劉翔 黃朝明 唐學(xué)幫 朱芹 梁銳

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

近年來，新能源汽車進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，其安全性能及使用性能備受關(guān)注，動(dòng)力電池和電機(jī)系統(tǒng)作為新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部位，其工作性能對(duì)于整車性能有至關(guān)重要的影響[1]。因?yàn)閮?nèi)阻的存在，電機(jī)在工作過程中，必然會(huì)產(chǎn)生大量的能量損耗，包括鐵芯損耗、繞組損耗、機(jī)械損耗等，這些損耗會(huì)產(chǎn)生熱量，如果熱管理系統(tǒng)無法將這些熱量及時(shí)散發(fā)出去，則會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的工作性能，甚至?xí)斐呻姍C(jī)損毀。相較于電機(jī)，動(dòng)力電池對(duì)于溫度的變化更加敏感，溫度能影響到電池的活性，從而影響到電池的容量、電壓等等，也可能會(huì)引發(fā)一系列安全隱患，可能會(huì)威脅到汽車及乘車人的安全[2]。因此，熱管理系統(tǒng)作為新能源汽車技術(shù)最為關(guān)鍵的一環(huán)，若其發(fā)生故障，則會(huì)導(dǎo)致以上一系列隱患無限放大，嚴(yán)重影響整車安全及人身安全，直接關(guān)系到整車的安全性能以及使用性能，對(duì)其進(jìn)行研究是很有必要的。綜上所述，研究電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行故障診斷分析，對(duì)于提高安全性能、工作性能和續(xù)駛里程等方面具有重要的意義。

2021年，朱培培等人[3]針對(duì)新能源汽車熱管理技術(shù)理領(lǐng)域競爭格局以及核心部件的技術(shù)發(fā)展分析，對(duì)電池?zé)峁芾?、整車空調(diào)系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)及電子元器件等關(guān)鍵技術(shù)部件進(jìn)行了詳細(xì)綜述與分析，并對(duì)新能源汽車熱管理行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜合預(yù)判。2020年，姚孟良等人[4]針對(duì)電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)構(gòu)建過程中的問題，概述動(dòng)力電池、乘員艙和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的熱管理方案，提出了正常工況下的產(chǎn)熱計(jì)算模型，發(fā)展了綜合緊湊高效的集成化的熱管理系統(tǒng)，提出集成化熱管理系統(tǒng)在綜合性能評(píng)價(jià)體系下的優(yōu)勢，是未來的主要研究方向。Montaner Ríos G.等人[5]討論了PEMFC系統(tǒng)冷啟動(dòng)不同熱啟動(dòng)策略的實(shí)驗(yàn)研究。他們根據(jù)系統(tǒng)的啟動(dòng)溫度、啟動(dòng)時(shí)間和能源效率確定最佳的熱管理策略。Behi Hamidreza等人[6]采用冷卻裝置包夾動(dòng)力電池，采用自然對(duì)流、SHCS強(qiáng)制對(duì)流等多種策略，發(fā)現(xiàn)電池單體溫度可分別降低13.7%、31.6%和33.4%，表明該方案的散熱效果的穩(wěn)定性，利用COMSOL多物理場計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，綜合驗(yàn)證了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定可行性。

1 比亞迪E5熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 比亞迪E5熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)比亞迪E5純電動(dòng)汽車各系統(tǒng)的發(fā)熱原因分析，將整車熱管理系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：乘員艙熱管理、電池系統(tǒng)回路熱管理、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回路熱管理。比亞迪E5純電動(dòng)汽車主要采用液體冷卻方式，即采用水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者動(dòng)力電池的管道結(jié)構(gòu)，帶來溫升或溫降，利用液體的比熱容高等重要參數(shù)，這種冷卻方式導(dǎo)熱效率更高[7]。

如圖1所示為比亞迪E5熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，以冷卻液作為冷卻介質(zhì)，利用溫度傳感器收集數(shù)據(jù)，如果溫度在40℃以上，在控制器發(fā)出冷卻指令后，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，將冷卻液泵入冷卻管道，對(duì)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、高壓配電總成等進(jìn)行冷卻。溫度低于20℃時(shí)，采用PTC加熱冷卻液，打開四通閥，將溫升后的冷卻液泵入管道，使需要升溫的部件溫度上升，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

圖1 比亞迪E5熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 比亞迪E5熱管理系統(tǒng)的工作原理

比亞迪E5熱管理系統(tǒng)的作用是對(duì)電池、電機(jī)、控制器及充電機(jī)等車輛關(guān)鍵部件進(jìn)行冷卻或加熱，使其保持在適當(dāng)工作溫度范圍內(nèi)，熱管理系統(tǒng)的性能直接影響零部件的使用性能。

