电动装载机无法上高压电故障诊断实例分析

温 杰，费孝涛

（江苏电子信息职业学院 智能交通学院，江苏 淮安 223003）

电动装载机采用分布式驱动铰接式车身，在矿山运输、建筑工程、农业机械等领域有着广阔的应用前景[1-2]。测试研究结果表明[3]，电动装载机作业性能和噪声都优于传统装载机。电动装载机采用电力驱动，通过高压动力电池向工作电机、行走电机、空调等高压用电设备供电。鉴于此，电动装载机在工作中高压供电及直流充电系统的稳定可靠性尤为重要。高压系统故障的产生通常具有偶发性，诊断的难度较大，典型的高压故障就是无法上高压电故障。

1 典型故障描述

1.1 故障现象

一辆电动装载机已行驶537 km，在铲掘砂石物料作业后，停驶一段时间，再次准备作业，发现无法上高压电。执行上电操作后，仪表显示有“Ready”，但十几秒后，仪表“Ready”消失，且以红色字体提示“行走整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）故障”“请在工作前先排查故障”。执行前进、后退、上装等操作时，均无动作反应。

1.2 故障检测

测量低压蓄电池电压，为24.6 V。检查高压用电设备及动力电池包，外观良好、且无线束裸露及松脱现象。多次断开低压蓄电池负极重新通电启动，但初始发生的故障现象仍然无法消除。

由于该特种工程车辆暂无OBD-Ⅱ车载诊断系统，也无专用故障诊断仪读取相关故障码。多次排故无果后，维修工程师尝试利用控制器域网 （Controller Area Network, CAN）总线报文记录仪CANDTU-200UR读取从启动钥匙打到上电档到仪表故障提醒这段过程的报文。CANDTU-200UR是一款带存储的2通道CAN总线数据记录仪，可脱离PC独立运行，长时间存储 CAN 报文数据，便于用户事后分析、排查故障。该记录仪可通过SD存储卡将记录好的数据传给PC，经过对原始数据的格式转换，用户可使用CANoe、CANScope对记录数据进行离线分析和评估。需要注意的是，该设备可以通过两路DB9端子的隔离CAN-Bus接口与车载动力网络相连，但在购成的动力网络中，需要在网络终端节点处接入120 Ω终端电阻，用于消除总线上的信号反射，避免信号失真。使用CANDTU进行报文读取时务必要保证连接后的CAN总线高线与低线之间总电阻值应为60 Ω，否则无法记录运行数据。图1为CANDTU-200UR实物图。图2为高速CAN网络典型连接示意图。

图1 CANDTU-200UR实物图

图2 高速CAN网络连接示意图

报文显示，上电过程中，预充接触器、主接触器、主负接触器能够正常闭合和切换，动力电池电压显示为550 V左右。但十几秒后，主接触器断开，监测的动力电池电压降至0 V。同时，报文还显示主接触器存在烧结故障。

1.3 故障分析

分析报文显示的信息，在电动车辆的控制策略中，通常为了保证高压安全性，主接触器烧结被电池管理系统（Battery Management System, BMS）监测到后，会执行强制下电命令使车辆断电并且在下次上电时进行自检，自检到接触器烧结时会让车辆不上电。

在电动车辆中，串联于高压回路中的主接触器产生烧结的主要原因是在低压控制电路没有执行断电动作前，由于某些特殊原因，高压回路主接触器开关电路自行断开，导致高压回路中数值较大的电流在接触器开关处产生了拉弧放热，从而使接触器开关烧结粘连。

该故障案例中，需要找出导致主接触器突然断开的原因。找出高压电器及接触器连接电路，如图3所示。该车由4个动力电池包成组后向高压设备供电，动力电池母线正负极与多合一高压控制盒连接。预充接触器与主接触器并联分布在多合一高压控制盒内，并与动力电池母线正极端 连接，负极接触器也置于多合一高压控制盒内，并与动力电池母线负极端连接。在多合一高压控制盒内，还安装有直流转直流（Direct Current/ Direct Current, DC/DC）电源接触器、交流/直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）接触器、电动空调接触器、正温度系数的加热器（Positive Temperature Coefficient, PTC）接触器、充电接触器等，这些接触器均从动力电池母线正极端取电，供相应的高压设备使用。

