純電動汽車高壓上電流程及故障診斷研究

譚仕發

（眉山職業技術學院， 四川 眉山 620010）

1 概述

新能源汽車作為汽車產業的新動能正在醞釀重塑產業力量的大趨勢。在國家大力支持下，新能源汽車長期發展趨勢向好，2019年中國新能源汽車產銷量超過120萬輛，居全球領先地位。

在新能源汽車快速市場化的背景下，新能源汽車故障頻發，而相關的維修技術標準體系尚不完善，對新能源汽車的維修手段主要體現在整個部件的更換，車主維修成本較高；同時，新能源汽車后市場技能型服務人才稀缺，相關售后服務問題日益凸顯。

新能源汽車頻發故障，具體表現為故障報警、限功率運行、車輛無法上電等故障現象，其中車輛無法完成高壓上電是多數故障發生后的車輛最終表現，出現頻率較高，行業專家對新能源汽車上電故障、上電流程、上電控制策略已經做了大量的研究工作，取得了較好的研究成果［1-3］。

本文以某型純電動汽車為例，研究了其上電流程及控制策略，并分析高壓上電故障，READY燈點亮失敗的可能原因，并提出了相關的診斷方法。

2 高壓上電流程

新能源汽車高壓上電，即動力電池輸出高壓電，供給車輛高壓用電設備，高壓控制盒、電機控制器、驅動電機等。

圖1為某型純電動汽車動力電池的上電過程原理。圖中MSD表示手動維修開關，V1監測MSD的連接良好、動力電池串聯回路連接完好，V2監測預充電阻后的電壓，V3監測對負載的預充電壓，通過比較V1、V2、V3電壓值來判斷各接觸器的連接狀態，PTC加熱元件對動力電池系統保溫。

圖1 動力電池上電過程原理

行車模式下的高壓上電過程，VCU控制負極接觸器閉合，再由BMS控制預充電接觸器，在檢測到預充電壓達到目標電壓值后，判斷預充電成功，閉合正極接觸器，斷開預充接觸器，完成行車模式的高壓上電過程，通過對比分析V1、V2、V3電壓值來判斷各接觸器的連接狀況。

通過采集行車模式下正常上電過程V1、V2、V3電壓值，繪制得到圖2曲線圖。由圖2可知，上電過程的t1時刻，動力電池系統MSD正常連接，模組之間串聯良好，V1電壓值為動力電池的額定電壓500V；t2時刻，負極接觸器閉合，此時V2與預充電阻串聯 （圖1），V2電壓低于V1；t3時刻，預充接觸器閉合，動力電池系統開始對外部高壓電器預充電，V2與V3并聯，V2的電壓被拉低，再V2與V3電壓同時升高；t4時刻，預充電完成V2=V3≥90%V1，閉合正極接觸器；t5時刻預充接觸器斷開，上電完成。

圖2 正常上電過程電壓曲線

3 控制策略

鑰匙置ON擋后，VCU被喚醒，VCU自檢完成之后，向CAN線發送第1幀報文請求閉合高壓互鎖回路使能，同時喚醒MCU以及BMS，BMS自檢正常后監控互鎖回路信號、檢測高壓回路絕緣狀況，檢查動力電池SOC狀態，內部單體電壓以及電池溫度，判斷整車當前的充電或是行車模式，符合高壓上電條件后，執行上電程序。實時監控駕駛員的鑰匙請求，當keyon=0后，進入低壓電／高壓電的下電流程。圖3為某型純電動汽車行車模式下的上電控制策略示意［4-5］。

圖3 行車模式下的上電控制策略示意

其中，高壓回路的絕緣狀況檢測，將動力電池高壓電源作為檢測電源，在動力電池的正負極以及車輛底盤之間建立橋式阻抗網絡，如圖4所示。通過控制電子開關管T1、T2的通斷，改變A、B之間的等效電阻，通過計算BMS得到絕緣阻值，并進行絕緣性能的判定。

另外，整車在高壓上電前須確保高壓回路的完整性，使高壓處于封閉的環境下運行，通常BMS發出并監測12V低壓電氣信號，檢測高壓部件、高壓接插件、護蓋等的連接完整性。

圖4 橋式阻抗網絡電路

4 故障診斷

新能源汽車無法上高壓，READY燈點亮失敗，類似這種故障時有發生，且各品牌各車型都有出現類似案例，引起上電失敗的原因也層出不窮。從上電過程總結，第1類初始化階段，各控制器未完成自檢，動力電池SOC太低，單體壓差過大，動力電池過溫／過冷；第2類如絕緣阻值過低，絕緣監測報故障；互鎖回路不完整，無法監測到低壓電氣信號，報互鎖故障；第3類執行高壓上電階段，接觸器的非正常通斷造成預充電的失敗或超時，如圖5、圖6所示。

圖5 非正常上電曲線示例1

圖5 所示的上電故障發生在負極接觸器閉合后的t2時刻，負極接觸器閉合后，檢測V2電壓小于V1電壓的50%，且未到t3時刻，預充接觸器還未閉合，而V3電壓逐漸升高，已經開始了預充電過程。于是設置判定條件：負極接觸器閉合V2≤50%V1，且120~150ms后，V2電壓達到V1電壓的80%，則判定為預充接觸器粘連故障。

圖6所示的上電故障發生在t4時刻，預充完成，閉合正極接觸器。由于正極接觸器未能正常閉合，100ms后斷開預充接觸器，預充電容通過放電電阻釋放電能，V3電壓降低。于是設置判定條件為：閉合正極繼電器，斷開預充繼電器后，V3電壓沒有達到V1電壓的95%以上，則判定正極繼電器斷路。

圖6 非正常上電曲線示例2

動力電池執行上高壓階段出現上電失敗的其他案例，通過采集分析V1、V2、V3的電壓數據，判定出在設定的上電時刻有沒有執行相應的指令，從而推斷出故障點的位置，如MSD的未連接或熔斷器燒壞，負極接觸器粘連、預充接觸器粘連、預充電阻燒壞、正極接觸器粘連等。

5 結論

針對新能源汽車上電故障問題，本文以某型純電動汽車為例，分析其上電流程及控制策略，得出以下建議。

1） 各控制器自檢未完成，檢查各控制器的“ON”、“CHG”或“WAKE UP”信號以及相互間CAN通信狀況。

2） 絕緣故障，檢查高壓線束破損情況，檢查高壓插接器有無泥沙雜物進入，分別檢查高壓部件、高壓線束正負極對車身搭鐵的絕緣阻值。

3） 高壓互鎖故障，依車型手冊找出互鎖回路連接狀況，檢查互鎖回路的導通情況，檢查互鎖回路的電氣信號。

4） 動力電池執行上高壓階段，通過采集分析V1、V2、V3的電壓數據，判定出在設定的上電時刻有沒有執行相應的指令，從而推斷出故障點的位置。