纯电动汽车启动故障诊断方法及应用

2022-10-27邵凌宇周晓龙郭宏伟陈仁奎王海彬中国第一汽车集团有限公司吉林长春130011

汽车电器 2022年10期

关键词：阻值插头绝缘

邵凌宇，周晓龙，郭宏伟，吉岩，陈仁奎，王海彬（中国第一汽车集团有限公司，吉林长春130011）

随着新能源汽车行业的迅猛发展，新能源汽车出现的相关故障也逐渐凸显出来。充分认识纯电动汽车启动系统构成和策略，可以更好助力分析汽车启动系统故障，并运用快捷方法高品质、高效率地解决所出现的问题。

1 系统功能及构成

1.1 启动过程简述

新能源汽车启动系统功能为：在触发启动命令后，经过各相关控制器自检合格，整车控制单元发送指令给电池管理系统控制电池组为整车高、低压线路供电使车辆启动。

1.2 启动系统构成概述

新能源汽车启动系统主要由动力电池系统（主要包含电池模组、电池管理系统等，其中电池管理系统Battery Management System简称BMS）、动力电机系统（主要包含驱动电机、电机控制器等，而电机控制器Motor Control Unit简称MCU）、直流/直流转换器(Direct Current，DC/DC)、高压配电盒(Power Distribution Unit，PDU)、车身控制器(Body Control Module，BCM)系统（主要包含钥匙探测系统、启动开关、制动踏板信号等）以及关键的整车控制器(Vehicle Control Unit，VCU)等构成。某车型各系统的控制器位置示例如图1所示。

图1 相关各控制器位置图

2 工作原理

纯电汽车工作原理以奔腾E01车型为例，在驾驶员踩踏制动踏板同时按下启动开关后，BCM与VCU得到启动信号，并通过一系列判断后，VCU命令BMS供给整车高压系统300～500V的高压直流电，车辆上电成功后仪表获得信息，显示“READY”启动成功。挂挡后，直流高压电通过电机控制器转变为交流电，输出给电机将电能转化为动能，驱动汽车行驶。VCU通过综合车辆油门制动踏板信息、车速信息、故障信息、电量信息等其它相关车辆参数，计算出需要电机输出的扭矩值发送给MCU执行，从而实现相应的加速、减速、匀速等驾驶功能。

某示例启动系统工作过程简介如下。

1）驾驶员在踩踏制动踏板的同时按下启动开关健，BCM通过制动踏板反馈判断车辆处于制动状态，BCM通过低频天线判断合法钥匙是否处于车内，BCM向转向柱锁(Electronic Steering Column Locks，ESCL)发出解锁信号，ESCL反馈解锁成功后，BCM让IG继电器吸合，整车上IG电，BCM通过网关(Gateway，GW)向控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）线上发送点火信号。

2）VCU接到CAN线上点火信号后，通过换挡器判断挡位信息处于P挡，通过监测模块判断高压互锁无故障，VCU收到安全气囊控制单元（Airbag Control Unit，ACU）反馈无碰撞故障，VCU判断防盗匹配信息通过，最终VCU通过新能源CAN向BMS发送上电指令。

3）BMS自检无高压绝缘故障和其它故障，以及MCU等自检无故障；BMS控制主负继电器和预充继电器吸合，预充过程结束后（图2），闭合主正继电器，BMS在新能源CAN线上报VCU完成上电操作。

图2 预充过程示意图

4）VCU接到BMS上电完成反馈，仪表收到信息CAN线上“上电完成”信息，显示“READY”状态，车辆启动成功。

3 启动系统故障诊断与排查方法

3.1 高压互锁故障

故障现象及原因

1）故障现象：仪表高压报警灯亮，显示高压互锁故障。

2）故障原因：①互锁线束存在断路、短路故障；②高压电器件的高、低压插头虚接故障；③高压电器件内互锁线路断路或阻值过高故障；④控制器监测模块故障；⑤监测模块供电、搭铁异常导致监测误报故障。

