純電動汽車高壓上電流程與故障分析

純電動汽車高壓上電流程與故障分析摘要：根據(jù)當前純電動汽車發(fā)展趨勢以及純電動汽車故障數(shù)量不斷增加的現(xiàn)象，旨在加強普通維修人員對純電動汽車結構與原理的掌握。文章首先對純電動汽車高壓系統(tǒng)之間控制關系進行了分析，并對吉利帝豪EV450車型整車高壓上電流程控制邏輯進行詳細分析。根據(jù)掌握的高壓上電控制邏輯總結造成高壓系統(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、電機控制器故障五大類。最后根據(jù)吉利帝豪EV450實際案例分析造成高壓系統(tǒng)不上電故障的可能原因，分析過程主要通過車主描述故障現(xiàn)象、故障現(xiàn)象復原以及故障診斷儀顯示故障碼進行故障碼（DTC）分析，確認為整車控制器（VCU）電源故障或VCU自身故障，然后對VCU電源線路進行測試，經過測試分析，確認造成高壓不上電故障的原因為+B電源熔絲損壞。因此，故障診斷分析時，不僅對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)、電機控制單元等系統(tǒng)之間的控制邏輯，出現(xiàn)故障時，根據(jù)故障現(xiàn)象和故障碼，綜合判斷故障范圍。關鍵詞：純電動汽車；高壓上電；整車控制器；電機控制器；故障分析HighVoltagePoweronProcessandFaultAnalysisofPureElectricVehicleAbstract:Accordingtothecurrentdevelopmenttrendofpureelectricvehiclesandtheincreasingnumberofpureelectricvehiclefailures,itaimstostrengthenthemasteryofthestructureandprincipleofpureelectricvehiclesbyordinarymaintenancepersonnel.Firstofall,thearticleanalyzesthecontrolrelationshipbetweenthehigh-voltagesystemofpureelectricvehicles,andanalyzesthecontrollogicofthehigh-voltagepower-onprocessofGeelyEmgrandEV450modelindetail.Accordingtothemasteredlogicofhigh-voltagepower-upcontrol,itismainlydividedintofivecategories:high-voltageinterlockdisconnectionfailure,high-voltagecontactoradhesionfailure,vehiclecontrollerfailure,batterymanagementsystemfailure,andmotorcontrollerfailure.Finally,制動真空整車控制器儀表控制器散熱風扇動力電池控制器電機控制器儀表驅動空調壓縮機驅動電機車載充電機accordingtotheactualcaseofGeelyEmgrandEV450,itanalyzesthepossiblecausesofthefailureofthehigh-voltagesystemtopower.Theanalysisprocessismainlythroughtheowner'sdescriptionofthefaultphenomenon,therecoveryoffaultphenomenonandthefaultcodedisplayedbythefaultdiagnosisinstrumentfordiagnostictroublecode(DTC)analysis.Itisconfirmedthatitisavehiclecontrolunit(VCU)powersupplyfailureorVCU'sownfault,andthentheVCUpowerlineistested.Aftertestingandanalysis,itisconfirmedthatthecauseofthehigh-voltagefailureis+Bpowersupplyfusedamage.Therefore,whentroubleshootingandanalyzing,younotonlyhaveagoodunderstandingofhighandlowvoltageelectroniccontrol,butalsomasterthecontrollogicbetweenvehiclecontrolunit,batterymanagementsystem,motorcontrolunitandothersystems.Incaseoffailure,youcancomprehensivelyjudgethefaultrangeaccordingtothefaultphenomenonandfault制動真空整車控制器儀表控制器散熱風扇動力電池控制器電機控制器儀表驅動空調壓縮機驅動電機車載充電機Keywords:Pureelectricvehicle;Highvoltagepower-on;Vehiclecontroller;Motorcontroller;Faultanalysis純電動汽車運動過程中的驅動力來自于驅動電機，驅動電機依靠動力電池提供電能，而動力電池不需要使用汽油等化石燃料，只需要進行充電即可。對于現(xiàn)階段油價居高不下，純電動汽車不僅具有低能耗、輕污染的特點，更有很好的經濟性和環(huán)保性。從近幾年新能源汽車年銷售量來分析，純電動汽車越來越受到大眾的歡迎。在純電動汽車高壓系統(tǒng)維修案例中，最常見的故障就是純電動汽車高壓不上電故障。維修純電動汽車就必須要掌握純電動汽車高壓系統(tǒng)控制關系，如圖1所示。因此，對純電動汽車高壓上電流程以及故障進行分析，能夠減少純電動汽車故障率，提升客戶的使用信心，在一定程度上促進純電動汽車的發(fā)展。充電控制器空調控制器電池模組圖1一般純電動汽車高壓系統(tǒng)控制關系示意圖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，首先需車身控制模塊（BodyControlModule,BCM）控制適應巡航控制（AdaptiveCruiseControl,ACC）、IG1Unit,VCU）、電機控制器（MotorControlUnit,MCU）、動力電池控制器（BatteryManagementSystem,BMS）等進入自檢狀態(tài)，此時低壓上電完成。然后按下啟動鍵START，中央集控器BCM將上高壓電請求信號發(fā)送至VCU，同時VCU確認制動信號正常；同時通過V-CAN與BCM進行唯一識別碼認證、互鎖信號及碰撞信號的確認，一切正常后VCU通過P-CAN向BMS發(fā)送上高壓電信號，BMS接收到上高壓電信號后，首先檢驗動力電池高壓接觸器狀態(tài)、漏電傳感器信號、絕緣電阻以及單體電壓、溫度等。一切正常后BMS發(fā)送接通預充接觸器和負極接觸器信號，電力電子裝置（PowerElectronicsUnit,PEU）檢測預充完READY燈亮BMS絕緣檢測漏電傳感器認證請求BCM預充完成STATRT上電完成V-CAN制動開關啟動▲READY燈亮BMS絕緣檢測漏電傳感器認證請求BCM預充完成STATRT上電完成V-CAN制動開關啟動▲接收到預充完成信號后發(fā)送主正接觸器接通信號，負責監(jiān)控高壓上電狀態(tài)的PEU檢測到高壓上電完成，然后通過P-CAN將高壓上電完成信號發(fā)送給VCU，VCU通過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]。如圖預充接觸器預充接觸器主負接觸器主正接觸器溫度溫度、電壓采樣VCU碰撞互鎖碰撞圖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汽車電路復雜，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。為了保證駕駛人員的安全，就必須對高壓系統(tǒng)進行實時監(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、充電互鎖的檢測與故障處理方面尤其重要[2]。由于純電動汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別，高壓上電的過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)來控制繼電器實現(xiàn)的，以保證此過程的安全、有效。這種設計同時也保證了車輛在啟動和行駛階段的高壓用電安全。在純電動汽車使用過程中，不能正常上高壓電，比較常見故障是高壓互鎖斷開、高壓接觸器粘連、整車控制器故障、電池管理系統(tǒng)故障、電機控制器故障等[3]。2.1高壓互鎖斷開故障高壓互鎖是指使用低壓信號監(jiān)視高壓回路完整性的一種安全設計方法。