◆文/廣東 汪貴行 汪學(xué)慧

故障現(xiàn)象

一輛2012年生產(chǎn)的寶馬750Li混動(dòng)轎車(chē)，搭載N63V8型發(fā)動(dòng)機(jī)、15kW電機(jī)，行駛里程超過(guò)117 000km。一次長(zhǎng)途回來(lái)后，該車(chē)突然出現(xiàn)無(wú)法啟動(dòng)的故障。

故障診斷與排除

接車(chē)后，首先驗(yàn)證故障現(xiàn)象。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該車(chē)儀表臺(tái)上有“充電系統(tǒng)有異?！钡奶崾拘畔?圖1)，中控臺(tái)上也出現(xiàn)了“蓄電池?zé)o法充電”的警示信息，并且動(dòng)力電池故障警告燈點(diǎn)亮。此時(shí)踩下制動(dòng)踏板，按“啟動(dòng)/停止”鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。連接診斷儀，在相關(guān)系統(tǒng)中讀取到“功率輸出極損壞”等多個(gè)故障碼。

圖1 故障車(chē)儀表臺(tái)上的提示信息

該車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)由一臺(tái)330kW的發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)15kW電機(jī)組成，能產(chǎn)生最大345kW功率，最大扭矩達(dá)700Nm，0-100km/h加速時(shí)間為4.9s?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)最大特點(diǎn)是有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，行駛時(shí)車(chē)輛由單一或共同驅(qū)動(dòng)，二者“并肩作戰(zhàn)”、“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可提高10%，廢氣排放改善30%以上。但故障車(chē)型屬于輕度混合車(chē)型，電機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)，主要用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行盡可能地在效率較高的轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)油和降低排放的目的。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，同時(shí)“蓄電池?zé)o法充電”這兩個(gè)故障進(jìn)行分析，發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)可能有故障；對(duì)于“蓄電池?zé)o法充電”故障，初步懷疑是動(dòng)力電池及能量供給系統(tǒng)的故障，也可能是相關(guān)的高壓保護(hù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)方面的故障。

接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，將寶馬專(zhuān)用診斷儀連接到前方的16針診斷座上，沒(méi)有讀取到發(fā)動(dòng)機(jī)的任何故障碼。檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的外部供油及點(diǎn)火等裝置，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。踩下剎車(chē)踏板，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)儀表能正常顯示，但不能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

既然發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有故障碼，只好暫時(shí)認(rèn)為其工作狀態(tài)正常，將檢測(cè)的重點(diǎn)放在動(dòng)力電池上。按拆檢動(dòng)力電池的相關(guān)安全規(guī)定，先關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)高壓維修安全接口，拆下低壓蓄電池的搭鐵負(fù)極，戴上絕緣手套，拔下維修開(kāi)關(guān)。等待10min后，檢查高壓電纜線(xiàn)端，沒(méi)有電壓，也未發(fā)現(xiàn)其接插件有松脫等異常情況。檢測(cè)動(dòng)力電池的電壓，也在正常范圍之內(nèi)。重新裝回各部件，插上維修開(kāi)關(guān)，并恢復(fù)低壓蓄電池的供電。

再次接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，使用寶馬專(zhuān)用診斷儀查看動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流(圖2)。當(dāng)前充電狀況為48.7%；電壓為127V，與電池的額定電壓126V是很接近；電池4個(gè)溫度傳感器的信號(hào)，均在33~35℃之間，基本符合實(shí)際狀況。由此可基本排除高壓電池存在故障的可能。

圖2 動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流

另外，檢測(cè)時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行到117 258km時(shí)，電機(jī)和電機(jī)控制器系統(tǒng)內(nèi)存有多個(gè)故障碼(圖3)，顯示U、V、W三相交流電的功率輸出極有“損壞或短路”的故障。同時(shí)EME電機(jī)控制器內(nèi)部也有故障，存在“末級(jí)測(cè)試錯(cuò)誤”等多個(gè)故障。

圖3 故障車(chē)內(nèi)存儲(chǔ)的多個(gè)故障碼

該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和發(fā)電共用同一個(gè)電機(jī)，從上述故障碼可推斷，因電機(jī)“功率輸出級(jí)損壞或短路”，電機(jī)不能正常工作，因而造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。

接下來(lái)，我們?cè)傧到y(tǒng)了解一下故障車(chē)型寶馬750Li混動(dòng)車(chē)的啟動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。

