新普銳斯混合動力汽車系統結構與故障診斷

胡登興　饒建偉

摘要：混合動力（HEV）汽車是指汽車使用燃油驅動和電力驅動兩種驅動工作方式。文章結合混合動力汽車系統結構原理與故障診斷及檢修方法，以新普銳斯混合動力汽車架構及技術特點為例，著重就HEV、THSⅡ組成、主要部件功能，混合動力汽車工作安全、維護與檢修特點方法進行分析和研究。

關鍵詞：混合動力汽車系統；HEV；THSⅡ；控制系統；系統結構；故障診斷 文獻標識碼：A

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

混合動力（HEV）汽車是指汽車使用燃油驅動和電力驅動兩種驅動工作方式。其優點是：（1）車輛啟動停止時，燃油發動機僅供交流發電機輸出電力使電動機工作，驅動車輪；（2）當車速達到一定值，則燃油發動機工作驅動車輪，并帶動交流發電機輸出電力，通過變流器變成直流電給蓄電池充電。第三代新普銳斯的動力系統與傳統的汽車不同：在路上正常行駛的狀態下，當車速低于20公里或停車時，該車完全是一款純電動車，此時發動機并沒有工作，前輪是通過電動機驅動的，避免了車輛在怠速狀態下的汽油消耗和尾氣排放。如果長時間處于低速行駛狀態，電池的電量降低到一定的程度時，燃油發動機會自動啟動，為電池進行充電。

1 新普銳斯采用的HEV技術

新普銳斯油電混合汽車的混合動力輸出由內燃機系統、HV車載電池、高壓電纜、電動傳動橋、變頻轉換器、發電機組等構成。該車通過電子控制系統，根據不同的工況進行動力輸出控制，以保證汽車不僅具有良好動力性又具備很高的燃油經濟性與排放性。

采用插電式設計的混合動力車的車載電池組，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力模式（以內燃機為主）行駛，并適時為車載電池充電。新普銳斯汽車采用插電式混合動力技術，主要靠行駛時發動機產生的能量和制動時回收的能量，并轉化為電能為車輛蓄電池充電，故發動機一直保持在最佳工況狀態，動力性好，排放量很低。

2 THSⅡ組成與特點

新普銳斯混合動力系統（THS）的動力系統構成包括控制系統、驅動系統、輔助動力系統和電池組等部分，它利用電子控制裝置使汽油機和電機兩種動力系統通過串、并聯及混聯式進行組合工作。

混聯式混合動力控制系統的燃油發動機系統和電機驅動系統各有一套機械變速機構，兩套機構或通過齒輪系，或采用行星輪式結構結合在一起，從而綜合調節燃油發動機系統與電動機之間的轉速關系。與并聯式混合動力系統相比，混聯式動力系統可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉。

新普銳斯的混合動力系統（THSⅡ）是由控制系統（HV ECU）、動力系統（發動機）、驅動系統（變頻器、變速驅動橋）、蓄電池組（HV蓄電池）組成。其特點：（1）無離合器，傳動效率高；（2）無級變速，發動機可以一直工作于高效區；（3）怠速停止發動機，電機驅動機車，提高效率，減少排放；（4）下坡或減速時完全再生制動。

新普銳斯以中低速行駛和高速行駛時的工作模式完全不同。其電機的工作模式，無論是一號電機MG1，還是二號電機MG2，如果其轉速和扭矩同為正值或者其轉速和扭矩同為負值，說明其工作在電動機模式；如果其轉速為正值，但扭矩為負值，則說明其工作在發電機模式；如果電機只有轉速，沒有扭矩輸出（扭矩為0），則說明其工作在空轉模式。

HV ECU：HV ECU接收每個傳感器及ECU的信息，根據此信息計算所需的扭機和輸出功率，并將計算結果發送給發動機ECU、變頻器ECU、蓄電池ECU和制動防滑控制ECU。

動力系統：新普銳斯采用阿特金森（Atkinson）發動機。阿特金森發動機通過采用阿特金森循環技術、VVT-i、ETCS-i技術推遲進氣門關閉，在壓縮沖程從進氣門排出部分燃氣，減少進氣量，實現節油的效果。

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、壽命長等特點。

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，且嚴禁快速充電。

變頻器總成：新普銳斯采用的電壓為201V驅動電池組，通過變頻器轉換并提高到交流500V，驅動電動機輔助發動機或獨立驅動車輛行駛。并由直流200V變頻為交流200V以及降壓至12V供電。

變速器驅動橋總成：變速器驅動橋總成包含交流500V的電動機/發電機（電機MG1/電機MG2）、行星齒輪機構、差速齒輪和主減速器齒輪。

3 新普銳斯混合動力汽車的維護與檢修

3.1 維護與檢修注意事項

必須查詢并依照混合動力汽車的隨車維修手冊，依規依序操作：（1）混合動力汽車的汽車高壓電氣系統，包含驅動主電池組、變頻變流電路、整流充電電路、交流發電機系統、驅動電動機系統、電子控制系統和電線束等。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分。維修手冊上清楚標注出所有橙色線為高壓電線（200～500V）；（2）維護時注意“READY”指示燈，“READY”燈點亮發動機可能運轉中，以此判斷車輛此時是處于工作還是停機狀態（注意“READY”指示燈熄滅后電源仍會持續5分鐘供電）。在對轎車進行維修工作之前，都要確保就緒指示燈是熄滅的。故應關閉點火開關，并把車鑰匙取下來；（3）在維護檢修時按規定著裝，禁止佩帶首飾、手表、戒指、項鏈、鑰匙等。維護檢修準備吸水毛巾或布、滅火器、絕緣膠布、萬用表，必須選用適用于電工作業的絕緣的、耐堿性的橡膠手套及防堿性類型的鞋子和護目鏡，防止電解液溢出等造成的意外傷害。