直接對高壓部件進行監(jiān)測比較困難，所以通常采用低壓信號來檢測確認整車高壓系統(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，無斷路或短路現(xiàn)象；能夠識別高壓回路的非正常斷開，并及時斷開高壓，避免出現(xiàn)安全事故[4]。而由于新能源汽車各個廠家的設計理念、控制邏輯、系統(tǒng)集成度都不盡相同，每個新能源汽車車企的高壓互鎖系統(tǒng)硬件構成與控制邏輯也不同。CA67/76BV11/1CA67/76BV11/1電機控制器車載充電機整車控制器電機控制器車載充電機BV11/27CA66/58CA61/7BV08/7BV08/6CACA61/7BV08/7BV08/6空調壓縮機/控制器PTC加熱器空調壓縮機/控制器圖3帝豪EV450高壓互鎖系統(tǒng)主流車企的高壓互鎖系統(tǒng)都有一個主控制器情況判斷高壓互鎖系統(tǒng)的完整性，如出現(xiàn)高壓互進行互鎖信號的發(fā)送和接收，并根據(jù)接收信號的鎖故障，并根據(jù)相應控制策略進行實施。圖3為帝豪EV450高壓互鎖系統(tǒng)。此車型整車控制器為高壓互鎖系統(tǒng)的主控制器，并有CA66、CA67這兩個插接器，CA67/76端子發(fā)送高壓互鎖信號，CA66/58負責接收高壓互鎖信號。如果電機控制器、車載充電機、空調壓縮機、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PositiveTemperatureCoefficient,PTC）加熱控制器的插接頭斷開、松脫或者端子退針等情況，使整車控制器接收不到完整的高壓互鎖信號。此時整車控制器會根據(jù)設定的控制邏輯使車輛在啟動過程中無法上高壓電或行駛過程限制高壓電的供應直至斷開高壓供應，最后致使純電動汽車產生無法上高壓電故障現(xiàn)象。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，主要承擔純電動汽車動力電池與電機控制器、車載充電機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行實時監(jiān)控，主要檢測接觸器觸點是否粘連或者無法正常閉合，主要根據(jù)觸點兩端電壓壓差的變化程度進行故障判斷。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，說明觸點分離時熔焊力大于觸頭分離力2）卡死，產生該種現(xiàn)象說明移動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強度過強，因此，電弧在長度較小的時候會被快速熄滅產生燃燒物的堆積3）耐壓下降，產生耐壓值下降的原因在于電弧觸頭燒蝕所致[5]。當動力電池管理系統(tǒng)檢測到觸點兩端電壓壓差異常時，便會發(fā)送高壓接觸器粘連故障而使車輛在啟動階段無法上高壓電或行駛過程限制高壓電的供應直至斷開高壓供應，最后致使純電動汽車產生無法上高壓電故障現(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進行高壓接觸器的通斷管理，并通過控制器域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork,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)，以實現(xiàn)對高壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。如果高壓系統(tǒng)發(fā)出故障碼時，整車控制器會根據(jù)故障等級以及內部處理機制采取相應的措施。純電動汽車上高壓或者充電需要使用高壓電時，都需要接收到整車控制器的允許信號。而當整車控制出現(xiàn)故障，不能對高壓系統(tǒng)進行正常管理和監(jiān)控時，整車控制器將不會發(fā)送允許上高壓信號，則導致高壓系統(tǒng)無法正常上電，所以整車控制器故障也可能導致車輛無法正常上高壓電。2.4電池管理系統(tǒng)故障純電動汽車動力電池組的總電壓、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)進行實時監(jiān)控和管理。電池管理系統(tǒng)根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算電池荷電狀態(tài)（StateOfCharge,SOC）、充放電模式以及故障診斷等，是動力電池的核心控制器。