電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷方法

段繼強(qiáng)　陸潔　曾慶亮　丁琳　張輝

摘 要：我國汽車保有量逐年增加，電動汽車成為人們生活必需品，但由于電動車在使用過程中易發(fā)生漏電、續(xù)航、充電等問題，需要提升人們體驗感。目前燃油汽車售后服務(wù)較為完善，國家對燃油汽車維修提出了完善的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)維修技術(shù)較為完善。電動汽車由于發(fā)展年限較短，電動汽車動力系統(tǒng)組成具有獨特性，維修技術(shù)體系仍處于不斷完善的過程，維修技師存在技術(shù)障礙，難以精準(zhǔn)識別和排除電動汽車故障。電動汽車系統(tǒng)故障檢測及診斷可以提高電動汽車安全系數(shù)，提高電動汽車使用年限，推動電動汽車維修行業(yè)快速發(fā)展。本文分析了電動汽車動力系統(tǒng)構(gòu)造與原理，包括基本結(jié)構(gòu)與原理、系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)與工作原理、電動汽車與燃油汽車的區(qū)別三方面，分析了電動汽車動力系統(tǒng)故障特點，包括電池組故障、電池管理系統(tǒng)、動力驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、高壓控制系統(tǒng)故障現(xiàn)象及特點，提出了電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷方法，從故障檢測與診斷的目的、電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷、各子系統(tǒng)故障檢測及診斷方法的選取、系統(tǒng)故障檢測及診斷操作規(guī)范四方面展開，為燃油汽車維修技師汽車故障檢測與診斷提供支持。

關(guān)鍵詞：電動汽車 故障診斷 檢測技術(shù)

1 引言

社會生活節(jié)奏加快，人們選擇通過汽車交通工具出行，為生活提供了便捷，擴(kuò)大了活動空間，提高交流效率，推動社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。我國生活水平提高的同時，汽車保有量增加，能源緊張及環(huán)境污染成為社會發(fā)展亟待解決問題，為了解決能源短缺問題，控制生活中二氧化碳排放量，電動汽車成為當(dāng)前出行交通工具首選，降低環(huán)境污染，順應(yīng)碳中和目標(biāo)，改善交通工具領(lǐng)域的能源結(jié)構(gòu)，緩解能源短缺問題。

2 電動汽車動力系統(tǒng)構(gòu)造與原理

2.1 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與原理

電動汽車包括增程式及純電動兩種形式，按照類型劃分，包括混合動力汽車、燃料電池汽車、純電動汽車、太陽能汽車、超級電容汽車等。電動汽車主要是通過動力電源、驅(qū)動電機(jī)、調(diào)速裝置、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、控制器等多個部件構(gòu)成，動力電池能夠為電動汽車提供動力源，電源管理系統(tǒng)能夠為駕駛員提供續(xù)航里程，監(jiān)控電池狀態(tài)，避免意外發(fā)生。驅(qū)動電機(jī)控制器將電池中的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力，整車控制器能夠獲取信息與數(shù)據(jù)，提供信號與指令?？照{(diào)系統(tǒng)能夠采暖和制冷，輔助系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向、電子真空助力、電子換擋器，能量回收系統(tǒng)是將車輛慣性機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作溫度。

2.2 電動汽車與燃油汽車的區(qū)別

電動汽車是將新材料、新技術(shù)、新能源融合為一體，具有效率高、排放少、智能化特征。電動汽車是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，沒有發(fā)動機(jī)，通過動力電池驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過制動踏板、加速踏板、車速傳感器等將信號傳輸至車輛控制器，控制車輛運(yùn)行。電動車需要高低壓直流轉(zhuǎn)化器，根據(jù)工況靈活調(diào)節(jié)功率，電動汽車壓縮機(jī)動力是通過高電壓驅(qū)動，取暖系統(tǒng)是通過PRC電加熱材料取暖，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車信號是控制器與儀表采用CAN總線通信形式，為駕駛?cè)藛T提供準(zhǔn)確的信息。燃油汽車通過發(fā)動機(jī)燃料將化學(xué)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，驅(qū)動汽車行駛，燃油汽車有發(fā)動機(jī)，電腦控制燃油點火以及噴射系統(tǒng)，通過車載網(wǎng)絡(luò)綜合處理信號，將踏板位置傳感器采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至電腦，保證車輛安全行駛。燃油汽車雖然有發(fā)動機(jī)，但需要備用電源蓄電池，保證車載用電需求，車載蓄電池能夠提供低壓直流電，不需要轉(zhuǎn)換變壓，取暖、制冷系統(tǒng)的啟用都離不開汽車發(fā)動機(jī)，換擋可通過電子或機(jī)械兩種形式，無能量回收系統(tǒng)，通過數(shù)字儀表與機(jī)械儀表兩種結(jié)合的方式體現(xiàn)信號數(shù)據(jù)，幫助駕駛員獲得信號。

