張 發(fā)

（廣州市交通運輸職業(yè)學(xué)校， 廣東 廣州 510440）

1 廣汽豐田雷凌混合動力系統(tǒng)的基本構(gòu)成與驅(qū)動原理

雷凌混合動力系統(tǒng)主要由混合動力傳動橋總成、高壓蓄電池組、發(fā)動機總成、電機發(fā)電機 （MG1、MG2）、帶轉(zhuǎn)換器的變頻器總成、帶轉(zhuǎn)換器的壓縮機總成以及輔助電池等組成。車上的位置布置如圖1所示，整個系統(tǒng)的動力連接關(guān)系如圖2所示。

1） 發(fā)動機總成

雷凌雙擎車輛采用8ZR-FXE阿特金森循環(huán)發(fā)動機，進氣門關(guān)閉時間被延遲，延遲了實際壓縮行程，壓縮行程小于膨脹行程，所以熱效率更高、油耗低，扭矩降低需要電機輔助。

HV ECU向發(fā)動機ECU發(fā)送信號 （目標轉(zhuǎn)速和需求扭矩），發(fā)動機ECU根據(jù)HV ECU的要求控制節(jié)氣門、燃油噴射量、點火正時和噴油正時，實現(xiàn)發(fā)動機的啟動和運轉(zhuǎn)。當HV ECU發(fā)出停止信號時，發(fā)動機ECU控制其停止工作［1］。

2） 混合動力傳動橋總成

傳動橋總成由復(fù)合齒輪單元、MG1、MG2、油泵、主減速器以及差速器等組成，其中復(fù)合齒輪裝置由動力分配行星齒輪機構(gòu)和電動機減速行星齒輪機構(gòu)組成，動力分配行星齒輪機構(gòu)的太陽齒輪連接至MG1，行星齒輪支架連接至發(fā)動機，齒圈連接動力輸出至車輪，電動機減速行星齒輪機構(gòu)的太陽齒輪連接至MG2，行星齒輪支架固定至傳動橋外殼，齒圈連接至復(fù)合齒輪，如圖3所示。

圖1 混合動力系統(tǒng)布置圖

圖2 混合動力系統(tǒng)動力連接關(guān)系圖

圖3 混合動力傳動橋的組成結(jié)構(gòu)

在車輛行駛時，動力分配行星齒輪機構(gòu)在MG1 （用于發(fā)電） 和車輪之間分配發(fā)動機動力，如圖4所示；在起動發(fā)動機時，將MG1驅(qū)動起動發(fā)動機（用于起動），如圖5所示。行駛時MG2用來驅(qū)動車輪，電動機減速行星齒輪機構(gòu)降低MG2的轉(zhuǎn)速，從而可利用緊湊、輕量的電機產(chǎn)生較大的扭矩。此外，減速時利用其再生制動實現(xiàn)能量回收。混合動力傳動橋利用電動機無極變速變扭的特性達成無極變速器的功能，故該傳動橋又稱為E-CVT變速器。

圖4 車輛行駛時

圖5 起動發(fā)動機時

MG1、MG2均為三相交流永磁同步電機，配備定子線圈溫度傳感器、轉(zhuǎn)子解析器。其中，解析器檢測轉(zhuǎn)子的位置、方向、轉(zhuǎn)速，是電機運行的基本條件之一。

3） 混合動力電池

HV電池為鎳氫蓄電池，由28個模塊串聯(lián)組成，每個模塊7.2V，總電壓為201.6V，電池智能管理單元將SOC控制在規(guī)定范圍，目標SOC為60%。

4） 變頻器

變頻器由4部分組成，分別為：增壓轉(zhuǎn)化器，將HV電池組201.6V的直流電轉(zhuǎn)變成最高650V的高壓直流電；逆變器，將升壓后的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，給電動機提供電能；整流器，發(fā)電機發(fā)出的交流電整流成直流電后給HV電池充電；DC/DC轉(zhuǎn)換器，將HV蓄電池或發(fā)電機發(fā)出的201.6V直流電減壓至14V，給輔助蓄電池充電，并為車輛輔助設(shè)備、電子部件及發(fā)動機ECU提供電能。

