纯电动汽车高压上电流程与故障分析

纯电动汽车高压上电流程与故障分析摘要：根据当前纯电动汽车发展趋势以及纯电动汽车故障数量不断增加的现象，旨在加强普通维修人员对纯电动汽车结构与原理的掌握。文章首先对纯电动汽车高压系统之间控制关系进行了分析，并对吉利帝豪EV450车型整车高压上电流程控制逻辑进行详细分析。根据掌握的高压上电控制逻辑总结造成高压系统不上电故障的类型，主要分为高压互锁断开故障、高压接触器粘连故障、整车控制器故障、电池管理系统故障、电机控制器故障五大类。最后根据吉利帝豪EV450实际案例分析造成高压系统不上电故障的可能原因，分析过程主要通过车主描述故障现象、故障现象复原以及故障诊断仪显示故障码进行故障码（DTC）分析，确认为整车控制器（VCU）电源故障或VCU自身故障，然后对VCU电源线路进行测试，经过测试分析，确认造成高压不上电故障的原因为+B电源熔丝损坏。因此，故障诊断分析时，不仅对高低压电控都非常了解，还要掌握整车控制单元、电池管理系统、电机控制单元等系统之间的控制逻辑，出现故障时，根据故障现象和故障码，综合判断故障范围。关键词：纯电动汽车；高压上电；整车控制器；电机控制器；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,制动真空整车控制器仪表控制器散热风扇动力电池控制器电机控制器仪表驱动空调压缩机驱动电机车载充电机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制动真空整车控制器仪表控制器散热风扇动力电池控制器电机控制器仪表驱动空调压缩机驱动电机车载充电机Keywords:Pureelectricvehicle;Highvoltagepower-on;Vehiclecontroller;Motorcontroller;Faultanalysis纯电动汽车运动过程中的驱动力来自于驱动电机，驱动电机依靠动力电池提供电能，而动力电池不需要使用汽油等化石燃料，只需要进行充电即可。对于现阶段油价居高不下，纯电动汽车不仅具有低能耗、轻污染的特点，更有很好的经济性和环保性。从近几年新能源汽车年销售量来分析，纯电动汽车越来越受到大众的欢迎。在纯电动汽车高压系统维修案例中，最常见的故障就是纯电动汽车高压不上电故障。维修纯电动汽车就必须要掌握纯电动汽车高压系统控制关系，如图1所示。因此，对纯电动汽车高压上电流程以及故障进行分析，能够减少纯电动汽车故障率，提升客户的使用信心，在一定程度上促进纯电动汽车的发展。充电控制器空调控制器电池模组图1一般纯电动汽车高压系统控制关系示意图1整车高压系统上电流程及原理分析帝豪EV450上高压电时，首先需车身控制模块（BodyControlModule,BCM）控制适应巡航控制（AdaptiveCruiseControl,ACC）、IG1Unit,VCU）、电机控制器（MotorControlUnit,MCU）、动力电池控制器（BatteryManagementSystem,BMS）等进入自检状态，此时低压上电完成。然后按下启动键START，中央集控器BCM将上高压电请求信号发送至VCU，同时VCU确认制动信号正常；同时通过V-CAN与BCM进行唯一识别码认证、互锁信号及碰撞信号的确认，一切正常后VCU通过P-CAN向BMS发送上高压电信号，BMS接收到上高压电信号后，首先检验动力电池高压接触器状态、漏电传感器信号、绝缘电阻以及单体电压、温度等。一切正常后BMS发送接通预充接触器和负极接触器信号，电力电子装置（PowerElectronicsUnit,PEU）检测预充完READY灯亮BMS绝缘检测漏电传感器认证请求BCM预充完成STATRT上电完成V-CAN制动开关启动▲READY灯亮BMS绝缘检测漏电传感器认证请求BCM预充完成STATRT上电完成V-CAN制动开关启动▲接收到预充完成信号后发送主正接触器接通信号，负责监控高压上电状态的PEU检测到高压上电完成，然后通过P-CAN将高压上电完成信号发送给VCU，VCU通过V-CAN把高压上电完成信息发送给仪表，仪表上显示整车READY[1]。如图预充接触器预充接触器主负接触器主正接触器温度温度、电压采样VCU碰撞互锁碰撞图2高压上电原理2高压系统不上电故障类型由于纯电动汽车电路复杂，既存在高压电路又存在低压电路，而电路又很容易出现断路、短路、虚接等故障。为了保证驾驶人员的安全，就必须对高压系统进行实时监控，以防各故障的出现。