2.3 電動汽車動力系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)與工作原理

電動汽車電池包結(jié)構(gòu)包括鈷酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰、鉛酸動力等電池組，一般分布在電動車的底板或者車輛前倉，電池組能夠滿足高電壓、大流量、混聯(lián)等方式。動力電池運(yùn)行時產(chǎn)生熱量，不同蓄電池組發(fā)生有所差別，要確保動力電池保持良好的散熱系統(tǒng)，電動汽車通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠控制電動汽車控制器，監(jiān)控各模塊溫度、電流、電壓等。電動汽車電池管理系統(tǒng)能夠保持單體電池性能一致性，監(jiān)測電池健康狀態(tài)，減少電池以外失效增加車輛事故，提高電池使用效率，保證車輛正常運(yùn)行。電池組管理系統(tǒng)包括電路管理子系統(tǒng)、電池組管理子系統(tǒng)、熱管理子系統(tǒng)。直流式漏電傳感器會向電池管理系統(tǒng)發(fā)送異常信號，避免對人及物品造成傷害。充電管理系統(tǒng)可以保障低壓系統(tǒng)正常運(yùn)行，智能充電系統(tǒng)可以通過動力電池進(jìn)行電池充電。電動車驅(qū)動系統(tǒng)有驅(qū)動器、控制器、動力電源、傳感器等，汽車制動過程能夠回收部分能量，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能向電池充電，提高能源利用率。當(dāng)車輛發(fā)生減速，控制器可以通過改變頻率，提高制動的可靠性。電動汽車動力裝置冷卻系統(tǒng)主要是控制器、驅(qū)動電機(jī)及動力電池?zé)崃哭D(zhuǎn)移，與燃油汽車類似，能夠避免高溫抑制功率輸出，包括散熱器、冷卻風(fēng)扇、冷卻液等部件構(gòu)成。高壓控制系統(tǒng)主要是避免人員發(fā)生觸電，通過變速裝置控制車輛行使，高壓部件有控制盒、高低壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)等部件構(gòu)成。

3 電動汽車動力系統(tǒng)故障特點

3.1 電動汽車動力電池組故障類型及特點

動力電池組故障包括電池組鼓包、泄露、溫度過高、不能充電等故障。單體動力電池故障包括溫度過高或者過低、蓄電池短路故障等。動力電池荷電狀態(tài)故障包括狀態(tài)異常、數(shù)據(jù)不顯示、續(xù)航里程低于正常閾值；動力電池信號故障包括電動汽車運(yùn)行高壓數(shù)據(jù)不顯示、電池采樣線、通信異常故障。動力電池作為車載動力設(shè)備，故障具有不一致性、潛伏性、漸變性、偶發(fā)性等特征，如果單個電池故障或者電池組故障，會對多種故障進(jìn)行排查，才能做出綜合分析。

