汽车检测与诊断(下册)-第9章 电动汽车故障诊断

第九章电动汽车故障诊断第一节动力电池故障诊断第二节驱动电机故障诊断第三节控制系统故障诊断第四节其他常见故障诊断第一节动力电池故障诊断1.铅酸蓄电池铅酸蓄电池的发展历史较为长久，自1859年发明至今已有一百多年的历史，铅酸电池是最成熟的电动汽车用动力电池。1881年，世界第一辆电动三轮车使用的就是铅酸电池。铅酸蓄电池具有价格低廉、高倍率放电性能良好、高低温性能良好、电能效率高、易于识别荷电状态等优点。其缺点也显而易见：一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；二是使用寿命短；三是铅重金属存在污染。铅酸蓄电池不适合现代电动汽车发展的需要，目前主要用在低速电动车上。铅酸蓄电池一般使用金属铅作为负极，氧化铅作为正极，放点过程正负极都会有硫酸铅生成，硫酸在电解质溶液中既为反映过程中的反应物，又为生成物。一、动力电池的种类和特性铅酸蓄电池在充电开始后，端电压迅速上升，如图9-1中AB段所示。当到达B点后，铅酸蓄电池活性物质表面和微孔内的硫酸浓度平缓升高，端电压的上升也比较缓慢，如图9-1中BC段所示。随着充电过程持续进行，达到充电量的90%左右时，反应的极化增加，端电压再次明显上升，如图9-1中CD段所示。当端电压达到点D时，蓄电池的两级开始析出大量气体，端电压超过D点后，电解过程使蓄电池的端电压达到稳定值。铅酸蓄电池开始放电时，其端电压随放电电流增大下降较快，如图9-2的AB段所示；随后铅酸蓄电池活性物质表面电解液的浓度变化缓慢，端电压也随即保持稳定，如图9-2的BC段所示；电池继续放电，电解液和活性物质被消耗，端电压随之下降，如图9-2的CD段所示，直至达到铅酸蓄电池所规定的终止电压（图9-2中D点）；超过D点后，铅酸蓄电池呈“过放电”状态，“过放电”状态将使蓄电池损坏。2.镍氢蓄电池镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池。镍氢蓄电池具有比功率高、循环寿命长、适合大功率放电、循环寿命长、使用温度范围宽等优点，且不含铅、镉等对人体有害的金属，被称作“绿色电源”。目前研制电动汽车用高功率镍氢电池的公司主要有有日本三洋电机株式会社、松下EV电池公司、美国的Cobasys公司、德国的Varta公司和法国的Saft公司等。镍氢蓄电池的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要有储氢合金制成，是一种碱性蓄电池。镍氢蓄电池的充电起始阶段，其端电压迅速上升，随着充电时间的延长，端电压上升减缓。镍氢蓄电池的容量与蓄电池的端电压有一定的对应关系，如图9-3所示。镍氢蓄电池放电过程中，端电压会随着放电时间的延续不断下降。放电电流越大，蓄电池所能放出的安时量越小，电池的端电压越低。温度对镍氢蓄电池的放电特性具有一定的影响，如图9-4所示。3.锂离子蓄电池锂离子蓄电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是当前最新一代的充电电池。相比于其他种类的蓄电池，锂离子蓄电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无污染、无记忆效应、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，已经成为电动汽车理想的动力电源。目前世界范围内动力电池研发和产业化的三个集中区域分别位于德国、美国和中日韩所在的东亚地区，而锂离子动力电池的生产目前主要集中在中日韩三个国家。中国锂离子电池行业正在占据世界领先地位。国务院发布的节能与新能源汽车国家规划（2012—2020），重点支持动力电池的产业化和电池模块的标准化。3.锂离子蓄电池在国家“十三五”计划中设立了新能源汽车重点研发专项（2016—2020），提升锂离子电池的技术水平，开展新型锂离子动力电池的技术开发，开展新体系动力电池的技术开发。据《中国锂电产业发展指数白皮书》，2021年，全球锂离子电池市场规模达到545GWh，其中，中国锂离子电池市场规模约324GWh，约占全球市场的59.4%。常见的锂离子蓄电池有锰酸锂离子蓄电池、磷酸铁锂离子蓄电池、镍钴锂离子蓄电池等。三类锂离子蓄电池中，正极物质分别以锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锂为主要材料，再加入导电剂、树脂粘合剂，并涂覆在铝基体上。3.