寶馬750Li混動(dòng)車(chē)的啟動(dòng)系統(tǒng)由高壓電池組、電機(jī)和電機(jī)控制器等組成。高壓電池串聯(lián)35個(gè)單體電池(圖4)，單體電池的額定電壓為3.6V，組成額定電壓126V的電池組。動(dòng)力電池可儲(chǔ)存電能量為0.9kWh，電池重量?jī)H28kg。單體電池采用圓柱形結(jié)構(gòu)，裝有防撞抗振裝置，可防止單體電池的機(jī)械損壞。每個(gè)單體電池上都有電壓取樣分接頭。圖4為BMW750Li的高壓電池包。

寶馬750Li混動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)由電機(jī)啟動(dòng)，取消了傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，因此電機(jī)不僅是啟動(dòng)機(jī)，同時(shí)也有發(fā)電的作用。該電機(jī)為三相交流永磁式，電壓為105V，最大產(chǎn)生15kW的動(dòng)力。電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，由外部轉(zhuǎn)子和內(nèi)部定子組成“永勵(lì)式”同步電機(jī)(圖5)。轉(zhuǎn)子的永磁體以圓環(huán)方式布置在外部，稱(chēng)之為“外轉(zhuǎn)子”，而電機(jī)的定子在內(nèi)部，定子上分布有可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的三相繞組。當(dāng)交流電通入定子線(xiàn)圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這時(shí)帶永磁的外轉(zhuǎn)子會(huì)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，并對(duì)外產(chǎn)生動(dòng)力。另外，電機(jī)上還裝有檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和方向的傳感器，可精準(zhǔn)探測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置和方向。此傳感器的工作原理，是以轉(zhuǎn)子的磁性變化為基礎(chǔ)。位置傳感器采取旋轉(zhuǎn)變壓器的方式，由通入交流激磁的線(xiàn)圈與感應(yīng)信號(hào)的線(xiàn)圈構(gòu)成，信號(hào)輸出到電機(jī)控制器。

圖4 故障車(chē)寶馬750Li的動(dòng)力電池包

圖5 故障車(chē)型電機(jī)的結(jié)構(gòu)

寶馬750Li混動(dòng)車(chē)電機(jī)的作用有：①用于發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)(發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟停功能)；②為發(fā)動(dòng)機(jī)提供“助推”功能，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起共同驅(qū)動(dòng)車(chē)輛；③在車(chē)輛下坡或剎車(chē)時(shí)用于發(fā)電，對(duì)電池進(jìn)行充電，以回收能量。處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)發(fā)出的是三相135V交流電，需要整流成直流電，才能向動(dòng)力電池進(jìn)行充電。

電機(jī)上裝有溫度傳感器，用于檢測(cè)繞組的溫度，屬NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，電機(jī)的定子線(xiàn)圈溫度不允許超過(guò)200℃。表1為故障車(chē)型的電機(jī)參數(shù)，圖6為電機(jī)的安裝位置。

表1 故障車(chē)型的電機(jī)參數(shù)

圖6 故障車(chē)型電機(jī)的安裝位置

故障車(chē)型上的電機(jī)控制器(圖7)用于控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，包括多個(gè)部件，由變頻器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、混合動(dòng)力主控器等三個(gè)邏輯單元組成。變頻器能將高電壓動(dòng)力電池的直流電，轉(zhuǎn)化為用于電機(jī)的三相交流電。電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行模式時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)變頻器的整流功能，為高電壓動(dòng)力電池充電。而DC/DC 轉(zhuǎn)換器是將動(dòng)力電池的126V高壓電，轉(zhuǎn)換成14V的低壓電，為車(chē)載電器設(shè)備提供低壓電能，同時(shí)也為低壓蓄電池充電?；旌蟿?dòng)力主控器則通過(guò)接收外部的信號(hào)來(lái)控制變頻器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的工作。

圖7 故障車(chē)上的電機(jī)控制器

該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)的控制原理(圖8)是：當(dāng)車(chē)上的MICU多路控制模塊，接收到剎車(chē)和點(diǎn)火啟動(dòng)信號(hào)后，控制繼電器給低壓模塊供電，并使動(dòng)力電池處于正常供電狀態(tài)。同時(shí)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)將以上兩信號(hào)傳輸給電機(jī)控制器。電機(jī)控制器同時(shí)采集電機(jī)的位置和溫度信息，控制變頻器將動(dòng)力電池的直流電，轉(zhuǎn)換成三相交流電，輸送給電機(jī)的定子繞組，電機(jī)旋轉(zhuǎn)以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

