雷凌混合动力轿车动力系统故障引起的运行后偶发停机故障诊断排除

张 发

（广州市交通运输职业学校， 广东 广州 510440）

1 广汽丰田雷凌混合动力系统的基本构成与驱动原理

雷凌混合动力系统主要由混合动力传动桥总成、高压蓄电池组、发动机总成、电机发电机 （MG1、MG2）、带转换器的变频器总成、带转换器的压缩机总成以及辅助电池等组成。车上的位置布置如图1所示，整个系统的动力连接关系如图2所示。

1） 发动机总成

雷凌双擎车辆采用8ZR-FXE阿特金森循环发动机，进气门关闭时间被延迟，延迟了实际压缩行程，压缩行程小于膨胀行程，所以热效率更高、油耗低，扭矩降低需要电机辅助。

HV ECU向发动机ECU发送信号 （目标转速和需求扭矩），发动机ECU根据HV ECU的要求控制节气门、燃油喷射量、点火正时和喷油正时，实现发动机的启动和运转。当HV ECU发出停止信号时，发动机ECU控制其停止工作［1］。

2） 混合动力传动桥总成

传动桥总成由复合齿轮单元、MG1、MG2、油泵、主减速器以及差速器等组成，其中复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构组成，动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1，行星齿轮支架连接至发动机，齿圈连接动力输出至车轮，电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2，行星齿轮支架固定至传动桥外壳，齿圈连接至复合齿轮，如图3所示。

图1 混合动力系统布置图

图2 混合动力系统动力连接关系图

图3 混合动力传动桥的组成结构

在车辆行驶时，动力分配行星齿轮机构在MG1 （用于发电） 和车轮之间分配发动机动力，如图4所示；在起动发动机时，将MG1驱动起动发动机（用于起动），如图5所示。行驶时MG2用来驱动车轮，电动机减速行星齿轮机构降低MG2的转速，从而可利用紧凑、轻量的电机产生较大的扭矩。此外，减速时利用其再生制动实现能量回收。混合动力传动桥利用电动机无极变速变扭的特性达成无极变速器的功能，故该传动桥又称为E-CVT变速器。

图4 车辆行驶时

图5 起动发动机时

MG1、MG2均为三相交流永磁同步电机，配备定子线圈温度传感器、转子解析器。其中，解析器检测转子的位置、方向、转速，是电机运行的基本条件之一。

3） 混合动力电池

HV电池为镍氢蓄电池，由28个模块串联组成，每个模块7.2V，总电压为201.6V，电池智能管理单元将SOC控制在规定范围，目标SOC为60%。

4） 变频器

变频器由4部分组成，分别为：增压转化器，将HV电池组201.6V的直流电转变成最高650V的高压直流电；逆变器，将升压后的直流电转化成交流电，给电动机提供电能；整流器，发电机发出的交流电整流成直流电后给HV电池充电；DC/DC转换器，将HV蓄电池或发电机发出的201.6V直流电减压至14V，给辅助蓄电池充电，并为车辆辅助设备、电子部件及发动机ECU提供电能。

5） THS-Ⅱ电气控制系统

THS-Ⅱ控制系统结构如图6所示，它可分为高压电气系统、低压电气系统。混合动力控制系统实现以下控制：监控混合动力组成部分的运转状态；监控通过车载网络传来的制动信息；监控驾驶者操作的指令；监控辅助驾驶设备的能量消耗。THS-Ⅱ系统的控制功能如表1所示。

图6 THS-Ⅱ控制系统结构图

图7 雷凌混合动力系统列线图

2 应用“列线图”分析混合动力传动桥动力分配与工况

列线图是诺谟图的一种，用以表达代数方程各变量相互关系的一种图形。列线图直观再现了行星齿轮的工作情况，故障发生时存储的定格数据主要用于分析发生故障时存在何种驾驶条件［2］。

如图7所示，纵轴表示旋转方向和转速；纵轴的间距表示传动比，在雷凌P410传动桥中动力分配机构传动比为0.72:0.28，电机减速机构传动比为2.64:1；箭头表示扭矩方向。红色箭头 （正扭矩） 表示MG作为电动机工作，蓝色箭头 （负扭矩） 表示MG作为发电机工作。如果MG1和MG2的旋转方向和扭矩方向相同，则系统处于放电状态。如果方向相反，则系统处于充电状态。