诊断排查方法

1）互锁线束存在断路、短路故障。参照某示例车型（直流源型互锁监测模块处于VCU内）管理策略，监测模块通过低压线路检测高压插头插接状态（图3）；首先断开任意高压件的低压插头，分别测量互锁针脚与车身搭铁间的电压和阻值，其结果应为：VCU的输出端(OUT)方向可测量到约5V电压，VCU的输入端(IN)方向可测量到对车身搭铁10kΩ电阻；如测量结果不符，则分段测量找寻异常点；如检测结果锁定在线束中，则检查途经插头是否存在倒针、虚接等异常状态，再检查是否存在因螺钉破坏或零件压迫导致的线路搭铁或断开，根据实际情况选择修复或更换线束。

图3 某车型互锁线路图

2）高压电器件的高、低压插头虚接故障。首先通过目视检查，判断是否存在虚接、未锁死状态；其次，通过EOL设备判断某控制模块有无通信，锁定低压插头插接异常；如仍未找到故障，则通过分段测量线路通断和阻值来锁定断点区域。

3）高压电器件内互锁线路断路或阻值过高故障。分段测量高压互锁线端口之间通断，逐渐缩小高阻值区域；利用手动短接互锁针脚的方法，主动隔离可疑高压件，清除故障码后，检查车辆互锁报警是否消失，以此锁定故障零件。

4）控制器监测模块故障（不同车型的监测模块所在位置可能不同）。在测量结果符合整车逻辑的情况下，考虑故障原因为控制器监测模块故障导致，检查更换监测模块所在控制器。

5）监测模块供电、搭铁异常导致监测误报故障。在测量VCU的输出端电压与整车逻辑要求电压差异较大的情况下，考虑故障原因为控制器监测模块输出电压异常，导致监测电压值V和V均超出阈值2.3～2.7V电压（图4）；测量整车供给VCU的输入电压源是否正常，如供电电压正常，则考虑更换VCU，如供电电压过低或过高，则应排查电压异常故障问题。

在测量VCU的输入端与车身搭铁间电阻值与整车逻辑要求差异较大的情况下，考虑故障原因为控制器监测模块输入端与车身搭铁间阻值异常，导致监测电压值V和V均超出阈值2.3～2.7V电压（图4）；测量VCU端插头搭铁线到车身搭铁间电阻值，如阻值约为0Ω，则考虑更换VCU，如阻值过高，则排查线束搭铁线通断状态和搭铁点状态。

图4 直流源VCU互锁监控示例图

3.2 高压绝缘故障

故障现象及原因

1）故障现象：仪表高压报警灯亮，显示高压绝缘故障。

2）故障原因：①高压电器件内部故障；②高压线束故障；③高压插头、充电口进水故障；④绝缘阻抗监测装置误报故障。

诊断排查方法

在检测维修前，需断开车辆小电源和维修开关，车辆静置10min，穿戴好绝缘防护用品后方可开始排查诊断高压线路。

1）高压电器件内部短路故障。断开任意高压插头，此处举例压缩机高压插头，使用绝缘表在500V挡位测量高压正极端和高压负极端到车身搭铁间绝缘电阻值，参照该示例内部标准，如绝缘阻值小于500kΩ则不符合要求（该车型检测值一般＞2.5MΩ），依次断开各个高压零部件，重复测量绝缘电阻，直到在断开某高压零件后，绝缘阻值测量结果符合要求，则锁定该故障零件不绝缘，详细检查高压件和插头是否短路。图5和图6为某两款不同车型的高压线路简图。

图5 车型一高压线路简图

图6 车型二高压线路简图

2）高压线束故障。同上方法，在锁定绝缘故障点后，拔下高压插头，目视检查插头是否存在内部金属结构位移（插针歪斜、铜环脱落、漏出等）或烧焦等破损故障，如存在，建议更换该段高压线束，防止出现二次故障。

