譚仕發
(眉山職業技術學院, 四川 眉山 620010)
新能源汽車作為汽車產業的新動能正在醞釀重塑產業力量的大趨勢。在國家大力支持下,新能源汽車長期發展趨勢向好,2019年中國新能源汽車產銷量超過120萬輛,居全球領先地位。
在新能源汽車快速市場化的背景下,新能源汽車故障頻發,而相關的維修技術標準體系尚不完善,對新能源汽車的維修手段主要體現在整個部件的更換,車主維修成本較高;同時,新能源汽車后市場技能型服務人才稀缺,相關售后服務問題日益凸顯。
新能源汽車頻發故障,具體表現為故障報警、限功率運行、車輛無法上電等故障現象,其中車輛無法完成高壓上電是多數故障發生后的車輛最終表現,出現頻率較高,行業專家對新能源汽車上電故障、上電流程、上電控制策略已經做了大量的研究工作,取得了較好的研究成果[1-3]。
本文以某型純電動汽車為例,研究了其上電流程及控制策略,并分析高壓上電故障,READY燈點亮失敗的可能原因,并提出了相關的診斷方法。
新能源汽車高壓上電,即動力電池輸出高壓電,供給車輛高壓用電設備,高壓控制盒、電機控制器、驅動電機等。
圖1為某型純電動汽車動力電池的上電過程原理。圖中MSD表示手動維修開關,V1監測MSD的連接良好、動力電池串聯回路連接完好,V2監測預充電阻后的電壓,V3監測對負載的預充電壓,通過比較V1、V2、V3電壓值來判斷各接觸器的連接狀態,PTC加熱元件對動力電池系統保溫。
圖1 動力電池上電過程原理
行車模式下的高壓上電過程,VCU控制負極接觸器閉合,再由BMS控制預充電接觸器,在檢測到預充電壓達到目標電壓值后,判斷預充電成功,閉合正極接觸器,斷開預充接觸器,完成行車模式的高壓上電過程,通過對比分析V1、V2、V3電壓值來判斷各接觸器的連接狀況。
通過采集行車模式下正常上電過程V1、V2、V3電壓值,繪制得到圖2曲線圖。由圖2可知,上電過程的t1時刻,動力電池系統MSD正常連接,模組之間串聯良好,V1電壓值為動力電池的額定電壓500V;t2時刻,負極接觸器閉合,此時V2與預充電阻串聯 (圖1),V2電壓低于V1;t3時刻,預充接觸器閉合,動力電池系統開始對外部高壓電器預充電,V2與V3并聯,V2的電壓被拉低,再V2與V3電壓同時升高;t4時刻,預充電完成V2=V3≥90%V1,閉合正極接觸器;t5時刻預充接觸器斷開,上電完成。
圖2 正常上電過程電壓曲線
鑰匙置ON擋后,VCU被喚醒,VCU自檢完成之后,向CAN線發送第1幀報文請求閉合高壓互鎖回路使能,同時喚醒MCU以及BMS,BMS自檢正常后監控互鎖回路信號、檢測高壓回路絕緣狀況,檢查動力電池SOC狀態,內部單體電壓以及電池溫度,判斷整車當前的充電或是行車模式,符合高壓上電條件后,執行上電程序。實時監控駕駛員的鑰匙請求,當keyon=0后,進入低壓電/高壓電的下電流程。圖3為某型純電動汽車行車模式下的上電控制策略示意[4-5]。
圖3 行車模式下的上電控制策略示意
其中,高壓回路的絕緣狀況檢測,將動力電池高壓電源作為檢測電源,在動力電池的正負極以及車輛底盤之間建立橋式阻抗網絡,如圖4所示。通過控制電子開關管T1、T2的通斷,改變A、B之間的等效電阻,通過計算BMS得到絕緣阻值,并進行絕緣性能的判定。
另外,整車在高壓上電前須確保高壓回路的完整性,使高壓處于封閉的環境下運行,通常BMS發出并監測12V低壓電氣信號,檢測高壓部件、高壓接插件、護蓋等的連接完整性。
圖4 橋式阻抗網絡電路
新能源汽車無法上高壓,READY燈點亮失敗,類似這種故障時有發生,且各品牌各車型都有出現類似案例,引起上電失敗的原因也層出不窮。從上電過程總結,第1類初始化階段,各控制器未完成自檢,動力電池SOC太低,單體壓差過大,動力電池過溫/過冷;第2類如絕緣阻值過低,絕緣監測報故障;互鎖回路不完整,無法監測到低壓電氣信號,報互鎖故障;第3類執行高壓上電階段,接觸器的非正常通斷造成預充電的失敗或超時,如圖5、圖6所示。
圖5 非正常上電曲線示例1
圖5 所示的上電故障發生在負極接觸器閉合后的t2時刻,負極接觸器閉合后,檢測V2電壓小于V1電壓的50%,且未到t3時刻,預充接觸器還未閉合,而V3電壓逐漸升高,已經開始了預充電過程。于是設置判定條件:負極接觸器閉合V2≤50%V1,且120~150ms后,V2電壓達到V1電壓的80%,則判定為預充接觸器粘連故障。
圖6所示的上電故障發生在t4時刻,預充完成,閉合正極接觸器。由于正極接觸器未能正常閉合,100ms后斷開預充接觸器,預充電容通過放電電阻釋放電能,V3電壓降低。于是設置判定條件為:閉合正極繼電器,斷開預充繼電器后,V3電壓沒有達到V1電壓的95%以上,則判定正極繼電器斷路。
圖6 非正常上電曲線示例2
動力電池執行上高壓階段出現上電失敗的其他案例,通過采集分析V1、V2、V3的電壓數據,判定出在設定的上電時刻有沒有執行相應的指令,從而推斷出故障點的位置,如MSD的未連接或熔斷器燒壞,負極接觸器粘連、預充接觸器粘連、預充電阻燒壞、正極接觸器粘連等。
針對新能源汽車上電故障問題,本文以某型純電動汽車為例,分析其上電流程及控制策略,得出以下建議。
1) 各控制器自檢未完成,檢查各控制器的“ON”、“CHG”或“WAKE UP”信號以及相互間CAN通信狀況。
2) 絕緣故障,檢查高壓線束破損情況,檢查高壓插接器有無泥沙雜物進入,分別檢查高壓部件、高壓線束正負極對車身搭鐵的絕緣阻值。
3) 高壓互鎖故障,依車型手冊找出互鎖回路連接狀況,檢查互鎖回路的導通情況,檢查互鎖回路的電氣信號。
4) 動力電池執行上高壓階段,通過采集分析V1、V2、V3的電壓數據,判定出在設定的上電時刻有沒有執行相應的指令,從而推斷出故障點的位置。