新普銳斯混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與故障診斷

胡登興　饒建偉

摘要：混合動(dòng)力（HEV）汽車是指汽車使用燃油驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)工作方式。文章結(jié)合混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與故障診斷及檢修方法，以新普銳斯混合動(dòng)力汽車架構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)為例，著重就HEV、THSⅡ組成、主要部件功能，混合動(dòng)力汽車工作安全、維護(hù)與檢修特點(diǎn)方法進(jìn)行分析和研究。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)；HEV；THSⅡ；控制系統(tǒng)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；故障診斷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U461 文章編號(hào)：1009-2374（2015）06-0117-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0486

混合動(dòng)力（HEV）汽車是指汽車使用燃油驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)工作方式。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）車輛啟動(dòng)停止時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)僅供交流發(fā)電機(jī)輸出電力使電動(dòng)機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)車輪；（2）當(dāng)車速達(dá)到一定值，則燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作驅(qū)動(dòng)車輪，并帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)輸出電力，通過(guò)變流器變成直流電給蓄電池充電。第三代新普銳斯的動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的汽車不同：在路上正常行駛的狀態(tài)下，當(dāng)車速低于20公里或停車時(shí)，該車完全是一款純電動(dòng)車，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有工作，前輪是通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，避免了車輛在怠速狀態(tài)下的汽油消耗和尾氣排放。如果長(zhǎng)時(shí)間處于低速行駛狀態(tài)，電池的電量降低到一定的程度時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，為電池進(jìn)行充電。

1 新普銳斯采用的HEV技術(shù)

新普銳斯油電混合汽車的混合動(dòng)力輸出由內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)、HV車載電池、高壓電纜、電動(dòng)傳動(dòng)橋、變頻轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機(jī)組等構(gòu)成。該車通過(guò)電子控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的工況進(jìn)行動(dòng)力輸出控制，以保證汽車不僅具有良好動(dòng)力性又具備很高的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性。

采用插電式設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力車的車載電池組，支持外部充電，可以用純電模式行駛，電池電量耗盡后再以混合動(dòng)力模式（以內(nèi)燃機(jī)為主）行駛，并適時(shí)為車載電池充電。新普銳斯汽車采用插電式混合動(dòng)力技術(shù)，主要靠行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量和制動(dòng)時(shí)回收的能量，并轉(zhuǎn)化為電能為車輛蓄電池充電，故發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在最佳工況狀態(tài)，動(dòng)力性好，排放量很低。

2 THSⅡ組成與特點(diǎn)

新普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)（THS）的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)和電池組等部分，它利用電子控制裝置使汽油機(jī)和電機(jī)兩種動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)串、并聯(lián)及混聯(lián)式進(jìn)行組合工作。

混聯(lián)式混合動(dòng)力控制系統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有一套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)或通過(guò)齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。與并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

新普銳斯的混合動(dòng)力系統(tǒng)（THSⅡ）是由控制系統(tǒng)（HV ECU）、動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（變頻器、變速驅(qū)動(dòng)橋）、蓄電池組（HV蓄電池）組成。其特點(diǎn)：（1）無(wú)離合器，傳動(dòng)效率高；（2）無(wú)級(jí)變速，發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直工作于高效區(qū)；（3）怠速停止發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車，提高效率，減少排放；（4）下坡或減速時(shí)完全再生制動(dòng)。

新普銳斯以中低速行駛和高速行駛時(shí)的工作模式完全不同。其電機(jī)的工作模式，無(wú)論是一號(hào)電機(jī)MG1，還是二號(hào)電機(jī)MG2，如果其轉(zhuǎn)速和扭矩同為正值或者其轉(zhuǎn)速和扭矩同為負(fù)值，說(shuō)明其工作在電動(dòng)機(jī)模式；如果其轉(zhuǎn)速為正值，但扭矩為負(fù)值，則說(shuō)明其工作在發(fā)電機(jī)模式；如果電機(jī)只有轉(zhuǎn)速，沒(méi)有扭矩輸出（扭矩為0），則說(shuō)明其工作在空轉(zhuǎn)模式。

HV ECU：HV ECU接收每個(gè)傳感器及ECU的信息，根據(jù)此信息計(jì)算所需的扭機(jī)和輸出功率，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、變頻器ECU、蓄電池ECU和制動(dòng)防滑控制ECU。

動(dòng)力系統(tǒng)：新普銳斯采用阿特金森（Atkinson）發(fā)動(dòng)機(jī)。阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)采用阿特金森循環(huán)技術(shù)、VVT-i、ETCS-i技術(shù)推遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，在壓縮沖程從進(jìn)氣門(mén)排出部分燃?xì)猓瑴p少進(jìn)氣量，實(shí)現(xiàn)節(jié)油的效果。