1.2.1 空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

空調(diào)系統(tǒng)能有效保證乘員艙的環(huán)境溫度，能讓駕乘人員處在舒適的環(huán)境下。空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、散熱器、電子水泵等組成，在手動(dòng)工作模式，空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)控制面板控制，實(shí)施不同的指令；在自動(dòng)模式下，空調(diào)系統(tǒng)主要通過溫度傳感器檢測車內(nèi)及車外溫度數(shù)據(jù)，傳輸回空調(diào)控制器，空調(diào)控制器根據(jù)不同環(huán)境條件實(shí)施不同的策略，自動(dòng)控制空調(diào)制冷或制熱。

空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是由空調(diào)控制器帶動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)從蒸發(fā)器中抽出氣態(tài)的制冷劑，排入冷凝器。高壓的制冷劑在由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏阂簯B(tài)制冷劑時(shí)會(huì)釋放出熱量，這些熱量會(huì)傳導(dǎo)至散熱格柵，與外界空氣進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)至外界。高壓的液態(tài)制冷劑流經(jīng)膨脹閥，因節(jié)流作用而降低壓力變成低壓液態(tài)制冷劑，在蒸發(fā)器中會(huì)變成氣態(tài)制冷劑，同時(shí)吸收熱量，蒸發(fā)器內(nèi)空氣會(huì)得到冷卻，達(dá)到冷卻的效果。

1.2.2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作原理

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可準(zhǔn)確測量和監(jiān)控電池的溫度，當(dāng)動(dòng)力電池組溫度過高時(shí)，能有效散熱及通風(fēng)，而在低溫條件下能快速加熱，改善動(dòng)力電池組的工作條件。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)還可以有效排放有害氣體，保持動(dòng)力電池工作環(huán)境的清潔；另外，通過降溫管理和升溫管理，可有效保證動(dòng)力電池組溫度場的均勻分布[8]。

2019款比亞迪E5動(dòng)力電池包的冷卻管路如圖2所示，其左右設(shè)計(jì)不一致，右側(cè)冷卻管路設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，冷卻右側(cè)所有模組。而左側(cè)冷卻管路設(shè)計(jì)有3個(gè)進(jìn)水口和3個(gè)出水口。其原因在于右側(cè)冷卻管路靠近進(jìn)水口，水壓大，水的流速快，冷卻水經(jīng)過右側(cè)電池的時(shí)間較短，吸收的熱量較少，冷卻水的溫度基本保持不變，使得右側(cè)靠近出水口位置的電池模組也可以得到相同程度的散熱；而左側(cè)冷卻管路遠(yuǎn)離進(jìn)水口，水壓小，水的流速慢，若左側(cè)管路的冷卻方式和右側(cè)一樣，那么冷卻水經(jīng)過左側(cè)電池的時(shí)間較長，吸收的熱量較多，冷卻水的溫度容易升高，使得左側(cè)冷卻管道末端附近的電池模組的降溫效果不理想。

圖2 2019款比亞迪E5動(dòng)力電池包冷卻管路

1.2.3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的工作原理

2019款比亞迪E5驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用了水冷控制，該冷卻系統(tǒng)主要由電動(dòng)水泵、散熱器、膨脹罐、冷卻散熱循環(huán)管路及冷卻液等組成。其工作原理如圖3所示[8]，冷卻水泵運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)冷卻液在管道中循環(huán)流動(dòng)，帶走電機(jī)及控制器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，通過散熱器總成與外界進(jìn)行熱交換，把系統(tǒng)熱量散發(fā)到環(huán)境中去。在散熱器后部裝有電子風(fēng)扇總成，以使散熱器熱量散發(fā)更為充分。冷卻水的溫度由冷卻液溫度傳感器測量，并向控制器發(fā)送信號(hào)，以根據(jù)需要控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，同時(shí)溫度信號(hào)通過CAN總線傳送到組合儀表，若冷卻液溫度過高，會(huì)在組合儀表上顯示故障警告燈。

圖3 電機(jī)及控制器的冷卻系統(tǒng)工作原理

2 熱管理系統(tǒng)常見故障的原因分析

熱管理系統(tǒng)最常見的故障現(xiàn)象是“冷卻液溫度過高”，可表現(xiàn)為儀表盤上有“電機(jī)冷卻液溫度過高警告燈”或“電機(jī)過熱警告燈”或“動(dòng)力電池過熱警告燈”等亮起，或乘員明顯感覺乘員艙內(nèi)空調(diào)制冷強(qiáng)度不夠，無法處于適宜溫度的車內(nèi)環(huán)境中。歸根結(jié)底，造成這些現(xiàn)象的故障原因可能來源于空調(diào)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)或電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。