3.2 操作準備

3.2.1 牽（拖）引車。牽（拖）引新普銳斯：首先應斷開輔助電池負極端子，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拖引車輛，但是必須滿足以下條件：（1）點火開關置于ACC檔，檔位開關置于N檔；（2）車速須低于30公里/小時；（3）盡可能縮短車輛拖引的距離。

3.2.2 跨接啟動車。跨接啟動新普銳斯：如果輔助電池組（12V）虧（缺）電，主儀表READY燈無法點亮，車輛將無法起動。應首先：（1）檔位開關置P檔位置，設置駐車制動，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→連接合格電源負極→連接新普銳斯后備箱鎖扣（搭鐵接地）。啟動后按照相反的順序斷開連接。

3.2.3 斷開HV系統。新普銳斯進行保養或維修、處理損壞車輛、進行事故恢復或急救工作時：（1）檔位開關置于P檔位置，駐車制動，拔下鑰匙；（2）斷開輔助電池負極端子；（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，隔離外露區域與高壓系統的接線端或連接器；（4）斷開維修塞后，在開始檢查前等待5分鐘，使用萬用表去檢測變頻器每一個相位電壓，讀數必須為0。若因為損壞或其他的原因無法取下HV蓄電池維修塞，可以在發動機艙內的接線盒中拔出HV蓄電池組保險絲。

3.3 診斷與檢修步驟

3.3.1 客戶查詢：（1）根據天氣溫度、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）根據行車條件，駕駛員操作，警告、故障出現頻率等確定車輛條件。

3.3.2 診斷過程：（1）初步根據對客戶查詢，判斷故障前行駛狀況、故障時及到廠維修時車輛狀況及相關信息進行分析；（2）采用車輛故障診斷儀診斷汽車故障時，使用IT-Ⅱ和選用DLC3接頭，檢查并記錄系統中所有的故障碼，確認HV系統存在的故障碼，并將故障信息碼優先排；（3）檢查并記錄FFD（每一個系統），并檢查歷史記錄數據。

故障診斷儀的故障碼讀取系統界面中會在故障代碼后顯示故障碼出現的優先順序，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，需要區分與故障不關聯的故障碼。不關聯的故障有：（1）在日光照射不了的條件下，代碼B1424（日光傳感器回路異常）有時會輸出；（2）HV系統有故障時再生制動器不起作用，ECB ECU從HV ECU接受故障信號并輸出故障代碼C1259（HV系統再生故障）、C1310（HV系統故障）；（3）EPS ECU從HV ECU接受故障信號并輸出故障代碼C1546（HV系統故障）；（4）當蓄電池組端子斷開，AFS系統輸出（轉向中間位置自動校正不完全故障）故障碼B2421。確認故障代碼后檢測相關故障元件（注意在檢測時，應按照故障碼的優先順序進行）；（5）維修人員按照故障碼優先順序檢查P0A60-501（相位V電流傳感器故障），在故障恢復后清除故障碼，并檢查故障是否能夠重現，以確定故障可靠排除。

3.3.4 主動測試功能應用。主動測試主要用于對混合動力車輛進行故障檢查，并使車輛保持特定的運行狀態。主動測試的項目有：（1）診斷模式1：將檔位開關置于P檔位，連續運行發動機并取消牽引力的控制，用于檢查發動機點火正時、HC/CO的排放情況；檢查發動機運轉情況；轉速表工作情況；（2）診斷模式2：取消牽引力控制，用于檢查發動機點火正時、HC/CO的排放情況；檢查發動機運轉情況；轉速表工作情況；（3）變頻器驅動強制停止：持續切斷HV ECU內部的功率三極管，用于確認是否在變頻器或HV ECU內部有漏電；（4）啟動請求：連續的轉動發動機曲軸，用于檢查發動機壓縮情況。例：混合動力系統FINV（P0A78、P0A7A）。FINV故障包括HV ECU或變頻器故障需要判斷，采用變頻器驅動強制停止模式判斷變頻器或HV ECU漏電。

參考文獻

[1] 張松，吳光強，鄭松林.插電式混合動力汽車能量管理策略多目標優化[J].同濟大學學報（自然科學版），2011，（7）.

[2] 林歆悠，孫冬野，尹燕莉，郝允志.混聯式混合動力客車發動機優化控制策略[J].重慶大學學報，2012，（7）.

作者簡介：胡登興（1991-），男，重慶人，供職于重慶電訊職業學院，汽車維修技師，汽車電控檢測師，研究方向：工程項目科研、設計與教學；饒建偉（1991-），男，四川樂山人，供職于重慶電訊職業學院，汽車維修技師，汽車運用工程師，研究方向：工程項目科研、設計與教學。

（責任編輯：陳 倩）