如根据表2数据，可以绘制出列线图 （图8），可判定车辆同时使用发动机和MG2驱动，MG1正在产生电能时出现故障。尝试再现故障时可以使用这些结果，也可以作为分析故障范围的依据。

表1 THS-Ⅱ系统的控制功能表

表2 某DTC下定格数据

图8 表2工况列线图

3 故障案例

3.1 案例1

一辆2016款广汽丰田雷凌混合动力轿车，行驶里程为4.2万公里，因偶尔无法行驶到店保修。客户反映：该车偶尔出现无法行驶的故障，同时组合仪表上的主报警灯、发动机故障灯等多个指示灯点亮，且多功能显示屏提示“混合动力系统故障，换至P挡，请参见维修手册”，如图9所示。

图9 车辆仪表显示

查阅该车型厂家培训资料，混合动力系统控制装置失效保护表［3］如图10所示。

图10 混合动力系统控制装置失效保护表

初步判断故障范围在电机、电机控制器、混合动力电池及管理系统、发动机控制系统、网络通信等方面。由于故障涉及动力中断、停机等情况且均为偶发性，给试车带来了一定的困难和安全隐患。由于没有较好的试车场所与环境，技师团队决定先从故障码、定格数据入手，先界定混合动力系统的两大动力源发动机、电机驱动中发动机、MG1、MG2的工作状态。

1） 问诊故障发生场景、过往维修记录，获知该车在半年前发生了一次碰撞事故，曾更换了前保险杠和左前翼子板，故障发生在近期暴雨天气。验证故障现象，组合仪表上READY指示灯正常点亮，观察无任何故障指示灯点亮，车辆能够正常行驶，基于偶发性及试车环境 （无暴雨天气），试车重现故障暂且搁置。

2） 使用丰田专用诊断仪GTS读取故障码，无当前码，历史码显示为：P0A3F21——驱动电动机“A”位置传感器信号振幅＜最小；P1CAD49——驱动电动机“A”位置传感器内部电子故障。

3） 读取待定定格数据，筛选相关数据见表3。

表3 相关定格数据

4） 运用“列线图”分析，当前车辆处于发动机驱动车辆前行，MG1处于发电状态，MG2处于空转状态。基于该车辆驱动原理，处于定速巡航阶段应该为发动机、MG2共同驱动车辆，MG1发电供MG2使用，同时控制SOC在60%的目标范围左右。而当前SOC处于控制上极限 （约80%），HV控制单元不允许MG1继续发电继而控制系统停机，从而可以锁定故障范围在MG2无法正常工作。

5） 分析待定故障码设置条件及故障可能部位，均与电机解析器有关。根据维修手册指引，MG2电动机解析器可能是造成故障的原因，检查电动机解析器内部电阻以及逆变器至解析器的连接情况，经检测相关测量值 （表4） 均符合规定状态。

表4 相关检测数据

6） 由于偶发故障，基于以上诊断分析与问诊情况，决定用高压水枪重点对车辆左前侧进行淋雨测试，仪表MIL、主报警灯均点亮，从而坚定对MG2解析器线路、连接器进行仔细检查，发现MG2解析器防水胶塞已缺失，仔细检查MG2解析器端子发现有轻微氧化腐蚀。

7） 使用除锈剂清理端子上的氧化物，更换MG2解析器导线连接器，清除故障码。再次用高压水枪进行淋雨测试，故障现象不再出现。交车1个月后回访，客户反映一切正常。

3.2 案例2

一辆2017年产雷凌轿车，车主为某平台网约车用户，行驶里程为8.7万公里。客户反映：车辆有时需操作2～3次才能起动发动机，且加速不如以前，发动机故障灯亮；运行过程中偶尔出现车辆电量不足，请及时充电的提示信息。一次高速行驶出现车速从90km/h左右瞬时下降至40km/h左右，停车后恢复。因故障严重影响行车安全，车主就近下高速后致电保险公司拖车到店保修。