在行駛過(guò)程，電機(jī)協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛時(shí)的控制原理是：根據(jù)車(chē)速和電池充電狀態(tài)，按電腦內(nèi)存的不同比例，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力用于車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行。低中速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低，而電機(jī)在較低速時(shí)可提供較大扭矩，此時(shí)若動(dòng)力電池電量充足，電機(jī)獲取電能而旋轉(zhuǎn)，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在更有效的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)車(chē)輛以恒定高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率最佳，若此時(shí)動(dòng)力電池電量不足，發(fā)動(dòng)機(jī)可將部分功率用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，為動(dòng)力電池充電。

電機(jī)的突出優(yōu)勢(shì)在于起步時(shí)可提供強(qiáng)大的電功率，在加速和超車(chē)過(guò)程中，這種優(yōu)勢(shì)尤為突出。在交通綠燈開(kāi)啟、上坡或急加速時(shí)，電機(jī)可補(bǔ)足驅(qū)動(dòng)功率，這稱(chēng)為“助推”功能。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同提供的總功率，可使車(chē)輛瞬間有足夠大的動(dòng)力和加速能力。電機(jī)就相當(dāng)于一種“電動(dòng)渦輪”，在車(chē)輛加速時(shí)可提供更大的助力，而且不會(huì)消耗更多的燃油。

在下坡或制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)以發(fā)電方式將下坡和制動(dòng)時(shí)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為電能，給動(dòng)力電池充電。行駛過(guò)程中，稍稍踩下制動(dòng)踏板，電機(jī)就會(huì)進(jìn)入發(fā)電模式，同時(shí)為車(chē)輛提供制動(dòng)力。只有在需要緊急制動(dòng)時(shí)，才需啟用傳統(tǒng)的車(chē)輪制動(dòng)器。

根據(jù)對(duì)該車(chē)啟動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)了解得知，電機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)是引起發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)、也不能充電的直接原因。導(dǎo)致電機(jī)不能正常工作的可能原因主要有：電機(jī)故障、控制器故障、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)故障。

圖8 故障車(chē)型寶馬750Li啟動(dòng)系統(tǒng)控制原理

對(duì)電機(jī)的絕緣性能和線(xiàn)圈電阻值進(jìn)行檢測(cè)，未見(jiàn)異常。絕緣性能檢測(cè)直接涉及車(chē)輛的安全，檢測(cè)時(shí)需用專(zhuān)門(mén)的絕緣儀表。檢測(cè)包括兩部分：一是車(chē)輛靜態(tài)時(shí)的絕緣測(cè)試；二是在線(xiàn)絕緣檢測(cè)，包括對(duì)動(dòng)力電池組、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)以及電池充電器等的檢測(cè)。實(shí)測(cè)絕緣電阻為220MΩ，而標(biāo)準(zhǔn)值為大于0.6MΩ，說(shuō)明絕緣正常。對(duì)電機(jī)控制器、正負(fù)母線(xiàn)絕緣性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果數(shù)據(jù)為220MΩ(圖9)，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明絕緣性能良好。實(shí)測(cè)電機(jī)相線(xiàn)繞組的阻值，電阻在21.72~23.69mΩ之間，說(shuō)明線(xiàn)圈電阻數(shù)據(jù)也正常。

圖9 電機(jī)控制器正負(fù)母線(xiàn)絕緣性檢測(cè)數(shù)據(jù)

電機(jī)控制器控制電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和停止。該車(chē)三相永磁同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，采用帶有矢量變換以及脈寬調(diào)制等功能的電路來(lái)調(diào)節(jié)。控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息等，經(jīng)轉(zhuǎn)換分析形成控制命令，以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)整定子電壓和電流改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子相對(duì)位置調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；通過(guò)調(diào)整三相交流電的頻率調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖10所示，主要包括變頻器、數(shù)字信號(hào)處理器、傳感器和交流同步電機(jī)四個(gè)部分。變頻器具有整流、逆變和濾波等功能，圖10中功率開(kāi)關(guān)管用的是雙極型絕緣柵IGBT晶體管。數(shù)字信號(hào)處理器起到矢量變換、電流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及脈寬調(diào)制等作用，現(xiàn)已有專(zhuān)用的處理器集成電路模塊。傳感器包括電流傳感器和編碼器。電流傳感器用以采集三相的電流信號(hào)，編碼器是用來(lái)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和位置的傳感器，將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和相位變化信號(hào)，送到速度控制器?，F(xiàn)代驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器的方式，也有用編碼盤(pán)和光電檢測(cè)器的方式。交流同步電動(dòng)機(jī)采用的是三相永磁同步無(wú)刷電機(jī)。