锂离子蓄电池锂离子蓄电池对充电终止电压的精度要求很高，过高的终止电压会影响锂离子蓄电池的寿命，对蓄电池造成永久性的破坏，过低的终止电压则会使充电不完全，缩短蓄电池的可用时间。以20A·h的磷酸铁锂（LFP）锂离子电池为例，其标称电压为3.2V，充电截止电压为3.65V。单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在3.65V以内，充电电流通常应限制在3C以下。若充电电压超过4.0V，则可能造成LFP锂离子电池永久性损坏。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式，首先用0.3C或1/3C的标准电流充电，在此过程中充电电流稳定不变，电池电压逐渐上升。当单体电池的电压上升到3.65V时，充电器应立即转入恒压充电。在恒压充电过程中，充电电流逐渐减小。当电池充足电时，电流下降到涓流充电电流，充电截止电流为1000mA。3.锂离子蓄电池当环境温度为25℃时，该锂离子电池放电电流通常不应超过4C。放电时单体电池电压不得低于2.0V。如果电池电压低于1.5V，就会造成永久性损坏，因此一般需要在2.0V以上使用。采用0.3C放电速率且单体电池电压下降到2.0V时，可放出20.48A·h；采用1C放电速率时，能够放出20.15A·h；采用2C放电速率（即放电电流为40A）时，能够放出19.98A·h；采用3C放电速率（即放电电流为60A）时，能够放出19.93A·h。第一节动力电池故障诊断1.蓄电池漏液（1）故障原因导致蓄电池出现漏液的主要原因有：上盖的阀帽老化导致渗酸漏液；极柱渗酸漏液，出现爬酸；蓄电池外壳破裂导致漏液。（2）故障诊断方法首先进行外观检查，确定出现漏液的具体部位。若上盖阀帽出现漏液，检查阀帽结构是否完好，密封性能是否正常；若极柱出现渗酸漏液，需擦干酸液后使用AB胶进行密封；若外壳破损导致渗酸漏液，使用塑料焊枪对破损出进行焊接。检查蓄电池电解液是否充足，必要时需补充电解液。二、动力电池的故障诊断第一节动力电池故障诊断2.蓄电池充不进电（1）故障原因导致蓄电池充不进电的主要原因有：充电机、充电插头、插座损坏；蓄电池内部缺液、干涸；蓄电池极板不可逆硫酸盐化等。（2）故障诊断方法检查充电插头和插座的结构是否完整，使用万用表测量充电插头的连接是否正常，检查充电机有无损坏，测量充电机的输出电压。检查蓄电池内部电解液的容量，缺液需及时补充，避免干涸。对于铅酸蓄电池，可通过测量充放电过程端电压的变化检查蓄电池极板是否存在不可逆硫酸盐化，可用蓄电池修复仪对硫化的蓄电池进行修复。二、动力电池的故障诊断第一节动力电池故障诊断3.蓄电池自放电过快（1）故障原因导致蓄电池自放电过快的主要原因有：隔板破裂，造成局部短路放电；极板活性物质脱落，使极板短路造成放电；极板材料或电解液中有杂质，使蓄电池放电；蓄电池盖上有电解液或水，使正负极形成通路而放电。（2）故障诊断方法检查隔板、极板的结构完整性，及时修复或更换损坏的隔板或极板；检查电解液的颜色，更换发黑的电解液时，要清楚干净蓄电池内的残液；检查蓄电池上盖是否清洁，是否有水、电解质、金属碎屑等会导致正负极形成通路的杂物；对于长期存放的铅酸蓄电池，还需确定是否因电解液中硫酸下沉导致的自行放电。二、动力电池的故障诊断第一节动力电池故障诊断4.蓄电池组不均衡（1）故障原因导致蓄电池组不均衡的主要原因是：由于生产工艺、原材料随机性、使用环境的影响，导致蓄电池组中某只蓄电池的故障，造成蓄电池组不均衡而出现电量下降快。（2）故障诊断方法使用万用表、蓄电池容量表等仪器检测蓄电池组，找到出现故障的单只蓄电池。对于短路、断路的单只蓄电池报废处理，更换新的单只蓄电池；对于蓄电池容量不平均，用蓄电池修复仪对其进行一般性的维护充电，并进行修复。完成单只电池修复后重新配组蓄电池组。二、动力电池的故障诊断第一节动力电池故障诊断5.电池管理系统（BMS）故障（1）故障原因：电池管理系统（BMS）故障的主要原因有：BMS通信线路故障；BMS供电电源电压过低或过高；（2）故障诊断方法检查BMS通信线路，通过万用表测量确认线束连接器端口之间的电阻是否在正常范围内，进行P-CAN网络完整性检查；使用万用表测量检查BMS蓄电池电压，查看熔丝是否熔断，视情况决定是否需要更换熔丝，检查BMS电源线路是否正常。二、动力电池的故障诊断第二节驱动电机故障诊断依据GB/T19596-2017《电动汽车术语》和GB/T18488《电动汽车用驱动电机系统》的定义，电机是将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的装置，具有能够做相对运动的部件，是一种依靠电磁感应而运行的电气装置。