動力電池的各種數(shù)據(jù)都是通過BMS系統(tǒng)與整車控制進行交流。當BMS系統(tǒng)發(fā)生故障，則無法對電動汽車的電池組進行有效地監(jiān)控，而整車控制器也接收不到BMS系統(tǒng)交流信號，此時動力電池無法被控制，那么動力電池高壓電無法輸入到各高壓用電設備，如果BMS系統(tǒng)長期有故障，將直接影響動力電池的使用安全及使用壽命。因此，BMS系統(tǒng)出現(xiàn)故障也可能導致車輛無法上高壓電。2.5電機控制器故障動力電池組的電能無法直接傳輸?shù)津寗与姍C，中間需要電機控制器進行電能轉換，同時電機控制器檢測三相電流信號和采集電機位置信號，實現(xiàn)驅動電機的有效控制，而電機控制器的電能轉化主要體現(xiàn)在車輛正常行駛時把動力電池高壓直流電轉換為三相交流電輸送給驅動電機，同時在車輛制動時將驅動電機產生的三相交流電轉換為高壓直流電給動力電池組充電[6]。而有些車型的直流/直流（DirectCurrent/DirectCurrent,DC/DC）轉換器相當于燃油汽車上的發(fā)電機，一般集成在電機控制器里面，其主要功能是當?shù)蛪盒铍姵靥濍姇r，將動力電池的高壓電轉換成電壓直流電，給低壓蓄電池充電。如果電機控制器出現(xiàn)故障，車輛將無法進行正常的電能轉換，此故障也將發(fā)送到整車控制器，整車控制器將不會發(fā)送允許上高壓信號，車輛將無法上高壓電。因此，電機控制器出現(xiàn)故障也可能導致車輛無法上高壓電。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汽車啟動時出是車輛正常更換熔絲熔絲EF29故障+B電源線路測試是車輛正常更換熔絲熔絲EF29故障+B電源線路測試現(xiàn)無法上高壓故障，根據(jù)車主描述，踩下制動踏板，按下START上高壓電時，儀表盤上系統(tǒng)故障燈閃爍，車輛模式指示燈不顯示，ready燈未亮，車輛無法正常上高壓，而導致車輛無法行駛。3.2故障診斷過程連接診斷儀器至診斷接口（OnBoardDiagnos-tics,OBD）后，踩制動踏板并保持，打開點火開關。此時通過使用診斷儀器與VCU和BCM進行通信，VCU顯示未連接成功，BCM讀取到故障代碼U111487：與VCU丟失通信。到的故障信息分別為與VCU丟失通信和CAN幀超時故障。記錄當前診斷儀器上的故障代碼，通過診斷儀器清除故障碼，然后關閉點火開關。接著打開點火開關，如果故障現(xiàn)象消失，車輛正常上電，VCU可以正常進行通信，則可能為系統(tǒng)故障代碼保護，造成VCU進入功能性保護模式，車輛無法上電；如果車輛還是不能上電，并且現(xiàn)象依舊存在，則通過診斷儀器，進行故障碼讀取并與先前的故障碼進行對比，如果不變，則此時故障代碼所指部位可能存在異常。流程分析如圖4所示。開始上電否否VCU不正常未排查出故障圖4故障診斷分析流程第二步：DTC分析。結合VCU控制邏輯、VCU電源線路原理圖在整車P-CAN和V-CAN數(shù)據(jù)總線上，而P-CAN和V-CAN同時損壞的概率不高，以及VCU有多根搭鐵線，同時損壞概率也不高。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：線路測試。任何條件下，使用萬用表測量VCU的+B電CA66/12?；痣娫袋c火電源EF29(10A)IGCA66/50功率電源EF19(10A)CA66/39功率電源反饋電源控制信號CA66/52CA66/25CA66/51CA66/1主繼電器ER058785VCUCA66/12?；痣娫袋c火電源EF29(10A)IGCA66/50功率電源EF19(10A)CA66/39功率電源反饋電源控制信號CA66/52CA66/25CA66/51CA66/1主繼電器ER058785VCU源對地電壓，標準值應為+B，如果測量結果為標準值，可能原因為VCU搭鐵線路存在故障或VCU自身存在故障，可先測試VCU搭鐵線的阻值。如果測量值為0～+B間的某個值，可能原因為測試點上游線路存在虛接故障，如果測量值為0，可能原因為測試點上游線路存在斷路。根據(jù)上一步判斷上游電路存在斷路情況，因為熔絲EF29供電線路是通過熔絲盒內部線路供電，很難確定哪端屬于供電端與負載端，因此，可測量熔絲EF29兩端對地電壓。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，則需測量VCU至熔絲段進行導通性測試。此車經過萬用表測試熔絲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。