5） THS-Ⅱ電氣控制系統(tǒng)

THS-Ⅱ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，它可分為高壓電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)。混合動力控制系統(tǒng)實現(xiàn)以下控制：監(jiān)控混合動力組成部分的運轉(zhuǎn)狀態(tài)；監(jiān)控通過車載網(wǎng)絡(luò)傳來的制動信息；監(jiān)控駕駛者操作的指令；監(jiān)控輔助駕駛設(shè)備的能量消耗。THS-Ⅱ系統(tǒng)的控制功能如表1所示。

圖6 THS-Ⅱ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 雷凌混合動力系統(tǒng)列線圖

2 應(yīng)用“列線圖”分析混合動力傳動橋動力分配與工況

列線圖是諾謨圖的一種，用以表達代數(shù)方程各變量相互關(guān)系的一種圖形。列線圖直觀再現(xiàn)了行星齒輪的工作情況，故障發(fā)生時存儲的定格數(shù)據(jù)主要用于分析發(fā)生故障時存在何種駕駛條件［2］。

如圖7所示，縱軸表示旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速；縱軸的間距表示傳動比，在雷凌P410傳動橋中動力分配機構(gòu)傳動比為0.72:0.28，電機減速機構(gòu)傳動比為2.64:1；箭頭表示扭矩方向。紅色箭頭 （正扭矩） 表示MG作為電動機工作，藍色箭頭 （負扭矩） 表示MG作為發(fā)電機工作。如果MG1和MG2的旋轉(zhuǎn)方向和扭矩方向相同，則系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。如果方向相反，則系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。

如根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可以繪制出列線圖 （圖8），可判定車輛同時使用發(fā)動機和MG2驅(qū)動，MG1正在產(chǎn)生電能時出現(xiàn)故障。嘗試再現(xiàn)故障時可以使用這些結(jié)果，也可以作為分析故障范圍的依據(jù)。

表1 THS-Ⅱ系統(tǒng)的控制功能表

表2 某DTC下定格數(shù)據(jù)

圖8 表2工況列線圖

3 故障案例

3.1 案例1

一輛2016款廣汽豐田雷凌混合動力轎車，行駛里程為4.2萬公里，因偶爾無法行駛到店保修?？蛻舴从常涸撥嚺紶柍霈F(xiàn)無法行駛的故障，同時組合儀表上的主報警燈、發(fā)動機故障燈等多個指示燈點亮，且多功能顯示屏提示“混合動力系統(tǒng)故障，換至P擋，請參見維修手冊”，如圖9所示。

圖9 車輛儀表顯示

查閱該車型廠家培訓(xùn)資料，混合動力系統(tǒng)控制裝置失效保護表［3］如圖10所示。

圖10 混合動力系統(tǒng)控制裝置失效保護表

初步判斷故障范圍在電機、電機控制器、混合動力電池及管理系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等方面。由于故障涉及動力中斷、停機等情況且均為偶發(fā)性，給試車帶來了一定的困難和安全隱患。由于沒有較好的試車場所與環(huán)境，技師團隊決定先從故障碼、定格數(shù)據(jù)入手，先界定混合動力系統(tǒng)的兩大動力源發(fā)動機、電機驅(qū)動中發(fā)動機、MG1、MG2的工作狀態(tài)。

1） 問診故障發(fā)生場景、過往維修記錄，獲知該車在半年前發(fā)生了一次碰撞事故，曾更換了前保險杠和左前翼子板，故障發(fā)生在近期暴雨天氣。驗證故障現(xiàn)象，組合儀表上READY指示燈正常點亮，觀察無任何故障指示燈點亮，車輛能夠正常行駛，基于偶發(fā)性及試車環(huán)境 （無暴雨天氣），試車重現(xiàn)故障暫且擱置。

2） 使用豐田專用診斷儀GTS讀取故障碼，無當前碼，歷史碼顯示為：P0A3F21——驅(qū)動電動機“A”位置傳感器信號振幅＜最小；P1CAD49——驅(qū)動電動機“A”位置傳感器內(nèi)部電子故障。

3） 讀取待定定格數(shù)據(jù)，篩選相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 相關(guān)定格數(shù)據(jù)

