電動裝載機無法上高壓電故障診斷實例分析

溫 杰，費孝濤

（江蘇電子信息職業(yè)學院 智能交通學院，江蘇 淮安 223003）

電動裝載機采用分布式驅動鉸接式車身，在礦山運輸、建筑工程、農業(yè)機械等領域有著廣闊的應用前景[1-2]。測試研究結果表明[3]，電動裝載機作業(yè)性能和噪聲都優(yōu)于傳統(tǒng)裝載機。電動裝載機采用電力驅動，通過高壓動力電池向工作電機、行走電機、空調等高壓用電設備供電。鑒于此，電動裝載機在工作中高壓供電及直流充電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性尤為重要。高壓系統(tǒng)故障的產生通常具有偶發(fā)性，診斷的難度較大，典型的高壓故障就是無法上高壓電故障。

1 典型故障描述

1.1 故障現(xiàn)象

一輛電動裝載機已行駛537 km，在鏟掘砂石物料作業(yè)后，停駛一段時間，再次準備作業(yè)，發(fā)現(xiàn)無法上高壓電。執(zhí)行上電操作后，儀表顯示有“Ready”，但十幾秒后，儀表“Ready”消失，且以紅色字體提示“行走整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）故障”“請在工作前先排查故障”。執(zhí)行前進、后退、上裝等操作時，均無動作反應。

1.2 故障檢測

測量低壓蓄電池電壓，為24.6 V。檢查高壓用電設備及動力電池包，外觀良好、且無線束裸露及松脫現(xiàn)象。多次斷開低壓蓄電池負極重新通電啟動，但初始發(fā)生的故障現(xiàn)象仍然無法消除。

由于該特種工程車輛暫無OBD-Ⅱ車載診斷系統(tǒng)，也無專用故障診斷儀讀取相關故障碼。多次排故無果后，維修工程師嘗試利用控制器域網(wǎng) （Controller Area Network, CAN）總線報文記錄儀CANDTU-200UR讀取從啟動鑰匙打到上電檔到儀表故障提醒這段過程的報文。CANDTU-200UR是一款帶存儲的2通道CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀，可脫離PC獨立運行，長時間存儲 CAN 報文數(shù)據(jù)，便于用戶事后分析、排查故障。該記錄儀可通過SD存儲卡將記錄好的數(shù)據(jù)傳給PC，經過對原始數(shù)據(jù)的格式轉換，用戶可使用CANoe、CANScope對記錄數(shù)據(jù)進行離線分析和評估。需要注意的是，該設備可以通過兩路DB9端子的隔離CAN-Bus接口與車載動力網(wǎng)絡相連，但在購成的動力網(wǎng)絡中，需要在網(wǎng)絡終端節(jié)點處接入120 Ω終端電阻，用于消除總線上的信號反射，避免信號失真。使用CANDTU進行報文讀取時務必要保證連接后的CAN總線高線與低線之間總電阻值應為60 Ω，否則無法記錄運行數(shù)據(jù)。圖1為CANDTU-200UR實物圖。圖2為高速CAN網(wǎng)絡典型連接示意圖。

圖1 CANDTU-200UR實物圖

圖2 高速CAN網(wǎng)絡連接示意圖

報文顯示，上電過程中，預充接觸器、主接觸器、主負接觸器能夠正常閉合和切換，動力電池電壓顯示為550 V左右。但十幾秒后，主接觸器斷開，監(jiān)測的動力電池電壓降至0 V。同時，報文還顯示主接觸器存在燒結故障。

1.3 故障分析

分析報文顯示的信息，在電動車輛的控制策略中，通常為了保證高壓安全性，主接觸器燒結被電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）監(jiān)測到后，會執(zhí)行強制下電命令使車輛斷電并且在下次上電時進行自檢，自檢到接觸器燒結時會讓車輛不上電。

在電動車輛中，串聯(lián)于高壓回路中的主接觸器產生燒結的主要原因是在低壓控制電路沒有執(zhí)行斷電動作前，由于某些特殊原因，高壓回路主接觸器開關電路自行斷開，導致高壓回路中數(shù)值較大的電流在接觸器開關處產生了拉弧放熱，從而使接觸器開關燒結粘連。

該故障案例中，需要找出導致主接觸器突然斷開的原因。找出高壓電器及接觸器連接電路，如圖3所示。該車由4個動力電池包成組后向高壓設備供電，動力電池母線正負極與多合一高壓控制盒連接。預充接觸器與主接觸器并聯(lián)分布在多合一高壓控制盒內，并與動力電池母線正極端 連接，負極接觸器也置于多合一高壓控制盒內，并與動力電池母線負極端連接。在多合一高壓控制盒內，還安裝有直流轉直流（Direct Current/ Direct Current, DC/DC）電源接觸器、交流/直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）接觸器、電動空調接觸器、正溫度系數(shù)的加熱器（Positive Temperature Coefficient, PTC）接觸器、充電接觸器等，這些接觸器均從動力電池母線正極端取電，供相應的高壓設備使用。