3.2 電動汽車電池管理系統(tǒng)常見故障類型及特點

絕緣類故障包括絕緣監(jiān)測故障、電源線絕緣損壞，具體表現(xiàn)為高壓回路、動力母線絕緣故障等，車輛將不能正常行進(jìn)、絕緣檢測CAN檢測將出現(xiàn)警告；通訊類故障包括電池管理系統(tǒng)通訊不穩(wěn)定故障，系統(tǒng)將不能與ECU通訊，顯示通訊故障；電池組內(nèi)部通訊故障主要是通訊插頭松動，BSU地址出現(xiàn)重復(fù)，CAN布線不規(guī)范。溫度類故障主要是電池組溫差過大，溫度過高或者過低，特點是散熱風(fēng)扇插頭接觸不良或者散熱風(fēng)扇故障，溫度傳感器出現(xiàn)故障等；電流類故障主要是電流數(shù)據(jù)錯誤，傳感器插頭松動、損壞、采集數(shù)據(jù)損壞。

3.3 電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象及特點

驅(qū)動電機(jī)故障主要是驅(qū)動電機(jī)高溫故障、驅(qū)動電機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)、驅(qū)動電機(jī)異響、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)高壓暴露故障；驅(qū)動電機(jī)控制器故障包括電機(jī)控制器熱故障、直流母線電壓過高、驅(qū)動電機(jī)控制器和DC總成故障、驅(qū)動電機(jī)控制器相電流過電流故障、驅(qū)動電機(jī)控制器低壓電源欠電壓故障、驅(qū)動電機(jī)控制器高壓欠電。電流類故障故障特征是軟件與硬件不匹配，驅(qū)動電機(jī)控制器電源模塊硬件損壞，蓄電池電壓低，控制器低壓接口電壓過低，大功率充電，電路出現(xiàn)斷開等，電流類故障特征主要體現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)控制器采集的數(shù)據(jù)不符，器件損壞，電機(jī)負(fù)載變化等，溫度類故障特征包括冷卻系統(tǒng)工作故障、電機(jī)低壓信號端子松動、電機(jī)負(fù)載給電機(jī)造成損壞等，其他類故障特征主要是電機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致抵押信號端子松動、整車負(fù)載減小，電機(jī)異響產(chǎn)生噪音，電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制損壞，這些故障具有偶發(fā)性、持續(xù)性特征。

3.4 電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)故障特點

冷卻系統(tǒng)中水泵工作異響故障，電動汽車停止運(yùn)行出現(xiàn)故障，要檢測散熱器冷卻液是否不足，要更換水泵。驅(qū)動機(jī)過熱故障主要是水泵運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢、冷卻液缺失、水泵不運(yùn)行、散熱器散熱不佳、冷卻風(fēng)扇工作效率不高、冷卻管道堵塞等。蓄電池組冷卻液加熱器故障，要評估電池冷卻液加熱器是否存在故障，如果測量結(jié)果符合運(yùn)行要求，需要重新啟動車輛并進(jìn)行系統(tǒng)檢測。水泵搭鐵線路故障主要存在電機(jī)驅(qū)動模塊、電感、IPM三個單元易出現(xiàn)故障，其中機(jī)械類故障有異響噪音，線路類故障易出現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)控制器高溫，溫度類故障水泵會出現(xiàn)系統(tǒng)溫度異常，運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢，冷卻液缺失等特征。

3.5 電動汽車高壓控制系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象及特點

電動汽車高壓系統(tǒng)故障包括線路、主接觸器以及引腳三部分故障。其中接觸器電源腳接觸不良會導(dǎo)致低壓線束供電信號不能及時獲取，預(yù)充接觸器控制腳故障主要是是測量低壓插接器對地電壓不正常無電動模式，主接觸器故障儀表會顯示“請檢查動力系統(tǒng)”，高壓電池管理器采樣線束故障，系統(tǒng)管理器會顯示“預(yù)充失敗故障”，動力電池管理器及線路故障儀表會顯示“電流霍爾傳感器故障”。高壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障因素主要是外部撞擊導(dǎo)致插接器松動，線路出現(xiàn)設(shè)計缺陷、絕緣材料存在問題，線路短路、斷路等，具有一定的危險性、持續(xù)性特征。

4 電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷方法

4.1 故障檢測與診斷的目的及常用診斷方法

故障檢測與診斷的目的是確保電動企業(yè)保持安全運(yùn)行，根據(jù)當(dāng)前汽車現(xiàn)狀，確定故障部位，并科學(xué)制定維修方案。電動汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，離不開高壓動力電池，檢修車輛要注意操作安全性。電動汽車故障檢測要分析車輛使用情況、設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)，裝配技術(shù)、材料選取等，借助前沿的儀器設(shè)備，排除故障，提高車輛駕駛安全性。電動汽車故障檢測方法包括觀察法、經(jīng)驗診斷法、專用儀器診斷法、綜合檢測法等。其中觀察法是通過視覺、嗅覺、觸覺等多重感官，了解汽車結(jié)構(gòu)存在故障，經(jīng)驗診斷法是憑借維修人員豐富工作經(jīng)驗，在局部輔助拆卸的情況下，了解汽車故障產(chǎn)生根源，進(jìn)而制定維修策略。借助專用儀器診斷法是通過儀器、儀表等工具獲取車輛電壓、電阻等參數(shù)，提高故障診斷效率。部分儀器價格較高，需要維修人員掌握專用儀器的使用方法。綜合檢測法是針對復(fù)雜情況展開的故障檢測，從外及內(nèi)、從整體到部分，綜合觀察、經(jīng)驗、儀器診斷多種形式的檢測法。

4.2 電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷方法

故障檢測及診斷方法包括數(shù)據(jù)列表和樹狀結(jié)合法、閉環(huán)路徑數(shù)據(jù)檢測法、故障模擬分析法、測電流法、測電壓法、測電阻法。其中數(shù)據(jù)列表和樹狀圖結(jié)合方法能夠針對故障因素列出明細(xì)，根據(jù)檢測進(jìn)度調(diào)整檢測步驟。維修人員根據(jù)故障類、特征及原理繪制樹狀圖，明確檢測順序，分析電壓線束故障點。閉環(huán)路徑數(shù)據(jù)檢測法是依據(jù)數(shù)據(jù)，將閉環(huán)路徑進(jìn)行延展，并依次排除故障的過程，其中維修人員要結(jié)合電動汽車動力供給路徑逐項檢測，確定故障產(chǎn)生原因，為維修人員提供檢測思路。故障模擬分析法適用于診斷通訊類、電壓類、電流類，幫助缺乏維修經(jīng)驗的人員及時排除故障。測電流法是利用霍爾效應(yīng)測量驅(qū)動機(jī)功率電流，盤點電動機(jī)是否存在故障。測電壓法是幫助維修人員判斷是否存在漏電可能，將檢測電源通過霍爾傳感器，如果電壓不為零，表明存在漏電可能，如果輸出電壓為零，表明不存在漏電故障。測電阻法是測量元器件對地電阻的電阻值，如果驅(qū)動電機(jī)存在高溫故障，可以測量低壓信號端搭鐵電阻，如果端子不松動，還應(yīng)判斷冷卻系統(tǒng)及電機(jī)是否異常。