驱动电机是指为车辆行驶提供驱动力的电动机，将电能转换成机械能为车辆行驶提供驱动力的电气装置，该装置也可具备机械能转化成电能的功能。常见的驱动电机种类有直流电机、无刷直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。一、驱动电机的种类第二节驱动电机故障诊断1.直流电机直流电机驱动系统即由直流电源供给电机的驱动系统，将直流电源转化为用以驱动电机的电量形式，从而将电源能量转化为机械能。早期的电动汽车用驱动电机多采用直流电机，如法国雪铁龙SAXO电动轿车和日本大发HIJET电动面包车。这是因为直流电机具有起动加速转矩大、电磁转矩控制特性良好、调速比较方便、控制装置简单、控制成本较低等优点。缺点是有机械换向器，当在高速大负荷下运行时，换向器表面会产生火花，所以电机的转速不能太高，且电刷需要定期维护，这也在一定程度上造成了其使用方面的不便。采用机械式电刷和换向器的直流电机，其过载能力、转速范围、功率体积比、功率重量比、系统效率、使用维护性均受到限制。第二节驱动电机故障诊断直流电机由静止的定子和可旋转的转子两大部分组成。定子主要由主磁极、机座、换向极、电刷装备等组成，主要作用是产生气隙磁场；转子主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成。直流电机的结构图如图9-5所示第二节驱动电机故障诊断2.无刷直流电机无刷直流电机使用电子换向装置代替了有刷直流电机的机械换向装置，保留了有刷直流电机宽阔而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电机机械换向带来的一系列缺点。无刷直流电机体积小、重量轻，易于做成各种体积形状，且效率高、转矩大，控制精准方便，是最理想的调速电机之一，在电动汽车上有着广泛的应用前景。按照工作特性，无刷直流电机可以分为具有直流电机特性的无刷直流电机（又称矩形波同步电机）和具有交流电机特性的无刷直流电机（又称正弦波同步电机）。第二节驱动电机故障诊断无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和转子位置传感器三部分组成，如图9-6所示。电机本体由定子和转子2部分组成，定子是电机本体的静止部分，它由导磁的定子铁芯、到点的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的其他零部件组成，转子是电机本体的转动部分，是产生磁场的部件。电子换向器由功率变换电路和控制电路组成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。转子位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关提供正确的换向信息。第二节驱动电机故障诊断3.交流感应电机交流感应电机又称作异步电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电机。与直流电机相比，交流感应电机结构简单，从技术水平来看，感应电机驱动系统是电动汽车用电驱动系统的理想选择，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车。按照转子结构划分，可分为笼型异步电机和绕线型异步电机；按照定子绕组相数划分，可分为单相异步电机、两相异步电机和三相异步电机。在电动汽车中，三相笼型异步电机的应用最为广泛。第二节驱动电机故障诊断三相异步电机有静止的定子和可以转动的转子组成，定子和转子中间留有气隙，气隙一般为0.25~2mm，功率越大，转速越高，气隙的长度越大。三相异步电机的基本构造如图9-7所示。三相异步电机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子铁心一般由表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，用于放置定子三相绕组；定子绕组由三个完全相同、且在定子表面对称分布的绕组（每个为一相）根据需要连接成星形或三角形构成的三相对称绕组，作用是产生旋转磁场和吸收电功率；机座主要起到固定和支撑作用。第二节驱动电机故障诊断4.永磁同步电机永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值。永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁同步电机。