診斷接口（On Board Diagnos- tics, OBD）后，踩制動(dòng)踏板并保持，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)。此時(shí)通過(guò)使用診斷儀器與VCU和BCM進(jìn)行通信，VCU顯示未連接成功，BCM讀取到故障代碼U111487：與VCU丟失通信。

通過(guò)使用診斷儀器與BMS、MCU連接，讀取到的故障信息分別為與VCU丟失通信和CAN幀超時(shí)故障。

記錄當(dāng)前診斷儀器上的故障代碼，通過(guò)診斷儀器清除故障碼，然后關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)。接著打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，如果故障現(xiàn)象消失，車輛正常上電，VCU可以正常進(jìn)行通信，則可能為系統(tǒng)故障代碼保護(hù)，造成VCU進(jìn)入功能性保護(hù)模式，車輛無(wú)法上電；如果車輛還是不能上電，并且現(xiàn)象依舊存在，則通過(guò)診斷儀器，進(jìn)行故障碼讀取并與先前的故障碼進(jìn)行對(duì)比，如果不變，則此時(shí)故障代碼所指部位可能存在異常。流程分析如圖4所示。

第二步：DTC分析。

結(jié)合VCU控制邏輯、VCU電源線路原理圖以及故障碼的提示如圖5所示，說(shuō)明VCU同時(shí)不在整車P-CAN和V-CAN數(shù)據(jù)總線上，而P-CAN和V-CAN同時(shí)損壞的概率不高，以及VCU有多根搭鐵線，同時(shí)損壞概率也不高。所以故障主要為（1）VCU端子CA66/12的電源+B線路斷路、虛接、短路故障；（2）VCU自身故障。

第三步：線路測(cè)試。

任何條件下，使用萬(wàn)用表測(cè)量VCU的+B電源對(duì)地電壓，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為+B，如果測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，可能原因?yàn)閂CU搭鐵線路存在故障或VCU自身存在故障，可先測(cè)試VCU搭鐵線的阻值。如果測(cè)量值為0～+B間的某個(gè)值，可能原因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)上游線路存在虛接故障，如果測(cè)量值為0，可能原因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)上游線路存在斷路。

根據(jù)上一步判斷上游電路存在斷路情況，因?yàn)槿劢zEF29供電線路是通過(guò)熔絲盒內(nèi)部線路供電，很難確定哪端屬于供電端與負(fù)載端，因此，可測(cè)量熔絲EF29兩端對(duì)地電壓。如果熔絲EF29兩端電壓都為0，則初步判定熔絲EF29的上游電路故障，進(jìn)一步檢修線路；如果熔絲EF29兩端電壓分別為0和+B，則熔絲EF29熔斷，需更換相同規(guī)格熔絲；若果熔絲兩端電壓都為+B，則需測(cè)量VCU至熔絲段進(jìn)行導(dǎo)通性測(cè)試。此車經(jīng)過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試熔絲EF29兩端電壓分別為0和+B，初步判斷故障為熔絲斷路，更換相同規(guī)格熔絲。

3.3 診斷結(jié)論驗(yàn)證

將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)至于OFF位置；安裝所有診斷時(shí)拆下或更換的部件和插接件；將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)至于ON位置；讀取并清除DTC；關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)60 s后；踩下制動(dòng)踏板，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)車輛儀表顯示正常，系統(tǒng)正常上電，維修結(jié)束。

圖5 VCU電源線路原理圖

3.4 故障機(jī)理分析

VCU的+B電源線路出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致VCU與其他電控單元在任何情況下均無(wú)法通信，從而在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)后觸發(fā)防盜，高壓上電條件無(wú)法滿足，車輛不能正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

由于純電動(dòng)汽車控制邏輯與傳統(tǒng)汽車完全不同，傳統(tǒng)汽車僅僅有低壓電控，而純電動(dòng)汽車不僅具有低壓電控還有高壓電控部分，所以在故障診斷分析時(shí)，不僅需要對(duì)高低壓電控都非常了解，甚至要掌握整車控制器、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器等系統(tǒng)之間的通信邏輯，在出現(xiàn)故障時(shí)，要根據(jù)實(shí)際故障現(xiàn)象和故障診斷儀顯示的故障碼，綜合判斷故障范圍。例如：本文故障現(xiàn)象是無(wú)法上高壓，而故障碼是無(wú)法與VCU通信或CAN通信超時(shí)，綜合判斷故障范圍為VCU。同時(shí)在純電動(dòng)汽車的故障診斷過(guò)程中，不僅要熟練掌握車內(nèi)電控系統(tǒng)，還要特別注意高壓系統(tǒng)維修時(shí)的規(guī)范與安全，避免出現(xiàn)安全事故。

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High Voltage Power on Process and Fault Analysis of Pure Electric Vehicle

LU Kai

( Department of Mechanical and Electrical Engineering,Liaocheng Vocational & Technical College, Liaocheng 252000, China )

According to the current development trend of pure electric vehicles and the increasing number of pure electric vehicle failures, it aims to strengthen the mastery of the structure and principle of pure electric vehicles by ordinary maintenance personnel. First of all, the article analyzes the control relationship between the high-voltage system of pure electric vehicles, and analyzes the control logic of the high-voltage power-on process of Geely Emgrand EV450 model in detail. According to the mastered logic of high-voltage power-up control, it is mainly divided into five categories: high-voltage interlock disconnection failure, high-voltage contactor adhesion failure, vehicle controller failure, battery management system failure, and motor controller failure. Finally, according to the actual case of Geely Emgrand EV450, it analyzes the possible causes of the failure of the high-voltage system to power. The analysis process is mainly through the owner's description of the fault phenomenon, the recovery of fault phenomenon and the fault code displayed by the fault diagnosis instrument for diagnostic trouble code(DTC) analysis. It is confirmed that it is a vehicle control unit(VCU) power supply failure or VCU's own fault, and then the VCU power line is tested. After testing and analysis, it is confirmed that the cause of the high-voltage failure is +B power supply fuse damage.Therefore, when troubleshooting and analyzing, you not only have a good understanding of high and low voltage electronic control, but also master the control logic between vehicle control unit, battery management system, motor control unit and other systems.In case of failure, you can comprehensively judge the fault range according to the fault phenomenon and fault code.

Pure electric vehicle;High voltage power-on;Vehicle controller;Motor controller;Fault analysis

U472.9

A

1671-7988(2023)03-164-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.031

盧凱（1988—），男，碩士，助教，研究方向?yàn)樾履茉雌嚬收显\斷教學(xué)，E-mail:249851707@qq.com。