圖3 主接觸器與預充接觸器的電路連接關系

結合該車停駛期間的天氣和存放情況，展開分析。經查，該車于2021年7—8月間停放在露天條件下，且在停駛期間該地區(qū)有數(shù)次強降雨天氣。因特種工程車輛的車身密封性較差，加之長期在負荷高、顛簸強的惡劣工況下運行，懷疑該車部分高壓線束或高壓電器與車身搭鐵間絕緣電阻過低。

2 故障排查方法

2.1 排查步驟

首先經詢問，該裝載機設計時，高壓電路中裝有絕緣檢測儀（表1為檢測位置），用于監(jiān)測高壓線束和車身之間絕緣電阻的大小，并判斷是否存在漏電故障。再次使用CANDTU-200UR采集的報文進行分析，結合該車的BMS通訊控制協(xié)議，用CANoe工具軟件解析報文，在“絕緣監(jiān)測儀數(shù)據(jù)幀”中，byte3顯示的16進制數(shù)值轉為十進制數(shù)值很低，最高不超過200，根據(jù)表2中所列相關信息可知，確實存在著絕緣電阻低的故障。

表1 數(shù)據(jù)檢測位置

表2 絕緣監(jiān)測儀數(shù)據(jù)幀定義（部分）

進一步，對車輛執(zhí)行高壓斷電操作，斷開蓄電池負極，靜置5 min后，拔下四個動力電池包的維修開關。確認安全后，戴好絕緣手套，拆卸其中一個便于作業(yè)的電機控制器高壓線端蓋，顯示有母線正極HV+、負極HV-和電機的U、V、W三相線。使用絕緣測試儀500 V檔，分別對上述5根高壓線束與電機控制器殼體間絕緣電阻進行測量。結果顯示，絕緣電阻值在0.09 MΩ到0.11 MΩ之間，如圖4所示。斷開電機三相線后，測量負極母線與電機殼體間絕緣電阻為0.1 MΩ，顯然低于設置的安全絕緣電阻值。

圖4 線束連接狀態(tài)絕緣電阻值測量

為進一步確認殼體與高壓線束的絕緣故障，斷開上述全部5個線束，再次測量其對殼體絕緣 電阻，結果顯示，電機三相線和正極母線對殼體絕緣電阻大于550 MΩ、電機控制器5個接線柱與殼體間絕緣電阻大于550 MΩ，但負極母線與殼體及其他車身部分的絕緣電阻過低，測量到負極母線到殼體間絕緣電阻值為0.12 MΩ，如圖5所示。

圖5 線束斷開狀態(tài)絕緣電阻值測量

2.2 故障確認

從上述測量結果看，明確了故障為高壓母線負極與殼體間絕緣電阻過低，但具體故障點還需進一步檢測。查看多合一控制盒的高壓配電線束情況（圖6），對相關負極母線依次從高壓用電設備上斷開后，再測量先前電機控制器上負極母線 的對地絕緣電阻。查出只有在斷開空調壓縮機負極時，先前電機控制器上負極母線的對地絕緣電阻值測得大于550 MΩ。再單獨測量電動壓縮機母線接線柱對殼體絕緣電阻，值為0.61 MΩ。根據(jù)控制協(xié)議中對絕緣故障的判斷，當絕緣電阻R＜100 Ω/V時，發(fā)出二級報警，系統(tǒng)允許的最大充放電功率立即設置為0 kW，且走下點流程。從而確認故障為電動壓縮機側高壓負極線與殼體絕緣電阻過低。

圖6 多合一控制盒內高壓電路

2.3 故障排除

斷開電動壓縮機母線并做好絕緣防護處理，連接好其他高壓線束、維修開關等。執(zhí)行正常上電操作，Ready燈亮起時，工作電機和行走電機正常運行。采用上述故障排除方案后，電動裝載機雖然能夠正常上高壓電工作，但半小時后，儀表報電機控制器水溫過高，駕駛員被迫停機冷卻。這是因為電動空調不能工作制冷降低電機控制器冷卻系統(tǒng)的水溫。因此，需要更換密封良好的新電動壓縮機才能解決故障、保證裝載作業(yè)的正常進行。

3 總結

需要說明的是，該裝載機的電動壓縮機高壓母線插接頭處雖然設置有互鎖針腳，但并未串聯(lián)于整車高壓互鎖回路中，因此，斷開電動壓縮機母線沒有影響整車上電。而造成該故障的根本原因，是高壓部件制造工藝上密封不良，加之該車輛的車身外殼配合間隙大，由于夏季強降雨天氣 造成了電動壓縮機本體絕緣電阻過低。工程機械車輛電控系統(tǒng)的設計、控制、故障自診斷及制造工藝等方面還有很大的提升空間，保障設備作業(yè)的可靠性和作業(yè)人員的安全性值得引起思考和努力。