第二节驱动电机故障诊断永磁同步电机是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，省去了励磁线圈、集电环和电刷，其结构示意图如图9-8所示，主要有定子和转子两大部分组成。定子与普通电机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。转子主要有永磁体、转子铁芯和转轴等组成。相比于普通电机，永磁同步电机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电机驱动控制的目的。第二节驱动电机故障诊断5.开关磁阻电机开关磁阻电机是一种新开发的机电一体化电机，采用定转子凸极且极数相接近的大步距磁阻式步进电机的结构，利用转子位置传感器通过电子功率开关控制各相绕组导通使其运行的电机。由于其结构和控制系统简单，以及电子器件的发展，开关磁阻电机在近20年备受重视。图9-9为开关磁阻电机的结构示意图第二节驱动电机故障诊断开关磁阻电机与磁阻（反应）式步进电机一样，遵循磁通总是要沿着磁导最大路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩-磁阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁导要有尽可能大的变化，一般采用凸极定子和凸极转子，即双凸极型结构，并且定子、转子的齿极数（简称极数）不相等。图9-10为常用开关磁阻电机的横截面示意图。第二节驱动电机故障诊断根据QC\T893-2011《电动汽车用驱动电机系统故障分类及判断》，驱动电机部件的故障模式分为损坏型故障模式、退化型故障模式、松脱型故障模式、失调型故障模式、堵塞与渗漏型故障模式、性能衰退或功能失效型故障模式等。根据危害程度，又可以分为致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障四级。二、驱动电机的故障诊断第二节驱动电机故障诊断1.驱动电机无法正常工作（1）故障原因驱动电机无法正常工作的主要原因有：电机控制器因电容器、功率器件等失效导致控制系统无法工作；电机绕组绝缘击穿短路或电机绕组温度过高烧毁；电机轴承碎裂；电缆线和连接线短路、接地出现故障；电机安装支座破坏或断裂导致电机发生明显位移。（2）故障诊断方法首先检查控制系统的各元件，测试电机控制系统功能是否正常；检查测试是否有绕组和电机外壳之间、绕组匝间短路的现象，检查电机绕组有无因运行温度过高导致的烧毁现象；检查电机轴承的衬套、轴径等部件有无过大裂纹、滚子过大变形等现象；检查电机主题、电机控制系统与汽车其他各系统及接地的电缆线和连接线是否正常；检查电机安装支架、固定螺丝等是否正常，查看电机的位移是否复合车辆正常使用的要求。第二节驱动电机故障诊断2.冷却性能下降（1）故障原因冷却性能的主要原因有：冷却风机因短路或工作温度过高而烧毁；冷却风机的风罩和叶片发生干涉；冷却管路堵塞；冷却系统漏液、缺液；冷却系统温度传感器失效。（2）故障诊断方法对上述故障涉及到的部件进行检查。检查冷却风机的各部件是否有短路现象及因短路等导致的烧毁现象；检查冷却风机的固定安装位置是否正常，冷却风机的风罩有无因挤压、碰撞产生的过大形变，避免风罩、叶片等部件之间的干涉；检查冷却液的存量是否满足系统工作要求，同时测试冷却液管路是否出现堵塞、泄露、密封不当等问题；测试冷却系统温度传感器的灵敏程度、传感区间等是否满足要求。第二节驱动电机故障诊断3.驱动电机性能下降（1）故障原因驱动电机性能下降的主要原因有：电机永磁体失磁过高导致电机最大转矩或最大功率下降明显；电机轴承异常磨损；冷却效率降低导致电机触发保护；电机转速/位置传感器功能失效。（2）故障诊断方法对上述故障涉及到的部件进行检查。检查测试电机永磁体的剩磁是否符合要求，测试电机所能产生最大功率和最大转矩是否较大地低于规定指标，必要时需返厂；检查电机轴承的润滑情况，轴承衬套、转子等部件的形变和表面损坏；检查冷却性能是否满足要求，解除电机因冷却不足而产生的保护；测试电机各传感器的功能是否满足要求。第二节驱动电机故障诊断4.驱动电机异响（1）故障原因驱动电机异响的主要原因有：电机连接螺栓、安装螺栓松动；电机轴承润滑下降或混入异物。（2）故障诊断方法检查驱动电机的安装螺栓和电机附件的连接螺栓是否松动；检查电机轴承的润滑油脂是否充足，对电机轴承进行清洗，必要时需返厂检查，甚至更换电机轴承。第三节控制系统故障诊断电动汽车控制系统主要包括电机控制器和整车控制器两大类。