3）高压插头、充电口进水故障。车辆淋雨后出现的绝缘故障，一般首先检查交、直流充电口（图7）绝缘阻值；车辆交流充电插座的绝缘电阻，包括充电时传导连接到电网的电路，当充电接口断开时应不小于1MΩ，即分别测量N和L端子与PE端子之间的绝缘阻值；直流充电口绝缘阻值的测量标准与其它高压元器件测量标准相同，分别测量DC+和DC-端子与PE端子之间的绝缘阻值；如充电口无问题，则检查其它高压插头是否存在进水情况。

图7 直流、交流充电口图示

4）绝缘阻抗监测装置误报故障（不同车型的监测模块所在位置可能不同）。如经反复测量，车辆（示例车型为漏电检测装置集成在BMS内）所有测量绝缘阻值都符合要求，尝试断开大电池的直流母线，保持低压线束连接，清除故障码后检查是否仍有绝缘故障，如仍有绝缘故障，则考虑故障原因为BMS内检测装置测量故障或电池内部绝缘故障引起，建议将电池返厂维修。

3.3 CAN通信故障

故障现象及原因

1）故障现象：控制器无通信现象。

2）故障原因：①网关故障；②CAN线电压异常故障；③个别控制器通信丢失故障。

诊断排查方法

1）网关故障。利用设备检查时，如全部控制器无通信，需优先检查网关；根据电器原理图，检查网关的常电B+和IG熔断丝，其次检查网关插头的电、搭铁与车身搭铁间的电压和电阻，如皆无问题，则考虑更换网关。

2）CAN电压异常故障。当出现多控制器同时不通信的情况，优先根据网络拓扑图（图8）进行判断，如为同一条CAN线上的多控制器不通信，则需要针对性测量CAN线的如下特性：①检查CAN高电压与CAN低电压（一般CAN高电压约为2.7V，CAN低电压约为2.3V，和为5V）；②检查CAN线是否存在与车身搭铁短路；根据该车型网络拓扑图，在下电情况下检查两个终端电阻阻值，CAN高到CAN低之间的电阻应约为60Ω，单独测量终端电阻应约为120Ω。完成上述测量后，对照车型的电器原理图、线束图、网络拓扑图，首先检查各中转插头是否存在虚接等情况，再逐个拆掉非终端电阻所在的控制器和线束插头，并每次测量上述CAN线特征，直到锁定发现引起故障所在的控制器区域。

图8 某车型网络拓扑图示例（图片已模糊处理）

3）个别控制器通信丢失故障。优先检查该控制器的B+和IG电熔断丝，其次检查控制器插头的电、搭铁、CAN线针脚是否符合相应线路特征，通过上述步骤判定车身线路状态，也可以尝试外接控制器测试。

3.4 其它类故障

故障现象及原因

1）故障现象：车辆无法启动，无明确故障码反馈。

2）故障原因：①启动开关、制动踏板信号反馈硬线故障；②蓄电池电压低故障；③IG继电器不工作故障；④驻车系统故障；⑤防盗系统故障；⑥控制器自检故障；⑦预充失败故障。

诊断排查方法

1）启动开关、制动踏板信号反馈硬线故障。参照第2章节示例车型点火模式，BCM需要检测点火逻辑条件、检查启动开关和制动踏板信号线路。例如，可通过启动开关背光灯效果、制动灯反馈状态等探查线路是否正常，参照车型原理图（图9）、线束图，断开控制器端相应插头，通过开关不同状态对应的线路通断或搭铁状态来检查线路是否正常；根据检查结果决定是否更换相应的启动开关、制动开关或相关线路。注：不同车型的启动原理存在差异，需参照车型设计逻辑和原理图进行分析判断。