因此，在绝缘阻值、电压、电流、高压接触器、高压互锁回路、充电互锁的检测与故障处理方面尤其重要[2]。由于纯电动汽车与传统汽车的区别，高压上电的过程是由低压供电系统根据各类传感器的反馈数据来控制继电器实现的，以保证此过程的安全、有效。这种设计同时也保证了车辆在启动和行驶阶段的高压用电安全。在纯电动汽车使用过程中，不能正常上高压电，比较常见故障是高压互锁断开、高压接触器粘连、整车控制器故障、电池管理系统故障、电机控制器故障等[3]。2.1高压互锁断开故障高压互锁是指使用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。直接对高压部件进行监测比较困难，所以通常采用低压信号来检测确认整车高压系统回路电气完整性，确保所有高压部件和高压线束插接件都插接到位，无断路或短路现象；能够识别高压回路的非正常断开，并及时断开高压，避免出现安全事故[4]。而由于新能源汽车各个厂家的设计理念、控制逻辑、系统集成度都不尽相同，每个新能源汽车车企的高压互锁系统硬件构成与控制逻辑也不同。CA67/76BV11/1CA67/76BV11/1电机控制器车载充电机整车控制器电机控制器车载充电机BV11/27CA66/58CA61/7BV08/7BV08/6CACA61/7BV08/7BV08/6空调压缩机/控制器PTC加热器空调压缩机/控制器图3帝豪EV450高压互锁系统主流车企的高压互锁系统都有一个主控制器情况判断高压互锁系统的完整性，如出现高压互进行互锁信号的发送和接收，并根据接收信号的锁故障，并根据相应控制策略进行实施。图3为帝豪EV450高压互锁系统。此车型整车控制器为高压互锁系统的主控制器，并有CA66、CA67这两个插接器，CA67/76端子发送高压互锁信号，CA66/58负责接收高压互锁信号。如果电机控制器、车载充电机、空调压缩机、正温度系数热敏电阻（PositiveTemperatureCoefficient,PTC）加热控制器的插接头断开、松脱或者端子退针等情况，使整车控制器接收不到完整的高压互锁信号。此时整车控制器会根据设定的控制逻辑使车辆在启动过程中无法上高压电或行驶过程限制高压电的供应直至断开高压供应，最后致使纯电动汽车产生无法上高压电故障现象。2.2高压接触器粘连故障高压接触器类似低压电控制系统上的继电器，主要承担纯电动汽车动力电池与电机控制器、车载充电机等高压部件之间高压电能的通断，并保障高压电路及电路上各种电气部件的安全。而高压接触器与传统继电器相比，高压部件一般处于封闭状态，出现故障时诊断比较繁琐，因此，高压接触器的状态必须使用其他传感器进行实时监控，主要检测接触器触点是否粘连或者无法正常闭合，主要根据触点两端电压压差的变化程度进行故障判断。高压接触器触点失效的模式主要有闭合失效和开断失效两种，引起这两种失效的原因多种多样，其中主要的失效模式包含以下三种1）粘连，粘连是整个失效模式当中最主要的原因，说明触点分离时熔焊力大于触头分离力2）卡死，产生该种现象说明移动触点以及衔接部分出现了多余的杂物，主要原因在于磁感应强度过强，因此，电弧在长度较小的时候会被快速熄灭产生燃烧物的堆积3）耐压下降，产生耐压值下降的原因在于电弧触头烧蚀所致[5]。当动力电池管理系统检测到触点两端电压压差异常时，便会发送高压接触器粘连故障而使车辆在启动阶段无法上高压电或行驶过程限制高压电的供应直至断开高压供应，最后致使纯电动汽车产生无法上高压电故障现象。2.3整车控制器故障整车控制器是纯电动汽车的主要控制模块之一，参与高压系统的管理和监控工作，主要协助BMS进行高压接触器的通断管理，并通过控制器域网（ControllerAreaNetwork,CAN）总线获取其他高压管理模块的电压、电流、故障码等参数，以实现对高压系统的数据监控。如果高压系统发出故障码时，整车控制器会根据故障等级以及内部处理机制采取相应的措施。纯电动汽车上高压或者充电需要使用高压电时，都需要接收到整车控制器的允许信号。而当整车控制出现故障，不能对高压系统进行正常管理和监控时，整车控制器将不会发送允许上高压信号，则导致高压系统无法正常上电，所以整车控制器故障也可能导致车辆无法正常上高压电。2.4电池管理系统故障纯电动汽车动力电池组的总电压、单体电压、最高/低电压、总电流、单体温度以及最高/低单体温度等数据都是由电池管理系统进行实时监控和管理。电池管理系统根据以上数据计算电池荷电状态（StateOfCharge,SOC）、充放电模式以及故障诊断等，是动力电池的核心控制器。