4） 運用“列線圖”分析，當前車輛處于發(fā)動機驅(qū)動車輛前行，MG1處于發(fā)電狀態(tài)，MG2處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)?；谠撥囕v驅(qū)動原理，處于定速巡航階段應(yīng)該為發(fā)動機、MG2共同驅(qū)動車輛，MG1發(fā)電供MG2使用，同時控制SOC在60%的目標范圍左右。而當前SOC處于控制上極限 （約80%），HV控制單元不允許MG1繼續(xù)發(fā)電繼而控制系統(tǒng)停機，從而可以鎖定故障范圍在MG2無法正常工作。

5） 分析待定故障碼設(shè)置條件及故障可能部位，均與電機解析器有關(guān)。根據(jù)維修手冊指引，MG2電動機解析器可能是造成故障的原因，檢查電動機解析器內(nèi)部電阻以及逆變器至解析器的連接情況，經(jīng)檢測相關(guān)測量值 （表4） 均符合規(guī)定狀態(tài)。

表4 相關(guān)檢測數(shù)據(jù)

6） 由于偶發(fā)故障，基于以上診斷分析與問診情況，決定用高壓水槍重點對車輛左前側(cè)進行淋雨測試，儀表MIL、主報警燈均點亮，從而堅定對MG2解析器線路、連接器進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)MG2解析器防水膠塞已缺失，仔細檢查MG2解析器端子發(fā)現(xiàn)有輕微氧化腐蝕。

7） 使用除銹劑清理端子上的氧化物，更換MG2解析器導(dǎo)線連接器，清除故障碼。再次用高壓水槍進行淋雨測試，故障現(xiàn)象不再出現(xiàn)。交車1個月后回訪，客戶反映一切正常。

3.2 案例2

一輛2017年產(chǎn)雷凌轎車，車主為某平臺網(wǎng)約車用戶，行駛里程為8.7萬公里?？蛻舴从常很囕v有時需操作2～3次才能起動發(fā)動機，且加速不如以前，發(fā)動機故障燈亮；運行過程中偶爾出現(xiàn)車輛電量不足，請及時充電的提示信息。一次高速行駛出現(xiàn)車速從90km/h左右瞬時下降至40km/h左右，停車后恢復(fù)。因故障嚴重影響行車安全，車主就近下高速后致電保險公司拖車到店保修。

1） 問診故障發(fā)生場景、頻率、過往維修記錄等信息，車主因擔(dān)心廠家不給保修隱瞞了曾在外進行了追尾交通事故維修。

2） 使用診斷儀讀取故障碼，顯示U0120、U0164、B124B、P3190等多個故障碼，清除再次讀取出P3190發(fā)動機動力不足的故障碼。

3） 讀取定格數(shù)據(jù)，篩選相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

表5 相關(guān)定格數(shù)據(jù)

4） 運用“列線圖”分析，當前車輛處于MG2驅(qū)動運行，MG1處于起動狀態(tài)，發(fā)動機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。基于該車輛驅(qū)動原理，當SOC下降時，MG1會起動發(fā)動機，使發(fā)動機驅(qū)動車輛同時帶動MG1發(fā)電，控制SOC在60%的目標范圍左右。而當前SOC為36.6%處于接近控制下極限，HV控制單元不允許MG2繼續(xù)用電繼而控制系統(tǒng)停機，從而可以鎖定故障范圍在發(fā)動機未能正常工作。值得說明的是，在試車過程中未能直觀感受到發(fā)動機熄火，發(fā)動機停機瞬間感受到為較強力制動感。

5） 分析故障碼P3190設(shè)置條件及故障可能部位、診斷流程，總結(jié)出如下檢查流程［4］，如圖11所示。

6） 按檢查計劃實施檢查，進入保養(yǎng)模式強制起動發(fā)動機，在60s內(nèi)執(zhí)行：將電源開關(guān)置于IG-ON位置，選擇駐車擋P時，2次完全踩下加速踏板；選擇空擋N時，2次完全踩下加速踏板；選擇駐車擋P時，2次完全踩下加速踏板。踩下制動踏板時，通過將電源開關(guān)置于ON （READY） 位置起動發(fā)動機。檢查燃油壓力正常，進氣系統(tǒng)未見漏氣，空氣流量計靜態(tài)數(shù)值起動后響應(yīng)均正常。短期燃油修正為5%，長期燃油修正為3%，屬正常。后對缸壓、火花塞、噴油嘴等部件均進行了檢查，用內(nèi)窺鏡子檢查氣門積碳未見異常。