HV蓄電池：安裝在新普銳斯的高輸出HV鎳氫蓄電池組，電池電壓為201.6V。它是由28塊1.2V×6格的電池組組成，位于后備箱內(nèi)后排座椅下。該電池組具有高輸入輸出密度（每重量的輸出）和重量輕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

輔助蓄電池組安裝在后備箱中，電壓為12V。它給組合式頭燈、多媒體系統(tǒng)和其他附件及所有ECU供電。輔助蓄電池組采用密封性電池，且嚴(yán)禁快速充電。

變頻器總成：新普銳斯采用的電壓為201V驅(qū)動(dòng)電池組，通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)換并提高到交流500V，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)或獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛行駛。并由直流200V變頻為交流200V以及降壓至12V供電。

變速器驅(qū)動(dòng)橋總成：變速器驅(qū)動(dòng)橋總成包含交流500V的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)（電機(jī)MG1/電機(jī)MG2）、行星齒輪機(jī)構(gòu)、差速齒輪和主減速器齒輪。

3 新普銳斯混合動(dòng)力汽車的維護(hù)與檢修

3.1 維護(hù)與檢修注意事項(xiàng)

必須查詢并依照混合動(dòng)力汽車的隨車維修手冊(cè)，依規(guī)依序操作：（1）混合動(dòng)力汽車的汽車高壓電氣系統(tǒng)，包含驅(qū)動(dòng)主電池組、變頻變流電路、整流充電電路、交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和電線束等。為保證安全，所有的高壓電線接線端采取密封或隔離措施，高壓電線束采用潔凈的橙黃色加以區(qū)分。維修手冊(cè)上清楚標(biāo)注出所有橙色線為高壓電線（200～500V）；（2）維護(hù)時(shí)注意“READY”指示燈，“READY”燈點(diǎn)亮發(fā)動(dòng)機(jī)可能運(yùn)轉(zhuǎn)中，以此判斷車輛此時(shí)是處于工作還是停機(jī)狀態(tài)（注意“READY”指示燈熄滅后電源仍會(huì)持續(xù)5分鐘供電）。在對(duì)轎車進(jìn)行維修工作之前，都要確保就緒指示燈是熄滅的。故應(yīng)關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，并把車鑰匙取下來(lái)；（3）在維護(hù)檢修時(shí)按規(guī)定著裝，禁止佩帶首飾、手表、戒指、項(xiàng)鏈、鑰匙等。維護(hù)檢修準(zhǔn)備吸水毛巾或布、滅火器、絕緣膠布、萬(wàn)用表，必須選用適用于電工作業(yè)的絕緣的、耐堿性的橡膠手套及防堿性類型的鞋子和護(hù)目鏡，防止電解液溢出等造成的意外傷害。

3.2 操作準(zhǔn)備

3.2.1 牽（拖）引車。牽（拖）引新普銳斯：首先應(yīng)斷開(kāi)輔助電池負(fù)極端子，然后采用牽引前輪和四輪離地牽引方法牽引。特殊情況下可以采取四輪著地狀態(tài)拖引車輛，但是必須滿足以下條件：（1）點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于ACC檔，檔位開(kāi)關(guān)置于N檔；（2）車速須低于30公里/小時(shí)；（3）盡可能縮短車輛拖引的距離。

3.2.2 跨接啟動(dòng)車?？缃訂?dòng)新普銳斯：如果輔助電池組（12V）虧（缺）電，主儀表READY燈無(wú)法點(diǎn)亮，車輛將無(wú)法起動(dòng)。應(yīng)首先：（1）檔位開(kāi)關(guān)置P檔位置，設(shè)置駐車制動(dòng)，拔下鑰匙；（2）輔助電池的跨接：須跨接輔助電池正極→連接合格電池正極→連接合格電源負(fù)極→連接新普銳斯后備箱鎖扣（搭鐵接地）。啟動(dòng)后按照相反的順序斷開(kāi)連接。

3.2.3 斷開(kāi)HV系統(tǒng)。新普銳斯進(jìn)行保養(yǎng)或維修、處理?yè)p壞車輛、進(jìn)行事故恢復(fù)或急救工作時(shí)：（1）檔位開(kāi)關(guān)置于P檔位置，駐車制動(dòng)，拔下鑰匙；（2）斷開(kāi)輔助電池負(fù)極端子；（3）帶上絕緣手套拆下維修塞，將維修塞用絕緣膠布貼封起來(lái)，隔離外露區(qū)域與高壓系統(tǒng)的接線端或連接器；（4）斷開(kāi)維修塞后，在開(kāi)始檢查前等待5分鐘，使用萬(wàn)用表去檢測(cè)變頻器每一個(gè)相位電壓，讀數(shù)必須為0。若因?yàn)閾p壞或其他的原因無(wú)法取下HV蓄電池維修塞，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的接線盒中拔出HV蓄電池組保險(xiǎn)絲。