4.3 電動汽車動力系統(tǒng)中各子系統(tǒng)故障檢測及診斷方法的選取

第一，動力電池組故障包括溫度類、絕緣類、通訊類、電壓及電流類。針對溫度類故障維修人員要獲取電壓、電阻等，分析電池是否存在故障，檢查外部接線柱、熱管理系統(tǒng)等，一般導(dǎo)致溫度故障點較多，需要數(shù)據(jù)流分析、樹狀圖、數(shù)據(jù)列表等多種方法結(jié)合方式。通訊類故障需要判斷外部線路、部件以及電池管理系統(tǒng)，選擇數(shù)據(jù)互換對比、測電壓方式排除故障。電壓類堯都區(qū)電壓數(shù)據(jù)，檢測制動能量回收系統(tǒng)，選擇測電壓、側(cè)電阻方法排除故障。絕緣類故障要對整車絕緣檢測，在分別測量端子高壓值，采取樹狀圖、測電壓、數(shù)據(jù)列表等多種形式相結(jié)合排除故障。第二，電源管理系統(tǒng)故障診斷方法。溫度類故障要檢查散熱氣風(fēng)扇工作狀態(tài)，插接器是否正常，選擇測電壓方法排除。通訊類故障要檢查外部線路連接是否正常，再檢測電源管理系統(tǒng)，是否BSU地址重復(fù)等，選擇樹狀圖、樹狀列表等方式排除故障。絕緣類故障要讀取測量端子的要壓制，判斷電壓及絕緣是否正常，如果數(shù)據(jù)異常，可直接排除故障。第三，動力驅(qū)動電機(jī)及控制系統(tǒng)故障檢測。其中溫度類故障主要是電機(jī)負(fù)載損壞電機(jī)、冷卻系統(tǒng)散熱異常、低壓信號端子松動、IGBT件損壞等。通訊類故障包括外部傳感器點擊位置傳感器故障、供電線路電壓故障，電壓異常、插接器連接異常等，應(yīng)選擇測電壓、樹狀圖、數(shù)據(jù)列表等多種方式展開故障排查。電壓類故障檢查高圧回路部件是否存在互鎖情況、動力電池電壓過低、用電設(shè)備功率瞬時變化等，選擇故障模擬分析方式排查故障。機(jī)械類故障一般是線路故障、檔位開關(guān)等，要檢查驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動是否過大，應(yīng)拆解驅(qū)動電機(jī)展開檢測。第四，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)故障包括溫度類、通訊類及機(jī)械類，檢查散熱器風(fēng)扇，判斷冷卻液量是否正常，清除散熱器污垢，選擇數(shù)據(jù)列表、數(shù)據(jù)互換實驗等方式。第五，高壓控制系統(tǒng)故障。包括絕緣類、漏電類、短路類、斷路類等，選擇數(shù)據(jù)互換對比實驗以及故障模擬分析的方式來排除故障。

第二，3.4電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷操作規(guī)范

高壓系統(tǒng)故障檢測規(guī)范要具備行業(yè)培訓(xùn)經(jīng)驗，了解電動汽車動力系統(tǒng)構(gòu)造，維修時要佩戴絕緣手套，穿戴好符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)服裝，選擇符合要求的機(jī)械檢測工具，裝配與拆解配件過程中，要斷開電源，確保高壓部件接地良好，無高壓環(huán)境下才能展開操作，制動液、冷卻液等要避免濺到高壓部件造成腐蝕。

5 結(jié)束語

電動汽車故障一般包括充電、漏電、短路三方面問題，電動汽車維修仍存在一定法律漏洞，維修人員存在經(jīng)驗不豐富，技術(shù)缺陷問題，不能針對電動車現(xiàn)狀精準(zhǔn)排除故障點。本文針對電動汽車動力系統(tǒng)故障展開分析，針對故障檢測及診斷情況進(jìn)行分別分析，歸納了相關(guān)檢測方法，為電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測提供相關(guān)借鑒與參考，促進(jìn)電動汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅琳.智能自動化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用思考[J].時代汽車，2022（19）：19-21.

[2]于芳，魏占魁.汽車可靠性管理系統(tǒng)工程研究[J].專用汽車，2022（09）：37-39.DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.012.

[3]丁彤，門峰，董方岐，梁麗軍.基于PEST模型分析汽車工程咨詢發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].中國工程咨詢，2022（05）：50-54.

[4]胡雪芳，曹愛霞，謝建新.新工科背景下車輛工程新能源汽車方向人才培養(yǎng)策略探索[J].汽車實用技術(shù)，2022，47（08）：172-176.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.008.035.

[5]聶枝根，陳崢，王萬瓊.車輛工程專業(yè)智能汽車控制技術(shù)方向教改探索[J].高教學(xué)刊，2022，8（12）：128-132.DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.12.031.

[6]黃超俊，侯苗，竇惠敏，王超，劉存來.汽車人機(jī)工程智能虛擬現(xiàn)實驗證系統(tǒng)[J].上海汽車，2021（11）：3-13.

[7]洪金龍，高炳釗，董世營，程一帆，王玉海，陳虹.智能網(wǎng)聯(lián)汽車節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵問題與研究進(jìn)展[J].中國公路學(xué)報，2021，34（11）：306-334.DOI：10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.025.

[8]劉超群，魏斌，吳曉康，王松岑，徐錦星.電動汽車移動式無線充電技術(shù)工程化應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019，43（06）：2211-2218.DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2018.2433.