空調(diào)系統(tǒng)熱管理出現(xiàn)故障主要可從空調(diào)驅(qū)動(dòng)器、空調(diào)壓縮機(jī)、傳感器、其他制冷部件、線路等方面進(jìn)行分析。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理出現(xiàn)故障的原因可從驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、旋轉(zhuǎn)變壓器、傳感器、冷卻系統(tǒng)、線路故障等方面進(jìn)行分析[8]。動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱管理故障原因可從電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池、BIC采集器、冷卻系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析[9]。各系統(tǒng)的故障原因分析結(jié)果如表1所示。

表1 熱管理系統(tǒng)常見故障的原因分析

綜合上述分析，以“冷卻液溫度過高”這一故障現(xiàn)象為頂事件，分析冷卻液溫度過高的原因，主要圍繞熱管理系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)展開分析，繪制故障樹，如圖4所示。

圖4 熱管理系統(tǒng)故障樹

3 熱管理系統(tǒng)故障診斷流程圖的設(shè)計(jì)

以2019款比亞迪E5電動(dòng)車為例，根據(jù)熱管理系統(tǒng)相關(guān)故障現(xiàn)象、故障原因分析及故障樹，分析故障診斷流程，并設(shè)計(jì)故障流程圖。

3.1 故障現(xiàn)象

2019款比亞迪E5電動(dòng)車動(dòng)力輸出不穩(wěn)定，儀表盤顯示驅(qū)動(dòng)電機(jī)過熱警告燈、動(dòng)力電池過熱警告燈以及電機(jī)冷卻液溫度過高警告燈常亮。

3.2 故障原因分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，讀取故障碼，可以得到兩種結(jié)果，一是無故障碼，二是有故障碼。無故障碼的原因是故障部位不是運(yùn)行狀態(tài)，或該部件未與通信CAN連接，導(dǎo)致讀取不到故障碼。有故障碼，則按照故障碼提示部位進(jìn)行排查。根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)架特性以及所查資料，分析出現(xiàn)故障原因可能是以下幾個(gè)方面：動(dòng)力電池組散熱失效、驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障、電機(jī)控制器故障、空調(diào)系統(tǒng)故障。

1)動(dòng)力電池組散熱失效，可能原因有動(dòng)力電池管理系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)硬件故障、傳感器故障、線路故障等，結(jié)合動(dòng)力電池系統(tǒng)故障樹設(shè)計(jì)時(shí)所分析的故障點(diǎn)，按由簡入繁原則，注意排查。

2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器散熱失效，可能原因電機(jī)故障、電機(jī)控制器故障及冷卻系統(tǒng)故障，結(jié)合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障樹設(shè)計(jì)時(shí)所分析的故障點(diǎn)，按由簡入繁原則，注意排查。

3)電機(jī)故障原因有定子繞組短路、轉(zhuǎn)子與定子干涉、軸承損壞、電機(jī)過載、溫度傳感器故障、數(shù)據(jù)采集線路故障導(dǎo)致溫度過高，散熱效率不足。

4)電機(jī)控制器故障，可能的原因有溫度采集失敗、控制芯片損壞及逆變器故障等。

5)空調(diào)系統(tǒng)故障，可能原因有傳感器故障、管路故障、水泵故障等?？照{(diào)系統(tǒng)故障原因有電子膨脹閥故障、壓縮機(jī)故障、散熱風(fēng)扇故障、管路故障、四通閥故障、冷凝器故障、PTC故障等，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)故障樹設(shè)計(jì)時(shí)所分析的故障點(diǎn)，按由簡入繁原則，注意排查。

3.3 故障診斷流程圖的設(shè)計(jì)

根據(jù)“冷卻液溫度過高”這一故障現(xiàn)象，遵循先外后內(nèi)、先易后難、先簡后繁的故障診斷原則，主要針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)故障診斷流程圖，如圖5所示。

圖5 冷卻液溫度過高故障診斷流程圖

4 故障案例診斷與分析

4.1 故障現(xiàn)象

一輛2019款比亞迪E5電動(dòng)車的儀表盤顯示“請(qǐng)檢查動(dòng)力系統(tǒng)、SOC狀態(tài)68%、室外溫度8℃”；嘗試啟動(dòng)車輛，發(fā)現(xiàn)車輛無法啟動(dòng)，擋位無法正常切換，空調(diào)控制面板不能正常使用，不能切換通風(fēng)循環(huán)模式以及不能切換冷暖風(fēng)模式。

4.2 故障診斷

根據(jù)故障樹和故障診斷流程圖，對(duì)車輛故障進(jìn)行診斷和排查，具體步驟如下。

1)首先進(jìn)行外觀排查，對(duì)車輛空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行外觀直觀檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻液正常、管路無泄漏現(xiàn)象，無灰塵沉積，無油漬。