1） 问诊故障发生场景、频率、过往维修记录等信息，车主因担心厂家不给保修隐瞒了曾在外进行了追尾交通事故维修。

2） 使用诊断仪读取故障码，显示U0120、U0164、B124B、P3190等多个故障码，清除再次读取出P3190发动机动力不足的故障码。

3） 读取定格数据，筛选相关数据见表5。

表5 相关定格数据

4） 运用“列线图”分析，当前车辆处于MG2驱动运行，MG1处于起动状态，发动机处于空转状态。基于该车辆驱动原理，当SOC下降时，MG1会起动发动机，使发动机驱动车辆同时带动MG1发电，控制SOC在60%的目标范围左右。而当前SOC为36.6%处于接近控制下极限，HV控制单元不允许MG2继续用电继而控制系统停机，从而可以锁定故障范围在发动机未能正常工作。值得说明的是，在试车过程中未能直观感受到发动机熄火，发动机停机瞬间感受到为较强力制动感。

5） 分析故障码P3190设置条件及故障可能部位、诊断流程，总结出如下检查流程［4］，如图11所示。

6） 按检查计划实施检查，进入保养模式强制起动发动机，在60s内执行：将电源开关置于IG-ON位置，选择驻车挡P时，2次完全踩下加速踏板；选择空挡N时，2次完全踩下加速踏板；选择驻车挡P时，2次完全踩下加速踏板。踩下制动踏板时，通过将电源开关置于ON （READY） 位置起动发动机。检查燃油压力正常，进气系统未见漏气，空气流量计静态数值起动后响应均正常。短期燃油修正为5%，长期燃油修正为3%，属正常。后对缸压、火花塞、喷油嘴等部件均进行了检查，用内窥镜子检查气门积碳未见异常。

图11 P3190故障诊断计划程序

7） 将车辆进入保养模式，接上诊断仪对数据进行实时录制。过程中采用频繁过减速带的方式模拟振动等因素，故障得以再现。查看定格数据发现瞬间燃油压力为0，初步判定故障点在燃油泵线路上。

8） 查找燃油泵控制电路，仔细检查相关继电器、连接器、搭铁点，最终发现燃油泵搭铁点LF存在虚接 （图12）。紧固该搭铁点后，重复步骤7，HV电池SOC恢复目标值附近。经与车主反馈，确认该车事故维修经历，其追尾撞击位置包括该搭铁点LF处，交车1个月后回访，客户反映一切正常。

图12 燃油泵搭铁点位置

4 总结

本文详细讲述了2例广汽丰田雷凌混合动力轿车动力系统故障的诊断与排除，一例是出现动力不足、偶尔无法行驶，另一例出现运行后偶发停机故障，由于故障现象具有相似性且均为偶发性，故障范围涵盖涉及发动机控制系统、电机控制系统，覆盖了油电混合车辆混合动力系统的两种动力源。油电混合动力车辆动力系统的诊断区别于燃油汽车的单一动力源，且混联式混合动力动力源间能量存在相互转换，在不同工况下动力分配不同方式，充分理解混合动力汽车驱动的工作原理，是诊断行驶故障的基本能力要求。应用列线图能直观再现各动力部件工作情况或驾驶条件，故障发生时利用存储的定格数据分析发生故障时存在何种驾驶条件。列线图既可以帮助加深对混合动力分配的理解，又可以用于分析故障发生时的车辆工况，为锁定动力故障类的故障范围提供指引。

回顾前文图10，当MG2发生故障时，车辆由发动机驱动，MG1会发电，车辆在此状况下可运行至高压蓄电池SOC控制上限，系统会停机工作；当发动机故障时，车辆只能由MG2驱动，受HV电池容量及SOC控制下限，车辆只能较低速运行几公里。其在列线图上可以表示为图13、图14。

图13 MG2故障引起的运行停机

图14 发动机故障引起的运行停机

对于偶发性故障，尤其是动力行驶类故障，对于试车的环境等要求较高，如果能明确故障发生工况、可能触发条件，再针对性地创设条件模拟试车，才能避免事倍功半。案例中渗水腐蚀、虚接等诱因在偶发故障中较为典型，此类故障触发情景需技师在问诊过程中有意识地挖掘。两个案例的故障点均可以追溯到事故车的维修历史，事故车维修过程的品质意识与品质监管有待改善。

当前混合动力汽车作为新能源与节能汽车的典型技术路线，混合动力汽车其动力系统较燃油汽车更为复杂，加之保有量为近年来才逐步提升，占混动汽车销量的主体车企在该领域技术成熟度较高，进厂维修案例较少。对车型的基本控制原理理解，区别于传统燃油汽车的方法掌握，维修经验案例积累均有待提高。