圖10 故障車(chē)同步電機(jī)的控制系統(tǒng)

接下來(lái)，筆者進(jìn)行功率開(kāi)關(guān)管檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)IGBT管組件已經(jīng)損壞。IGBT又稱(chēng)絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS組成的復(fù)合全控型、電壓驅(qū)動(dòng)式的功率半導(dǎo)體器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，故可看作是達(dá)林頓復(fù)合管。圖11為IGBT功率管實(shí)物與原理圖，左邊為IGBT的實(shí)物圖，是一個(gè)三相橋的橋臂，由兩個(gè)IGBT管再并聯(lián)兩個(gè)二極管組成；右邊為IGBT管并聯(lián)二極管的原理圖，其中二極管與IGBT已固化在一體。

圖11 IGBT功率管實(shí)物與原理圖

檢測(cè)IGBT時(shí)需用專(zhuān)業(yè)儀表，但許多修理廠(chǎng)多用普通萬(wàn)能表進(jìn)行檢測(cè)。如果用萬(wàn)用表的話(huà)，最好用指針式的，并采用R×10kΩ檔。如果用R×1kΩ檔時(shí)，則會(huì)因?yàn)閮?nèi)部電壓過(guò)低，而無(wú)法讓IGBT導(dǎo)通。具體的操作方法是：用萬(wàn)用表的黑表筆(萬(wàn)用表的正電)接IGBT的集電極C，紅表筆(萬(wàn)用表的負(fù)電)接發(fā)射極E，此時(shí)萬(wàn)用表的指針應(yīng)指向無(wú)窮大；接著用手指同時(shí)接觸柵極G和集電極C，這時(shí)IGBT即被觸發(fā)導(dǎo)通，萬(wàn)用表指針會(huì)向阻值較小的方向偏擺，并維持在某一位置附近；然后再用手指同時(shí)觸一下柵極G和發(fā)射極E，這時(shí)IGBT被阻斷，萬(wàn)用表指針重新指向無(wú)窮大。在檢測(cè)中，如果上述現(xiàn)象均符合，則可判定IGBT工作正常，否則就存在故障。

從圖11可知，由于IGBT管都并有一個(gè)二極管并已固化在內(nèi)部，已經(jīng)不能分拆。通常IGBT管處于不導(dǎo)通的狀況，故也可通過(guò)檢測(cè)二極管的方法，初步判斷IGBT管組件的好壞。筆者用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)IGBT管進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管數(shù)據(jù)不正確(圖12)，由此可判斷該功率開(kāi)關(guān)元件已損壞，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)正反方向均不導(dǎo)通。

圖12 損壞的IGBT管檢測(cè)的數(shù)據(jù)

為什么電機(jī)控制器里面的IGBT功率開(kāi)關(guān)管損壞，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)不工作呢？ 分析圖10所示的變頻器工作原理可知，在每產(chǎn)生一次三相交流電時(shí)，總有兩個(gè)或三個(gè)IGBT功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，形成的電流在電機(jī)定子線(xiàn)圈中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若有一個(gè)橋臂損壞，每次通入三相交流電時(shí)就總有兩個(gè)繞組不導(dǎo)通，定子無(wú)法形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)無(wú)法正常工作，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)的故障，當(dāng)然也無(wú)法給動(dòng)力電池充電。

由于變頻器是不允許拆開(kāi)修理的，只能更換電機(jī)控制器總成。換上全新的電機(jī)控制器后試車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)并正常行駛，進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)充電功能也恢復(fù)正常。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的路試，該車(chē)在各種工況下均能正常行駛，證明該車(chē)故障被徹底排除。

維修小結(jié)

通過(guò)本案例，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)維修診斷過(guò)程中，用在檢測(cè)和診斷上的時(shí)間并不多，主要精力都用在了分析各相關(guān)系統(tǒng)的工作原理及控制邏輯上。由此可見(jiàn)，充分了解并掌握系統(tǒng)原理和控制邏輯，并進(jìn)行必要的分析，會(huì)讓診斷過(guò)程少走彎路，從而提高診斷的準(zhǔn)確率和維修效率。