图3 主接触器与预充接触器的电路连接关系

结合该车停驶期间的天气和存放情况，展开分析。经查，该车于2021年7—8月间停放在露天条件下，且在停驶期间该地区有数次强降雨天气。因特种工程车辆的车身密封性较差，加之长期在负荷高、颠簸强的恶劣工况下运行，怀疑该车部分高压线束或高压电器与车身搭铁间绝缘电阻过低。

2 故障排查方法

2.1 排查步骤

首先经询问，该装载机设计时，高压电路中装有绝缘检测仪（表1为检测位置），用于监测高压线束和车身之间绝缘电阻的大小，并判断是否存在漏电故障。再次使用CANDTU-200UR采集的报文进行分析，结合该车的BMS通讯控制协议，用CANoe工具软件解析报文，在“绝缘监测仪数据帧”中，byte3显示的16进制数值转为十进制数值很低，最高不超过200，根据表2中所列相关信息可知，确实存在着绝缘电阻低的故障。

表1 数据检测位置

表2 绝缘监测仪数据帧定义（部分）

进一步，对车辆执行高压断电操作，断开蓄电池负极，静置5 min后，拔下四个动力电池包的维修开关。确认安全后，戴好绝缘手套，拆卸其中一个便于作业的电机控制器高压线端盖，显示有母线正极HV+、负极HV-和电机的U、V、W三相线。使用绝缘测试仪500 V档，分别对上述5根高压线束与电机控制器壳体间绝缘电阻进行测量。结果显示，绝缘电阻值在0.09 MΩ到0.11 MΩ之间，如图4所示。断开电机三相线后，测量负极母线与电机壳体间绝缘电阻为0.1 MΩ，显然低于设置的安全绝缘电阻值。

图4 线束连接状态绝缘电阻值测量

为进一步确认壳体与高压线束的绝缘故障，断开上述全部5个线束，再次测量其对壳体绝缘 电阻，结果显示，电机三相线和正极母线对壳体绝缘电阻大于550 MΩ、电机控制器5个接线柱与壳体间绝缘电阻大于550 MΩ，但负极母线与壳体及其他车身部分的绝缘电阻过低，测量到负极母线到壳体间绝缘电阻值为0.12 MΩ，如图5所示。

图5 线束断开状态绝缘电阻值测量

2.2 故障确认

从上述测量结果看，明确了故障为高压母线负极与壳体间绝缘电阻过低，但具体故障点还需进一步检测。查看多合一控制盒的高压配电线束情况（图6），对相关负极母线依次从高压用电设备上断开后，再测量先前电机控制器上负极母线 的对地绝缘电阻。查出只有在断开空调压缩机负极时，先前电机控制器上负极母线的对地绝缘电阻值测得大于550 MΩ。再单独测量电动压缩机母线接线柱对壳体绝缘电阻，值为0.61 MΩ。根据控制协议中对绝缘故障的判断，当绝缘电阻R＜100 Ω/V时，发出二级报警，系统允许的最大充放电功率立即设置为0 kW，且走下点流程。从而确认故障为电动压缩机侧高压负极线与壳体绝缘电阻过低。

图6 多合一控制盒内高压电路

2.3 故障排除

断开电动压缩机母线并做好绝缘防护处理，连接好其他高压线束、维修开关等。执行正常上电操作，Ready灯亮起时，工作电机和行走电机正常运行。采用上述故障排除方案后，电动装载机虽然能够正常上高压电工作，但半小时后，仪表报电机控制器水温过高，驾驶员被迫停机冷却。这是因为电动空调不能工作制冷降低电机控制器冷却系统的水温。因此，需要更换密封良好的新电动压缩机才能解决故障、保证装载作业的正常进行。

3 总结

需要说明的是，该装载机的电动压缩机高压母线插接头处虽然设置有互锁针脚，但并未串联于整车高压互锁回路中，因此，断开电动压缩机母线没有影响整车上电。而造成该故障的根本原因，是高压部件制造工艺上密封不良，加之该车辆的车身外壳配合间隙大，由于夏季强降雨天气 造成了电动压缩机本体绝缘电阻过低。工程机械车辆电控系统的设计、控制、故障自诊断及制造工艺等方面还有很大的提升空间，保障设备作业的可靠性和作业人员的安全性值得引起思考和努力。