圖11 P3190故障診斷計劃程序

7） 將車輛進入保養(yǎng)模式，接上診斷儀對數(shù)據(jù)進行實時錄制。過程中采用頻繁過減速帶的方式模擬振動等因素，故障得以再現(xiàn)。查看定格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)瞬間燃油壓力為0，初步判定故障點在燃油泵線路上。

8） 查找燃油泵控制電路，仔細檢查相關(guān)繼電器、連接器、搭鐵點，最終發(fā)現(xiàn)燃油泵搭鐵點LF存在虛接 （圖12）。緊固該搭鐵點后，重復(fù)步驟7，HV電池SOC恢復(fù)目標值附近。經(jīng)與車主反饋，確認該車事故維修經(jīng)歷，其追尾撞擊位置包括該搭鐵點LF處，交車1個月后回訪，客戶反映一切正常。

圖12 燃油泵搭鐵點位置

4 總結(jié)

本文詳細講述了2例廣汽豐田雷凌混合動力轎車動力系統(tǒng)故障的診斷與排除，一例是出現(xiàn)動力不足、偶爾無法行駛，另一例出現(xiàn)運行后偶發(fā)停機故障，由于故障現(xiàn)象具有相似性且均為偶發(fā)性，故障范圍涵蓋涉及發(fā)動機控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)，覆蓋了油電混合車輛混合動力系統(tǒng)的兩種動力源。油電混合動力車輛動力系統(tǒng)的診斷區(qū)別于燃油汽車的單一動力源，且混聯(lián)式混合動力動力源間能量存在相互轉(zhuǎn)換，在不同工況下動力分配不同方式，充分理解混合動力汽車驅(qū)動的工作原理，是診斷行駛故障的基本能力要求。應(yīng)用列線圖能直觀再現(xiàn)各動力部件工作情況或駕駛條件，故障發(fā)生時利用存儲的定格數(shù)據(jù)分析發(fā)生故障時存在何種駕駛條件。列線圖既可以幫助加深對混合動力分配的理解，又可以用于分析故障發(fā)生時的車輛工況，為鎖定動力故障類的故障范圍提供指引。

回顧前文圖10，當MG2發(fā)生故障時，車輛由發(fā)動機驅(qū)動，MG1會發(fā)電，車輛在此狀況下可運行至高壓蓄電池SOC控制上限，系統(tǒng)會停機工作；當發(fā)動機故障時，車輛只能由MG2驅(qū)動，受HV電池容量及SOC控制下限，車輛只能較低速運行幾公里。其在列線圖上可以表示為圖13、圖14。

圖13 MG2故障引起的運行停機

圖14 發(fā)動機故障引起的運行停機

對于偶發(fā)性故障，尤其是動力行駛類故障，對于試車的環(huán)境等要求較高，如果能明確故障發(fā)生工況、可能觸發(fā)條件，再針對性地創(chuàng)設(shè)條件模擬試車，才能避免事倍功半。案例中滲水腐蝕、虛接等誘因在偶發(fā)故障中較為典型，此類故障觸發(fā)情景需技師在問診過程中有意識地挖掘。兩個案例的故障點均可以追溯到事故車的維修歷史，事故車維修過程的品質(zhì)意識與品質(zhì)監(jiān)管有待改善。

當前混合動力汽車作為新能源與節(jié)能汽車的典型技術(shù)路線，混合動力汽車其動力系統(tǒng)較燃油汽車更為復(fù)雜，加之保有量為近年來才逐步提升，占混動汽車銷量的主體車企在該領(lǐng)域技術(shù)成熟度較高，進廠維修案例較少。對車型的基本控制原理理解，區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車的方法掌握，維修經(jīng)驗案例積累均有待提高。