依据GB/T19596-2017《电动汽车术语》，电机控制器（electricalmachinecontroller）是控制动力源与电机之间能量传输的装置，由控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成；整车控制器（vehiclecontrolunit）是动力总成控制器，采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作，可实现整车驱动、制动、能量回收。第三节控制系统故障诊断1.电机控制器电机控制器从整车控制器获得整车的需求，从动力电池获得电能，经调制后想电机提供所需的电流和电压，控制电机的转速和转矩以满足汽车加减速、停车、制动等功能要求。电机控制机的功能概括如下：把直流电变成交流电；控制电机正反向驱动、正反转发电；控制电机的动力输出，保护电机；通过CAN总线与其他控制模块通信；制动能量加馈控制；自身内部故障检测；采集挡位信号和制动传感器信号。图9-11为电机控制器的外形，一般具备两对高压接口和一个低压接口。高压输入接口用于连接动力电池包，高压输出接口连接电机；所有的通信、传感器、低压电源通过低压接头引出，连接到整车控制器和动力电池管理系统。一、电动汽车控制系统第三节控制系统故障诊断第三节控制系统故障诊断电机控制器主要依靠电流传感器、电压传感器、温度传感器等来进行电机运行状态的监测，其控制方式主要由电压控制、电流控制、频率控制、弱磁控制、矢量控制、直接转矩控制。电压控制是通过改变电机段电压而实现转速控制的控制方式；电流控制是通过改变电机绕组电流而实现转速控制的控制方式；频率控制是通过改变电机的电源频率而实现转速控制的控制方式；弱磁控制是通过减弱气隙磁场控制电机转速的控制方式；矢量控制是将交流电机的定子电流作为矢量，经坐标变换分解成与直流电机的励磁电流和电枢电流相对应的独立控制电流分量，以实现电机转速/转矩控制的方式。直接转矩控制是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电机的转矩，采用定子磁场转型，借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能的控制方式。第三节控制系统故障诊断2.整车控制器整车控制器是电动汽车正常行驶的控制中枢，是整车控制系统的核心部件，是纯电动汽车的正常行驶、再生制动能量回收、故障诊断处理和车辆状态监视等功能的主要控制部件。电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制和分布式控制两种方案。集中式控制系统的优点是处理集中、响应快和成本低，缺点是电路复杂并且不易散热。分布式控制系统的优点是模块化和复杂度低，缺点是成本相对较高。典型分布式整车控制系统示意图如图9-12所示，整车控制器是整车控制系统的顶层部件，通过CAN总线接收电机控制器和电池管理系统的信息，并对电机控制器、电池管理系统和车载信息显示系统发送控制指令。电机控制器和电池管理系统分别负责驱动电机和动力电池组的监控与管理，车载信息显示系统用于显示车辆当前的状态信息等。第三节控制系统故障诊断整车控制系统对电动汽车动力链的各个环节进行监控、管理和协调，以提高整车的能量利用效率，确保车辆安全性和可靠性。整车控制器采集驾驶员驾驶信号，通过CAN总线获得驱动电机和动力电池系统的相关信息，进行分析和运算，通过CAN总线给出电机控制和电池管理指令，实现整车的驱动控制、能量优化控制和制动能量回收控制。整车控制器还具有综合仪表接口功能，可显示整车状态信息；具备完善的故障诊断和处理功能；具有整车网管及网络管理功能。第三节控制系统故障诊断第三节控制系统故障诊断控制系统的常见故障包括：整车控制系统故障、CAN线（总线）故障、传感器故障和电源故障等。电动汽车具有完善的车载故障自诊断系统OBD（On-BoardDiagnostics），无论是电池控制系统还是整车控制系统柜，都可以通过故障自诊断系统判断故障。二、控制系统的故障诊断第三节控制系统故障诊断电控系统故障诊断的一般程序如下：（1）检查蓄电池电压是否正常；（2）检查滤芯及其周围是否有脏污，必要时需进行更换；（3）检查真空软管是否破裂、老化或挤坏，确认软管和其他部件的接头是否工作正常；（4）检查控制系统线束的连接情况；（5）检视每个传感器和执行器是否有明显的外部损伤；（6）利用车载故障自诊断系统和故障诊断仪读取故障码，确定具体故障部位，并对具体故障部位进行必要的深入诊断和修复。二、控制系统的故障诊断第三节控制系统故障诊断二、控制系统