图9 某车型原理：启动开关（左）和制动开关（右）

2）蓄电池电压低故障。一般当车辆蓄电池电压低于9V左右时，部分控制器停止工作，报低电压故障，例如车辆天线功能失效，导致无法找到钥匙等。

3）IG继电器不工作故障。参照第2章节示例车型模型，IG继电器吸合必要条件为两点：①检测到合法钥匙；②ESCL正常解锁。分析时可通过钥匙上面的红色指示灯闪烁情况、仪表提示情况来初步判断BCM是否正确识别到钥匙，如车辆提示无法找到钥匙或钥匙功能失效，则应检查车辆配钥匙记录、车辆故障码信息以及车辆天线和射频收发装置，并尝试重新匹配钥匙；如BCM反馈ESCL未正常解锁故障码，则应检查ESCL和BCM之间的线路或尝试更换ESCL；排除上述故障，如果IG继电器使能端有正常响应点火，则尝试更换IG继电器，或手动短接IG继电器供电端与输出端，测试车辆是否可以正常点火。

4）驻车系统故障。一般车辆启动时需要处于P挡，驻车系统故障修复后，可能需要重新对卡钳进行标定，确保EPB功能、驻车功能可以正常使用，一般车辆可以通过程序命令自动进行标定，或通过手动操作EPB开关反复夹紧卡钳进行自学习，当完成标定后，车辆可以正常挂入P挡和点火启动。

5）防盗系统故障。车辆防盗匹配步骤会将随机生成和特定算法生成的几串数据同时写入需要进行防盗匹配的控制器（如BCM、VCU、ESCL、T-box等），且部分控制器的某些防盗数据写入后不可擦除或复写（例如ESCL），故出现防盗匹配时写入错误的数据或车辆维修时更换了需要防盗匹配的零部件时，需要根据车型逻辑进行判断是否需要同步更换其它特定控制器并重新进行防盗匹配写入。

6）控制器自检故障。VCU在给BMS发送上电指令之前，会确保主要控制器（例如BMS、MCU、PDU、移动出行Tbox、ACU等）无影响整车上电的故障，不同车型控制逻辑会有所不同。

7）预充失败故障。当车辆存在预充失败故障提示时，表示车辆已经满足前期条件并上高压，但在给高压线路中大电容充电的过程中，出现故障导致车辆预充失败，需要重点检查高压线路正负极之间是否存在短路，是否存在烧毁导致短路的其它高压电器件，也可通过断开高压件的高压插头并短接其低压线束上的互锁线路的方式反复上电进行分析排除。

4 案例分析

故障描述：某新能源车辆电机故障无法启动。

4.1 故障现象与原因分析

1）故障现象：仪表显示驱动电机故障和系统故障，检测报电机旋变信号故障。

2）可能存在的故障原因有：①电机内部损坏导致旋变信号线路故障；②电机旋变信号线在线束中转过程中出现断开、短接、搭铁等故障。

4.2 故障排查

1）通过故障码，可以锁定故障问题原因来自旋变信号线，所以首先对信号线进行排查。通过该车型原理图（图10）、线束图，确认电机旋变信号线路为：电机→中转插头→VPU（MCU+VCU+DC/DC集成总成）。依次检查VPU、电机、中转插头插接状态是否完好，并检查外观确认插针无氧化、退针等明显异常。

图10 某示例车型VPU原理图

2）由于该车型旋变信号电阻值已知，可通过阻值检测旋变信号是否故障（断开或短路）；首先拔下电机端低压插头，利用自制插头对接电机母端插头，测量旋变信号对应的sin+和sin-之间（约为40Ω），cos+和cos-之间（约为40Ω），exc+和exc-之间的电阻（约为20Ω），阻值无异常，基本排除电机旋变信号故障的可能性。

3）考虑到电机旋变信号线路为：电机→中转插头→VPU，需要再次插上电机低压插头，并断开VPU端低压插头，重复上述旋变信号电阻测量步骤，测量结果与电机处测量结果相同无异常。

4）VPU处插头和电机低压线束插头，都已经过排查无问题；但是考虑到本款车型将MCU、VCU、DC/DC集成在同一个总成上，导致该总成低压插头PIN针较为密集（图11），出问题的概率较大，所以再次检查VPU的低压插头内6个旋变信号与插头内其它任意PIN针的通断。