3.3 診斷與檢修步驟

3.3.1 客戶查詢：（1）根據(jù)天氣溫度、道路與坡道情況、修理歷史記錄、燃油油位等確定使用條件；（2）根據(jù)行車條件，駕駛員操作，警告、故障出現(xiàn)頻率等確定車輛條件。

3.3.2 診斷過(guò)程：（1）初步根據(jù)對(duì)客戶查詢，判斷故障前行駛狀況、故障時(shí)及到廠維修時(shí)車輛狀況及相關(guān)信息進(jìn)行分析；（2）采用車輛故障診斷儀診斷汽車故障時(shí)，使用IT-Ⅱ和選用DLC3接頭，檢查并記錄系統(tǒng)中所有的故障碼，確認(rèn)HV系統(tǒng)存在的故障碼，并將故障信息碼優(yōu)先排；（3）檢查并記錄FFD（每一個(gè)系統(tǒng)），并檢查歷史記錄數(shù)據(jù)。

故障診斷儀的故障碼讀取系統(tǒng)界面中會(huì)在故障代碼后顯示故障碼出現(xiàn)的優(yōu)先順序，提示檢車診斷維修人員排查故障正確順序。

3.3.3 在分析故障代碼時(shí)，需要區(qū)分與故障不關(guān)聯(lián)的故障碼。不關(guān)聯(lián)的故障有：（1）在日光照射不了的條件下，代碼B1424（日光傳感器回路異常）有時(shí)會(huì)輸出；（2）HV系統(tǒng)有故障時(shí)再生制動(dòng)器不起作用，ECB ECU從HV ECU接受故障信號(hào)并輸出故障代碼C1259（HV系統(tǒng)再生故障）、C1310（HV系統(tǒng)故障）；（3）EPS ECU從HV ECU接受故障信號(hào)并輸出故障代碼C1546（HV系統(tǒng)故障）；（4）當(dāng)蓄電池組端子斷開(kāi)，AFS系統(tǒng)輸出（轉(zhuǎn)向中間位置自動(dòng)校正不完全故障）故障碼B2421。確認(rèn)故障代碼后檢測(cè)相關(guān)故障元件（注意在檢測(cè)時(shí)，應(yīng)按照故障碼的優(yōu)先順序進(jìn)行）；（5）維修人員按照故障碼優(yōu)先順序檢查P0A60-501（相位V電流傳感器故障），在故障恢復(fù)后清除故障碼，并檢查故障是否能夠重現(xiàn)，以確定故障可靠排除。

3.3.4 主動(dòng)測(cè)試功能應(yīng)用。主動(dòng)測(cè)試主要用于對(duì)混合動(dòng)力車輛進(jìn)行故障檢查，并使車輛保持特定的運(yùn)行狀態(tài)。主動(dòng)測(cè)試的項(xiàng)目有：（1）診斷模式1：將檔位開(kāi)關(guān)置于P檔位，連續(xù)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)并取消牽引力的控制，用于檢查發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正時(shí)、HC/CO的排放情況；檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況；轉(zhuǎn)速表工作情況；（2）診斷模式2：取消牽引力控制，用于檢查發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正時(shí)、HC/CO的排放情況；檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況；轉(zhuǎn)速表工作情況；（3）變頻器驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制停止：持續(xù)切斷HV ECU內(nèi)部的功率三極管，用于確認(rèn)是否在變頻器或HV ECU內(nèi)部有漏電；（4）啟動(dòng)請(qǐng)求：連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，用于檢查發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮情況。例：混合動(dòng)力系統(tǒng)FINV（P0A78、P0A7A）。FINV故障包括HV ECU或變頻器故障需要判斷，采用變頻器驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制停止模式判斷變頻器或HV ECU漏電。

參考文獻(xiàn)

[1] 張松，吳光強(qiáng)，鄭松林.插電式混合動(dòng)力汽車能量管理策略多目標(biāo)優(yōu)化[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（7）.

[2] 林歆悠，孫冬野，尹燕莉，郝允志.混聯(lián)式混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化控制策略[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（7）.

作者簡(jiǎn)介：胡登興（1991-），男，重慶人，供職于重慶電訊職業(yè)學(xué)院，汽車維修技師，汽車電控檢測(cè)師，研究方向：工程項(xiàng)目科研、設(shè)計(jì)與教學(xué)；饒建偉（1991-），男，四川樂(lè)山人，供職于重慶電訊職業(yè)學(xué)院，汽車維修技師，汽車運(yùn)用工程師，研究方向：工程項(xiàng)目科研、設(shè)計(jì)與教學(xué)。

（責(zé)任編輯：陳 倩）