2)將空調(diào)控制面板打開，查看內(nèi)部的線路連接情況，發(fā)現(xiàn)連接完好，按鍵也能正常按動(dòng)，但無法操控系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)。

3)檢查動(dòng)力電池包處的維修開關(guān)，發(fā)現(xiàn)無松動(dòng)現(xiàn)象，處于鎖止?fàn)顟B(tài)。

4)檢查低壓蓄電池供電是否正常，發(fā)現(xiàn)低壓蓄電池電壓過低，無法保證電池管理系統(tǒng)正常自檢，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，發(fā)現(xiàn)故障尚未清除。

5)采用解碼儀與車輛連接，選擇車輛型號(hào)，確定連接成功，對(duì)整車進(jìn)行故障碼讀取。清除故障碼后嘗試重新啟動(dòng)車輛，發(fā)現(xiàn)未能正常啟動(dòng)。查看故障碼，發(fā)現(xiàn)故障5個(gè)故障皆為舒適網(wǎng)-空調(diào)控制器內(nèi)的故障，分別為B2A2413蒸發(fā)器溫度傳感器斷路、B2A4B14循環(huán)電機(jī)對(duì)地短路或開路、B2A4B92循環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)不到位、B2A4E13高壓管路的壓力傳感器斷路、B2A2F09空調(diào)管路處于高壓狀態(tài)或低壓狀態(tài)。

6)由故障碼可以分析出該車故障部位可能為空調(diào)系統(tǒng)，具體部位還需進(jìn)行下一步檢查；讀取空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，如表2所示，發(fā)現(xiàn)“壓力狀態(tài)”一項(xiàng)中顯示壓力傳感器故障，并且壓力值為無窮大，而正常壓力值應(yīng)為0～4.5 MPa，因此可以大致判斷出故障位置為壓力傳感器及其周圍部件。

表2 空調(diào)控制器數(shù)據(jù)流

7)找出壓力傳感器，對(duì)其進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)其外觀無污染，線路外觀正常，假設(shè)壓力傳感器本身沒有損壞，則可以從線路或者電源等方面作為切入點(diǎn)。

8)使用萬用表20 V電壓擋檢測空調(diào)控制器輸出至壓力傳感器的電源接口A21，發(fā)現(xiàn)其對(duì)地電壓為4.99 V，屬于正常的電壓輸出，說明輸出電壓及該部分線路是正常的；再檢查傳感器電源輸入接口1號(hào)端子的對(duì)地電壓，顯示為4.99 V，因此可以確定空調(diào)控制器至傳感器之間的線路為正常。

9)再檢測傳感器輸出信號(hào)接口2號(hào)端子的對(duì)地電壓，發(fā)現(xiàn)其電壓為1.30 V。由傳感器類型可知，該傳感器結(jié)構(gòu)為電阻式傳感器，因此內(nèi)阻會(huì)分擔(dān)部分電壓，因此輸出電壓為1.30 V是正常的，從電壓為正常值可以判斷，如若傳感器本身損壞，則傳感器輸出信號(hào)電壓應(yīng)為0 V或無窮大，因此可以判斷出傳感器本身沒有問題。

10)根據(jù)電源及數(shù)據(jù)輸入沒有任何問題，結(jié)合數(shù)據(jù)流顯示壓力傳感器故障，可以分析出傳感器輸入沒問題，輸出有問題，繼續(xù)對(duì)信號(hào)采集線路進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)空調(diào)控制器對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集端口電壓為0 V，這顯然不是正常的數(shù)值，正常的數(shù)值應(yīng)與傳感器輸出端口電壓一致，應(yīng)均為1.30 V，因此可以斷定故障出現(xiàn)在壓力傳感器輸出接口2號(hào)端子至空調(diào)控制器信號(hào)采集口C13之間的線路上。檢測結(jié)果及正常范圍如表3所示。

表3 各端子的對(duì)地電壓測量值

4.3 故障排除

由以上故障診斷分析可知，故障出現(xiàn)在壓力傳感器輸出接口2號(hào)端子至空調(diào)控制器信號(hào)采集口C13之間的線路上。更換同規(guī)格線路，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器能正常運(yùn)行，再次讀取故障碼，發(fā)現(xiàn)故障已清除。

5 結(jié)論

本文以2019款比亞迪E5電動(dòng)車為研究對(duì)象，首先分析比亞迪E5電動(dòng)車各系統(tǒng)的發(fā)熱原因，介紹其熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理；其次對(duì)熱管理系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象做原因分析，繪制出動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)故障樹；再次根據(jù)先外后內(nèi)、先易后難、先簡后繁的故障診斷原則，設(shè)計(jì)出熱管理系統(tǒng)的故障診斷流程圖；最后以一個(gè)故障案例對(duì)流程圖進(jìn)行驗(yàn)證，排除故障。