动力电池的各种数据都是通过BMS系统与整车控制进行交流。当BMS系统发生故障，则无法对电动汽车的电池组进行有效地监控，而整车控制器也接收不到BMS系统交流信号，此时动力电池无法被控制，那么动力电池高压电无法输入到各高压用电设备，如果BMS系统长期有故障，将直接影响动力电池的使用安全及使用寿命。因此，BMS系统出现故障也可能导致车辆无法上高压电。2.5电机控制器故障动力电池组的电能无法直接传输到驱动电机，中间需要电机控制器进行电能转换，同时电机控制器检测三相电流信号和采集电机位置信号，实现驱动电机的有效控制，而电机控制器的电能转化主要体现在车辆正常行驶时把动力电池高压直流电转换为三相交流电输送给驱动电机，同时在车辆制动时将驱动电机产生的三相交流电转换为高压直流电给动力电池组充电[6]。而有些车型的直流/直流（DirectCurrent/DirectCurrent,DC/DC）转换器相当于燃油汽车上的发电机，一般集成在电机控制器里面，其主要功能是当低压蓄电池亏电时，将动力电池的高压电转换成电压直流电，给低压蓄电池充电。如果电机控制器出现故障，车辆将无法进行正常的电能转换，此故障也将发送到整车控制器，整车控制器将不会发送允许上高压信号，车辆将无法上高压电。因此，电机控制器出现故障也可能导致车辆无法上高压电。3故障诊断分析3.1高压不上电故障描述某天车主反映吉利帝豪EV450汽车启动时出是车辆正常更换熔丝熔丝EF29故障+B电源线路测试是车辆正常更换熔丝熔丝EF29故障+B电源线路测试现无法上高压故障，根据车主描述，踩下制动踏板，按下START上高压电时，仪表盘上系统故障灯闪烁，车辆模式指示灯不显示，ready灯未亮，车辆无法正常上高压，而导致车辆无法行驶。3.2故障诊断过程连接诊断仪器至诊断接口（OnBoardDiagnos-tics,OBD）后，踩制动踏板并保持，打开点火开关。此时通过使用诊断仪器与VCU和BCM进行通信，VCU显示未连接成功，BCM读取到故障代码U111487：与VCU丢失通信。到的故障信息分别为与VCU丢失通信和CAN帧超时故障。记录当前诊断仪器上的故障代码，通过诊断仪器清除故障码，然后关闭点火开关。接着打开点火开关，如果故障现象消失，车辆正常上电，VCU可以正常进行通信，则可能为系统故障代码保护，造成VCU进入功能性保护模式，车辆无法上电；如果车辆还是不能上电，并且现象依旧存在，则通过诊断仪器，进行故障码读取并与先前的故障码进行对比，如果不变，则此时故障代码所指部位可能存在异常。流程分析如图4所示。开始上电否否VCU不正常未排查出故障图4故障诊断分析流程第二步：DTC分析。结合VCU控制逻辑、VCU电源线路原理图在整车P-CAN和V-CAN数据总线上，而P-CAN和V-CAN同时损坏的概率不高，以及VCU有多根搭铁线，同时损坏概率也不高。所以故障主要为（1）VCU端子CA66/12的电源+B线路断路、虚接、短路故障2）VCU自身故障。第三步：线路测试。任何条件下，使用万用表测量VCU的+B电CA66/12常火电源点火电源EF29(10A)IGCA66/50功率电源EF19(10A)CA66/39功率电源反馈电源控制信号CA66/52CA66/25CA66/51CA66/1主继电器ER058785VCUCA66/12常火电源点火电源EF29(10A)IGCA66/50功率电源EF19(10A)CA66/39功率电源反馈电源控制信号CA66/52CA66/25CA66/51CA66/1主继电器ER058785VCU源对地电压，标准值应为+B，如果测量结果为标准值，可能原因为VCU搭铁线路存在故障或VCU自身存在故障，可先测试VCU搭铁线的阻值。如果测量值为0～+B间的某个值，可能原因为测试点上游线路存在虚接故障，如果测量值为0，可能原因为测试点上游线路存在断路。根据上一步判断上游电路存在断路情况，因为熔丝EF29供电线路是通过熔丝盒内部线路供电，很难确定哪端属于供电端与负载端，因此，可测量熔丝EF29两端对地电压。如果熔丝EF29两端电压都为0，则初步判定熔丝EF29的上游电路故障，进一步检修线路；如果熔丝EF29两端电压分别为0和+B，则熔丝EF29熔断，需更换相同规格熔丝；若果熔丝两端电压都为+B，则需测量VCU至熔丝段进行导通性测试。此车经过万用表测试熔丝EF29两端电压分别为0和+B，初步判断故障为熔丝断路，更换相同规格熔丝。